TA15和TC4切屑形态对刀具振动影响的实验研究

范鹏飞，李金泉，周培培

(沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

TA15和TC4切屑形态对刀具振动影响的实验研究

范鹏飞，李金泉，周培培

(沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

对TA15和TC4两种钛合金材料进行车削实验，运用公式量化材料的绝热剪切敏感特性.研究了两种材料绝热剪切敏感特性对切屑锯齿化程度和切削中刀具振动的影响.研究证明：两种材料在高速切削下产生了锯齿形切屑，而且切屑的锯齿化程度对刀具的振动有明显影响；绝热剪切敏感性大的材料，锯齿形切屑锯齿化程度和刀具振动加速度均较大.

TA15钛合金；TC4钛合金；切削振动；绝热剪切敏感性

钛合金具有比强度高、高温强度高、耐腐蚀性强等优点，在航空航天、石油化工、汽车制造等领域应用广泛.钛合金具有弹性模量小、导热系数低、化学活性高等特点，导致加工过程的刀具磨损和振动较大，对生产效率和工件表面粗糙度有不利影响[1].切屑形态对切削过程的排屑、刀具磨损、工件表面质量具有重要的影响,它是进行工件材料可切削加工性评价的重要指标[2].锯齿形切屑是高速切削中切屑形态的重要特征.锯齿形切屑的形成使加工中切屑的断屑变得容易.切屑锯齿化会造成切削力波动，切削力的波动会引起刀具系统高频振动，导致工件已加工表面的质量恶化,同时会加剧刀具磨损或破损[3].因此，分析研究切屑的锯齿化程度及其与刀具振动特性的关系具有重要的意义.Komanduri R等[4-5]和Shaw M C[6]等分别提出了绝热剪切理论和周期脆性断裂理论.Ekinovice等简化了锯齿形切屑模型，用Gs表征锯齿化程度[7].李国和提出了锯齿化临界条件第一变形区[8].

目前，绝热剪切理论应用较广.绝热剪切是金属在高应变条件下产生的一种常见现象.钛合金的绝热剪切敏感性较强，在高应变条件下更容易出现绝热剪切现象，产生锯齿形切屑[9].本文选用不同材料和相同切削用量，研究切屑形态与刀具振动加速度的关系.

1 实验材料及设备

1.1 材料和刀具

(1)实验材料：TA15和TC4的圆柱形棒料，直径为100 mm，长度为300 mm.其材料成分和性能参数分别见表1和表2.

表1 材料成分 wt%

表2 材料性能参数

(2)刀具参数:刀杆型号为SCLCR2525M09；刀片为山特维克公司生产的CCMT09T308-MF 1105牌号的PVD涂层刀片；刀具主偏角kr=95°，刃倾角λs=0°，前角γ0=0°，后角α0=7°；刀尖圆弧半径rz=0.8 mm.

1.2 实验加工设备和测量设备

实验使用沈阳第一机床集团公司生产的CA6140A普通机床；检测振动使用美国PCB公司生产的加速度传感器，其采集卡型号为NI9234；检测振动加速度使用的软件为北京东方振动噪声研究所的DASP软件.

2 实验方法

由于运用外圆连续的干切削，刀杆径向振动效果不明显，所以不进行测量，只测量刀具的两个方向.两个传感器分别安装在刀杆z方向(对应于工件的轴向)和y方向(对应于工件的切向)，对不同方向的振动信号进行采集.采用单因素实验配置多组切削用量，并合理安排各组切削用量，使振动数据均匀分布，以便于下一步分析.选取典型且相同切削用量的切屑，制备金相试样；然后，依据切屑锯齿化程度计算公式(Gs=(h1-h2)/h1)，算出切削中每个齿的锯齿化程度，求和取平均值，即得本组切削用量下切屑的锯齿化程度(图1)；最后，比较材料在相同切削用量下锯齿形切屑的锯齿化程度，编写出单因素实验表(表3).

图1 两种切屑相同切削用量的锯齿化程度对比

表3 单因素实验振动加速度和切屑锯齿化程度

注：锯齿化程度为无量纲量.

3 结果分析

在表3中序号1和序号2对应的两组切削用量下加工时，由于切削速度太小，切屑形态呈带状，未出现锯齿形;序号3至序号9对应的7组切削用量下加工材料，均产生了锯齿形切屑，而且，TC4锯齿化程度较大的切屑占5组，TA15锯齿化程度较大的切屑占2组.从总体来看，TC4的锯齿化程度高于TA15的锯齿化程度.

锯齿形切屑的形成原因在于绝热剪切现象.从能量学角度来看，绝热剪切带的形成实际上是能量累积所导致的，形成绝热剪切带所需要积累的能量越少，则材料的绝热剪切敏感性越强，锯齿化程度就越大.Kipp M E和Grady D E[10-13]推导出的能量势垒表达式为：

(1)

式中： ρ——材料的密度,kg/m3；

c——材料的比热容,J/(kg·K)；

α——热软化系数,K-1；

χ——热扩散系数，m/s2；

τy——材料的屈服强度,MPa；

(2)

式中： γ0——刀具前角，(°)；

φ——剪切角，(°)；

v——切削速度，m/min；

S——剪切带宽度，mm.

(3)

剪切带宽度可估算为：

(4)

式中，ap——切削深度，mm.

通过计算可知，TC4形成锯齿形切屑所需能量低于TA15(图2)，易于形成锯齿形切屑，与锯齿化程度测量结果相符.

图2 能量势垒趋势

图3 各种切削参数对刀具振动的影响

图3所示为各种切削参数对刀具振动的影响.从图3可以看出，在所有切削用量下，TA15的y方向以及z方向的刀具振动加速度都小于TC4.其原因是TC4的绝热剪切敏感性和强度大于TA15(图2)，被切削材料在切削过程中强度越大，刀具的变形就越大，产生的锯齿形切屑的锯齿化程度越大，刀具的振动加速度也越大.在切削速度从31.21m/min上升到100.32m/min的过程中，加工TA15和TC4的刀具振动加速度曲线变化规律大致相同.在切削速度为31.21～49.05m/min内，切削加工TC4和TA15产生的切屑均呈带状.在此切削速度范围内，随着切削速度的上升，带状切屑从刀具前刀面流过的速度也上升，从而引起刀具的变形增大，刀具的振动加速度增大.在切削速度为79.14m/min时产生锯齿形切屑，但其锯齿形并不均匀，不属于标准锯齿形切屑.因为锯齿形切屑比带状切屑易断，所以在切削速度从49.05m/min上升到79.14m/min的过程中，振动加速度上升的趋势变缓.切削速度为100.32m/min的切削加工产生齿形均匀的标准锯齿形切屑，切屑更容易断裂，刀具的振动加速度明显下降.在切削速度从100.32m/min上升到140.45m/min的过程中，加工TA15和TC4的刀具振动加速度曲线明显不同：加工TC4的刀具振动加速度随着速度增加而下降，其原因是随着速度的增加切削温度会上升，材料被热软化，加工TC4的刀具振动加速度随之降低；加工TA15的刀具振动加速度随着速度的增加而上升，主要原因是TA15的熔点高于TC4，导致TA15的热软化系数低于TC4，所以TA15的热软化作用不明显，其次是随着切削速度增加，锯齿形切屑的断屑对刀具振动的影响被切削速度的增大所抑制，最终导致刀具振动加速度随着锯齿形切屑锯齿化程度的增大而升高.

从图3还可以看出，在进给量变化时，加工TC4和TA15的刀具振动加速度随着进给量的增加而变大.其原因是随着进给量的增加，切屑锯齿化程度增大，锯齿化程度大的切屑摩擦刀具前刀面引起的刀具变形更大，刀具振动加速度也更大.另一方面，进给量增大使刀具与材料的接触面积增大，使加工TA15和TC4的刀具振动加速度增大.

4 结束语

通过车削TA15和TC4的圆柱形棒料实验，研究两种钛合金在相同切削用量下切屑形态与刀具振动之间的关系.在相同切削用量下，TC4切屑锯齿化程度比TA15切屑的锯齿化程度高，切削TC4棒料时刀具的振动加速度大于切削TA15棒料时刀具的振动加速度.

[1] 姜振喜，孙 杰,李国超，等.TC4铣削加工的刀具磨损与切削力和振动关系研究[J].兵工学报，2015，36(1)：144-150.

[2] 林君焕，邹 祥，李国平.基于压电陶瓷执行器的车削振动控制系统研究[J].计算机测量与控制，2011，19(5):1082-1085.

[3] 李小俚，关淑艳，关新平.刀具状态智能监控技术[J].高技术通讯，1998(1):24-26.

[4] Komanduri R，Reed W R. Evaluation of carbide grades and a new cutting geometry for machining titanium alloys[J].Wear，1983，92(1)：113-123.

[5] Komanduri R.Some clarifications on the machanics of chip formation when machining titanium alloy[J]. Wear，1982，76(1)：15-34.

[6] Shaw M C，Desalvo G J. On the plastic flow beneath a blunt axisymmetric indenter [J].Journal of Engineering for Industry，1970，92(2)：480-492.

[7] Ekinovic S, Begovic E. An approach to determine transition area from conventional to high-sppedmachining by means of chip shap analysis[J].Achieves of Materials Science,2007,28(1-4):35-39.

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[9] 程信林.Ti-6Al-4V绝热剪切变形中热/力学参量的数值模拟及其剪切带内微观组织演化机制的探讨[D].长沙：中南大学，2004.

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[11] Grady D E. Properties of an adiabatic shear-band process zone[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1992,40(6):1197-1215.

[12] Grady D E,Kipp M E.The growth of unstable thermoplastic shear with application to steady-wave shock compression in solids[J].Journal of Mechanics and Physics of Solids,1987,35(1): 95-118.

[13] Grady D E.Dissipation in adiabatic shear bands[J].Mechanics of Materials,1994(17):289-293.

Experimental Study on the Effect of TA15 and TC4 Chip Shapeon Vibration Acceleration

FAN Peng-fei,LI Jin-quan,ZHOU Pei-pei

(School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

By the cutting experiment of titanium alloy materials TA15 and TC4 and the formula quantization of adiabatic shear sensitivity properties, the effect of adiabatic shear sensitivity on the serrated degree of the cutting chip and the difference of vibration generated in cutting process was studied. The study shows that materials TA15 and TC4 produce the serrated chips in the high speed cutting. The serrated degree of the cutting chip has a significant effect on the vibration of cutting tool. Higher the adiabatic shear sensitivity of the material means the larger the serrated degree of the cutting chip and larger the vibration acceleration of the material.

TA15 titanium alloy; TC4 titanium alloy; cutting vibration; adiabatic shear sensitivity

2016-10-10

国家自然科学基金资助项目(51275317)

范鹏飞(1988-)，男，黑龙江铁力人，硕士研究生，研究方向为先进制造理论与应用技术.

1006-3269(2016)04-0041-04

TG51

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.010