引言

钛合金是20世纪50年代发展出来的一种沉要结构金属资料，拥有耐高温、耐侵蚀、比强度高档特点，目前其零件产品已宽泛利用于医疗、海洋和航空航天等领域［1］。目枪合金的分类普遍依照亚稳态下的相组织和β不变元素含量进行划分，有α型、α+β型、β型三大类，进一步可细分为近α型与亚稳态β型钛合金。分歧的相组织含量对钛合金的机能有极大的影响，α型钛合金重要组织为α相，其单相合金拥有优异的耐高温性，其中典型的有TA7（Ti-5Al-2.5Sn）合金，是国内最早开发迪胙合金之一；α+β型钛合金重要组织寂仔α相，又存在β相，兼具两相个性，拥有良好的综合机能，其中TC4（Ti-6Al-4V）合金是目前利用最多、技术最为成熟的双相合金；β型钛合金重要组织为β相，拥有较高的强度和优良的热处置性，代表型号TB6（Ti-10V-2Fe-3Al）合金宽泛利用于波音系列结构件中。

随着钛合金市场的增长，钛合金加工也要钻营高效、不变，但由于钛合金自身高强度、热导率低的特点，切削过程中与刀具接触后摩擦剧烈，产生的热量会荟萃于接触部位，以至切削区部门升温［2］，进而引发绝热剪切，在切削过程中出现突发性失效。在资料的切削过程中，切削力和切屑状态是观察切削个性较为直观的成分，也是反映绝热剪切景象的沉要蹊径。绝热剪切是指资料在切削过程中因摩擦产生的温度升高使资料出现热软化效应优于加工硬化效应时，应力-应变曲线斜率变为负值，资料在切削过程中强度降低。绝热剪切变形通常产生均匀塑性、非均匀塑性和塑性失稳变形，当绝热剪切失稳时，会使切削过程产生剪切失效，对加工表表产生极大影响［3］。

国内表学者对绝热剪切的钻研做了大量工作。SHASHIKANT等［4］人选取正交切削尝试钻研了三种分歧金相组织（α相、β相、α+β相）迪胙合金切削过程中β相含量对切屑的影响。针对切削速度为73 m/min的合金切屑发现：随着合金β相的增多，切屑的裂纹增长，状态由规定梯形变为不规定梯形，切裂缝之间的夹角逐步变；随着切削速度的提高，切削过程中资料的强度先增长后减幼，造成这种景象的一部门原因是切削过程中的热软化效应抵消了高应变速度引起的资料塑性降低，且随着β相增多，切屑中裂纹出现的频率对切削速度越发敏感。朱雨恩［5］通过对退火后TC4钛合金棒材进行切削尝试，钻研了剪切带内组织和影响其形成的切削前提。了局发现：TC4钛合金在切削过程中，剪切带内组织在应变与热堆集的共同作用下产生了变动，而锯齿形切屑的形成正是由于热塑性失稳造成的。

本文选取直角切削模型，旨在钻研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动，重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钻研其机理；将三种钛合金工件切削后形成的切屑网络处置，进行金相组织的观察，分析分歧切削速度下切屑状态的变动法规，并针对切屑状态综合分析绝热剪切对钛合金资料切削过程的影响。

1、尝试设计

1.1 尝试工件及刀具

对应三种金相组织选用TA7、TB6、TC4钛合金，三种钛合金物理个性如表1所示。

表1  三种钛合金物理个性对比

Tab.1  Comparison of physical properties of three kinds of titanium alloys

选取直角切削模型，是指主切削刃与切削方向成90°的切削方式，切削过程中切削宽杜纂切削厚度相差达十倍以上时，切削力能够视作分化在轴向与切向两个方向。将厂家直购的三种商标钛合金棒材加工为均匀直径为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所示。

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°，思考到钛合金高硬度、高耐磨性的特点，选择如图2所示硬质合金数控车刀，为预防刀具磨损影响测试了局，必要在每组切削尝试实现后更换刀具的主切削刃，使刀具在切削过程中对工件维持优良的加工性。

图2  试验所用刀具

Fig.2  Tools used in the experiments

1.2 切削机床及数据采集设备

切削所用机床为CK6125A车床，切削力丈量选取KISTLER 9027C三向石英压电测力传感器，为使传感器可能实时有效的采集切削力数据，针对尝试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。表部信号传输设备选取配套的电荷放大器、适配器和信号采集处置分析仪，传感器信号最终由推算机中东方所DASP软件作数据处置。切削力尝试过程和丈量道理如图3、图4所示。

图3  试验过程

Fig.3  Experiments process

图4  试验丈量道理

Fig.4  Measurement principle of experiments

1.3 尝试设计及了局

试验选取正交切削试验：刀具刃倾角为0°时，刀具前导与资料切削面平行，在肯定水平上削减切削力的径向分化，切削时切削力重要集中在工件轴向方向和工件切向方向，径向切削力险些为零，如图5所示，因而大大简化了切削模型，因而尝试设计为切削宽度1 mm、厚度为0.1 mm，两者相差十倍以上时，近似视作直角切削［6］。

图5  切削力分化示意图

Fig.5  Schematic diagram of cutting force decomposition

尝试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，六组切削速度别离为：30、40、50、60、70 和80 m/min，三种钛合金工件切削后得到18组切削了局。

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置，得到如图6所示变动曲线，三条曲线别离暗示轴向切削力Fx、径向切削力Fy和切向切削力Fz的变动情况，去除零点漂移后，能够看出切削力重要有轴向切削力Fx和切向切削力Fz，径向切削力Fy从始至终都维持不变且靠近零点，对整个切削过程没有影响，因而在分析切削力与速度关系时只取轴向切削力Fx和切向切削力Fz进行分析。图中所示曲线在刀具刚起头接触工件时产生剧烈的上升在刀具与工件分离时陡然降落，思考到刀具与工件之间接触不不变和传感器零点漂移问题，截取了所有尝试所得曲线图中不变阶段的切削力数据，以此为基础推算各个资料分歧速度下的均匀切削力。

图6  原始数据曲线图

Fig.6  Raw data graph

通过对原始数据的处置，推算得到三种合金资料分歧切削速度下的均匀切削力如表2所示。

表2  尝试均匀切削力数据

Tab.2  The average data of experiments cutting force

2、了局分析及结论

2.1 切削力与切削速度分析

凭据表2数据别离绘造轴向切削力Fx与切削速度v和切向切削力Fz与切削速度v之间的变动曲线，如图7、图8所示。

图 7  轴向切削力-切削速度变动

Fig.7  The variation between axial cutting force and cutting speed

图 8  切向切削力-切削速度变动

Fig.8  The variation between tangential cutting force and cutting speed

对两组切削力曲线进行比力，能够看出在一样的切削参数下，除TB6钛合金的轴向切削力表，其他的切削力数据随切削速度的变动根基一样，当切削速度未达到50 m/min时，三种钛合金资料的切削力与切削速度成正有关，当速度超过50 m/min后，三种钛合金资料的切削力随切削速度增长而降低。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产生突变，注明切削过程中绝热剪切变形一向处于均匀塑性变形阶段。已有钻研批注：（1）在低速切削区切削加工资料重要产生高应变率的形变硬化；（2）随着切削速度增长，切削区域大部门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，钛合金资料产生形变累积，切削力不休增大。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降落大于加工硬化导致的强度增长时，资料的切削力降低。因而钛合金切削过程中绝热剪切景象是在切削速度为50 m/min时起头产生变动的。

2.2 切削力与金相组织分析

对比切削力数据曲线发现：同所有削速度下，TA7钛合金（α钛合金）所受的切削力与TC4钛合金（α+β钛合金）所受的切削力根基一致，但TB6钛合金（β钛合金）所受的切削力显著高于其他两种合金，提升了近21%。这注明在切削加工中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，有较大的分列缺点能，滑移不显著，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，塑性越低［7］。所以能够得出结论：钛合金切削过程中，切削力随β相的含量增长而增大。

3、分歧金相组织切屑分析

3.1 切削过程产生的切屑

切屑是机械分离的资料微粒，是判断切削过程的特点之一，其影响成分是切削刃部门的几何状态、资料的形变能力、切屑量和切削速度。凭据切屑形成的类型，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陆续且拥有剧烈锯齿状表表的切屑［8］。对切屑的状态进行钻研能够有效反映出切削过程中剪切带的变动，也是对工件表表质量的直观反映。

3.2 金相试样的造备

网络试验中各个切削前提下的切屑，拔取其中切屑厚度不变且平坦的切屑段造备金相试样，观察的切屑应该拥有较为齐全的齿廓。选取有机物热镶嵌的步骤，镶嵌机金相模型直径为22 mm，切屑搁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。对造备好的试样顺次选取分歧粒径的水砂纸研磨，最后进行机械抛光。

3.3 切屑图谱分析

通过金相显微镜将切屑状态放大，并使用配套的摄像机进行拍照取景，选取ImageView软件丈量锯齿尺寸切屑的金相图如表3所示。

从表3对比得到，TA7钛合金在切削速度增长的过程中产生的切屑从低速时的带状切屑逐步转变为高速时的短螺旋切屑，其中30~40 m/min的切削速度为中央的过渡区间。TB6钛合金在切削速度未达到40 m/min的低速切削时切屑呈带状，随着切削速度增长至50 m/min起头出现陆续且锯齿显著的短螺旋切屑，随着切削速度的不休增长，锯齿化不休加剧，在切削速度为80 m/min时呈碎裂切屑。TC4钛合金在切削速度未达到40 m/min时没有显著的锯齿状产生，切屑呈带状，切削速度在达到50 m/min才有显著的锯齿状切屑产生，且随切削速度的增长，锯齿化水平较其他两种合金显著降低。从以上能够得出结论：TA7、TB6、TC4钛合金在尝试地点的切削环境下，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。结合金相组织与切削力关系能够看出，合金切削过程必要的切削力越大，切屑锯齿化的切削速度就会越高。

切屑的锯齿化水平代表着切屑的变动水平，其界说如下［9］：

式中，H为齿顶高度，h为齿根高度。从图9能够看出齿顶与齿根距离差越大，资料变形越多，锯齿化水平越高。

图 9  锯齿尺寸丈量

Fig.9  Sawtooth dimension measurement

凭据式（1）对试验后的切屑进行锯齿化水平推算，并绘造如图10所示的Gs-v曲线。

图 10  分歧切削速度下切屑锯齿化水平

Fig.10  The chip serration degree at different cutting speeds

凭据图10能够看出，随切削速度不休提高，三种钛合金资料的锯齿化水平都在不休升高，在切削速度为30 m/min时，锯齿化水平在0.10~0.15，锯齿高度不显著，在切削速度为40 m/min时，锯齿化水平达到0.2左右，切屑整体呈带状，在剪切区起头出现不陆续的齿状概括，当切削速度达到50 m/min时，三种钛合金的锯齿概括变得陆续、均匀，在后续随着切削速度的增长，切屑的锯齿化水平呈线性增长，在齿距根基不变的同时，锯齿成形也逐步清澈，注明合金产生的塑性变形剧烈。结合切削速杜纂切削力的关系能够看出，在高速切削时切削力反而降落，注明在高速切削时产生的短螺旋切屑锯齿化程杜纂绝热剪切效应有关，由于切削过程产生的热量增多，钛合金的低热导率使切削部门升温，合金资料产生热软化甚至导致失效。

4、结论

（1）针对三种钛合金资料切削尝试分析切削速杜纂切削力关系发现：切削力随切削速度的增长出现先升后降的变动法规，切削力在切削速度为50 m/min时达到最高，之后切削力起头随着切削速度的增长而降落；在一样切削速度下，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，这注明β相钛合金的切削难度比α相钛合金和α+β相钛合金大，因而钛合金中β相含量高会使切削力变大。

（2）分析分歧金相组织迪胙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；在试验所处前提下，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水平始终稳步增长，锯齿概括逐步清澈，同时三种分歧钛合金切屑状态有较大差距。

（3）对三种钛合金绝热剪切景象宏观方面的特点分析：在进给量ap=0.1 mm、刀具前角γ0=0°的切削前提下，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长而增长，切屑呈带状，重要由于资料产生了塑性变形，内部产生高应变，应力堆集，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长有分歧水平的降落，切屑呈锯齿状，重要由于高速切削和部门的高应变产生了大量热量，资料产生热软化效应，降低了资料机能，进而使切削力降低。注明切削过程中的剪切绝热景象在切削速度为50 m/min时产生变动，切削力达到最大，在钛合金的切削出产中应使切削速度尽量避开50 m/min，耽搁刀具寿命。

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