摘要
选择TA7（α相）、TB6（β相）、TC4（α+β相）合金进行切削实验，设计直角切削模型，以切削速度为唯一变量，分析三种钛合金在切削过程产生的切削力变化。切削实验结果表明，β相钛合金在切削过程中切削力远大于α相钛合金和α+β相钛合金，三种钛合金在切削过程中切削力随切削速度的增加呈现先升高后降低的变化，在切削速度为50 m/min时达到最大。收集并观察锯齿形切屑并分析其形成机理，观察发现，随着速度的提升，切屑由带状变为锯齿形。综合三种钛合金在实验过程中随切削速度的变化呈现的切削力数据与切屑形态变化可以看出，从低速到高速切削的过程中，绝热剪切的两个形成因素对切削力和切屑形态有重要的影响。
钛合金是20世纪50年代发展出来的一种重要结构金属材料，具有耐高温、耐腐蚀、比强度高等特点，目前其零件产品已广泛应用于医疗、海洋和航空航天等领
随着钛合金市场的增加，钛合金加工也要追求高效、稳定，但由于钛合金本身高强度、热导率低的特点，切削过程中与刀具接触后摩擦剧烈，产生的热量会聚集于接触部位，致使切削区局部升
国内外学者对绝热剪切的研究做了大量工作。SHASHIKANT
本文采用直角切削模型，旨在研究α相钛合金、β相钛合金、α+β相钛合金在切削过程中切削力的变化，主要从切削速度和金相组织两个方面对切削力的影响进行分析并研究其机理；将三种钛合金工件切削后形成的切屑收集处理，进行金相组织的观察，分析不同切削速度下切屑形态的变化规律，并针对切屑形态综合分析绝热剪切对钛合金材料切削过程的影响。
对应三种金相组织选用TA7、TB6、TC4钛合金，三种钛合金物理特性如
| 钛合金 | 抗拉强度 σb/MPa | 屈服强度 σa/MPa | 伸长率δ/% | 收缩率 ψ/% | 硬度 /HB |
|---|---|---|---|---|---|
| TA7 | 539 | 485 | 25 | 25 | 240~300 |
| TB6 | 1 145 | 1 082 | 11.1 | 64.4 | 240~300 |
| TC4 | 960~1 200 | 825 | 10 | 25 | 330~370 |
采用直角切削模型，是指主切削刃与切削方向成90°的切削方式，切削过程中切削宽度与切削厚度相差达十倍以上时，切削力可以视作分解在轴向与切向两个方向。将厂家直购的三种牌号钛合金棒材加工为平均直径为100 mm、壁厚为1 mm的薄壁空心圆筒状工件，试验所用工件如
图1 切削试样图纸
Fig.1 Drawing of cut sample
直角切削模型中刀具选择刃倾角为0°，考虑到钛合金高硬度、高耐磨性的特点，选择如
图2 试验所用刀具
Fig.2 Tools used in the experiments
切削所用机床为CK6125A车床，切削力测量采用KISTLER 9027C三向石英压电测力传感器，为使传感器能够实时有效的采集切削力数据，针对实验切削环境设计了三向测力刀架，将传感器与刀具固定在车床工作台上。外部信号传输设备采用配套的电荷放大器、适配器和信号采集处理分析仪，传感器信号最终由计算机中东方所DASP软件作数据处理。切削力实验过程和测量原理如
图3 试验过程
Fig.3 Experiments process
图4 试验测量原理
Fig.4 Measurement principle of experiments
试验采用正交切削试验：刀具刃倾角为0°时，刀具前刀面与材料切削面平行，在一定程度上减少切削力的径向分解，切削时切削力主要集中在工件轴向方向和工件切向方向，径向切削力几乎为零，如
图5 切削力分解示意图
Fig.5 Schematic diagram of cutting force decomposition
实验工件均加工为薄壁圆筒状，切削过程取切削速度为唯一变量，六组切削速度分别为：30、40、50、60、70 和80 m/min，三种钛合金工件切削后得到18组切削结果。
在切削试验中，三向测力传感器得到了三组数据，通过Origin软件对试验得到的原始切削力数据进行初步处理，得到如
图6 原始数据曲线图
Fig.6 Raw data graph
通过对原始数据的处理，计算得到三种合金材料不同切削速度下的平均切削力如
| 切削速度v/m·mi | 切削力/N | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| TA7 | TB6 | TC4 | ||||
| 30 | 133.9 | 271.3 | 181.9 | 331.9 | 136.3 | 271.2 |
| 40 | 140.3 | 317.7 | 187.1 | 366.3 | 141.7 | 286 |
| 50 | 141.6 | 318.7 | 191.4 | 371.4 | 137.6 | 303.9 |
| 60 | 125.7 | 309.5 | 200.5 | 362.2 | 118.6 | 298.9 |
| 70 | 131.3 | 302.1 | 213.8 | 355.7 | 129.5 | 295.4 |
| 80 | 134.5 | 298.1 | 241.7 | 352.5 | 132 | 291.8 |
根据
图 7 轴向切削力-切削速度变化
Fig.7 The variation between axial cutting force and
cutting speed
图 8 切向切削力-切削速度变化
Fig.8 The variation between tangential cutting force and cutting speed
对两组切削力曲线进行比较，可以看出在相同的切削参数下，除TB6钛合金的轴向切削力外，其他的切削力数据随切削速度的变化基本相同，当切削速度未达到50 m/min时，三种钛合金材料的切削力与切削速度成正相关，当速度超过50 m/min后，三种钛合金材料的切削力随切削速度增加而降低。在30~80 m/min的切削速度区间内，三种钛合金的切削力都没有发生突变，说明切削过程中绝热剪切变形一直处于均匀塑性变形阶段。已有研究表明：（1）在低速切削区切削加工材料主要发生高应变率的形变硬化；（2）随着切削速度增加，切削区域大部分变形功转变为热量导致温度升高，产生热软化效应。切削速度在30~50 m/min时，钛合金材料发生形变累积，切削力不断增大。切削速度在50~80 m/min时，切削过程产生的热软化效应降低了加工产生的硬化，在较高的切削速度下，这种热软化效应带来的强度下降大于加工硬化导致的强度增加时，材料的切削力降低。因此钛合金切削过程中绝热剪切现象是在切削速度为50 m/min时开始发生变化的。
对比切削力数据曲线发现：同一切削速度下，TA7钛合金（α钛合金）所受的切削力与TC4钛合金（α+β钛合金）所受的切削力基本一致，但TB6钛合金（β钛合金）所受的切削力明显高于其他两种合金，提升了近21%。这说明在切削加工中β钛合金的切削难度比α钛合金和α+β钛合金更高。这是由于α相钛合金的内部组织为密排六方晶体，含有多个滑移系，所以α相钛合金的工艺塑性更好；β相钛合金内部组织为体心立方晶格，有较大的排列缺陷能，滑移不明显，且塑性变形不均匀；α+β钛合金的塑性与α相和β相的强度差值有关，相的强度差值越大，塑性越
切屑是机械分离的材料微粒，是判断切削过程的特征之一，其影响因素是切削刃部分的几何形状、材料的形变能力、切屑量和切削速度。根据切屑形成的类型，可将切屑划分为带状切屑、短螺旋切屑和碎裂切屑，其中短螺旋切屑是一种连续且具有剧烈锯齿状表面的切
收集试验中各个切削条件下的切屑，选取其中切屑厚度稳定且平整的切屑段制备金相试样，观察的切屑应该具有较为完整的齿廓。采用有机物热镶嵌的方法，镶嵌机金相模型直径为22 mm，切屑放置时锯齿横截面平行于模具底面，填充高度约为15 mm的胶木粉。对制备好的试样依次采用不同粒径的水砂纸研磨，最后进行机械抛光。
通过金相显微镜将切屑形态放大，并使用配套的摄像机进行拍照取景，采用ImageView软件测量锯齿尺寸切屑的金相图如
切削速度 v/m·mi | TA7 | TB6 | TC4 |
|---|---|---|---|
| 30 |
 |
 |
 |
| 40 |
 |
 |
 |
| 50 |
 |
 |
 |
| 60 |
 |
 |
 |
| 70 |
 |
 |
 |
| 80 |
 |
 |
 |
从
切屑的锯齿化程度代表着切屑的变化程度，其定义如
| (1) |
式中，H为齿顶高度，h为齿根高度。从
图 9 锯齿尺寸测量
Fig.9 Sawtooth dimension measurement
根据
图 10 不同切削速度下切屑锯齿化程度
Fig.10 The chip serration degree at different cutting speeds
根据
（1）针对三种钛合金材料切削实验分析切削速度与切削力关系发现：切削力随切削速度的增加呈现先升后降的变化规律，切削力在切削速度为50 m/min时达到最高，之后切削力开始随着切削速度的增加而下降；在相同切削速度下，TB6钛合金的切削力是三种钛合金中最高的，并比TA7、TC4合金高21%左右，这说明β相钛合金的切削难度比α相钛合金和α+β相钛合金大，因此钛合金中β相含量高会使切削力变大。
（2）分析不同金相组织的钛合金切削速度对锯齿形切屑产生的影响，β相钛合金产生短螺旋切屑所需的切削速度高于其他两种合金；在试验所处条件下，随着切削速度的提高，带状切屑逐步变为短螺旋切屑且切屑的锯齿化程度始终稳步增加，锯齿轮廓逐渐清晰，同时三种不同钛合金切屑形态有较大差别。
（3）对三种钛合金绝热剪切现象宏观方面的特征分析：在进给量=0.1 mm、刀具前角=0°的切削条件下，三种钛合金在切削速度低于50 m/min时，切削力随切削速度增加而增加，切屑呈带状，主要由于材料发生了塑性变形，内部产生高应变，应力积累，以加工硬化效应为主；切削速度高于50 m/min时，切削力随切削速度的增加有不同程度的下降，切屑呈锯齿状，主要由于高速切削和局部的高应变产生了大量热量，材料发生热软化效应，降低了材料性能，进而使切削力降低。说明切削过程中的剪切绝热现象在切削速度为50 m/min时产生变化，切削力达到最大，在钛合金的切削生产中应使切削速度尽量避开50 m/min，延长刀具寿命。
参考文献
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