外文翻译---高速立铣Ti-6Al-4V合金的刀具磨损和切削力变化

1、.附录A 英文原文附录B 汉语翻译高速立铣Ti-6Al-4V合金的刀具磨损和切削力变化S. Zhang & J. F. Li & J. Sun & F. Jiang摘要：Ti-6Al-4V合金在许多行业中是一种很有吸引力的材料，这是因为它具有独特并且优秀的强度质量比与耐腐蚀性的结合。然而，由于其较低的导热性和较高的化学反应活泼性，Ti-6Al-4V合金通常被作为一种难加工材料，这可表现为低生产率和快速的刀具磨损率，即使是在常规的切削速度下。众所周知，刀具磨损与切削力有很大的关系，一个关于切削力变化和刀具磨损关系的健全知识管理对于鉴别和优化自动化制造过程是至关重要的。在目

2、前的研究中，干切削条件下用未涂层硬质合金刀具加工Ti-6Al-4V合金的高速立铣正处于试验研究阶段。这个工作的主要目的是分析高速立铣Ti-6Al-4V合金过程中的刀具磨损和切削力变化。实验结果表明，在用未涂层硬质合金刀具高速立铣Ti-6Al-4V合金中的主要刀具磨损机理是在月牙洼处的磨损与扩散和后刀面的磨损。负y方向的切削力在三个分力中是最重要的，并且比其它两个分力x和z方向表现的更显著。可作为自动化制造中刀具磨损指标的的变化与刀具的磨损增长是正相关的。关键词：Ti-6Al-4V合金；刀具磨损；切削力变化；高速立铣术语： 径向切削深度（mm） 轴向切削深度（mm） 每齿进给量（mm/tooth

3、）， x,y和z方向的切削力（N）， 轴向，径向和切向的切削力（N）L 一次操作的切削长度（mm） 当切削工件时，立铣轴线与工件的距离（mm） 当结束切削工件时，立铣轴线与工件的距离（mm）n 主轴转速（r/min）r 立铣刀半径（mm）t 一次切削操作的切削时间（s） 立铣回转周期（ms） 一次回转中刀齿与工件啮合时间（ms） 切削速度（m/min）w 工件宽度（mm）希腊符号： 啮合角（degree） 顺时针测量的立铣刀相对于负y方向的瞬时角（degree） 刀具切入角（degree） 刀具切出角（degree）B.1 引言在过去几十年，钛及钛合金经历着广阔的发展，这是因为它们具有独特的性

4、能，例如，在一定温度下保持的高的强度质量比、高的抗断裂性能和在低于500°C下查出的耐腐蚀性1。因此，钛及钛合金广泛应用于很多行业2。商业钛合金根据它们的平衡机制适宜地分为相,(+)相和相合金三类，它是根据不同的种类和浓度的合金元素划分的3。Ti-6Al-4V是(+)相钛合金的一种，这种钛合金通常应用于航天、生物医学、汽车和石油行业4。然而，值得注意的是，其导热系数低和高的热容量可能在切削过程中引起散热方面的困难，结果导致高的切削温度集中在与刀刃毗邻的一个狭窄区域内，这里的温度可高达1000°C6。另一个钛合金的显著特征是非常高的化学反应活性7。结果是，刀具磨损的进展迅速8

5、和降低刀具寿命和恶化加工质量。切削过程中的刀具磨损可定义为由于刀具和工件之间的相互作用使得刀具材料在接触表面上的体积损失量。在切削过程中，在高温和高接触应力相互作用的刀屑界面，钛合金切屑通过一个界面层与刀具的前刀面和后刀面9, 10保持着非常紧密的接触。因此，切削钛合金的刀具磨损是由于在刀屑界面刀具材料粘附和扩散进入流动的切屑。刀具磨损导致机床的振动和工件表面粗糙度与尺寸精度的变化，甚至引起刀具损坏和机床损坏，以及当刀具严重磨损时机床的停机。自动化加工操作在最近几十年不断进步，无人操作的机床正在被广泛地引入到许多机械车间。因此，在线监测切削条件和刀具磨损是一项关键技术，它将实现高效率和自动化的

6、加工过程。各种刀具磨损检测技术已经被开发来提高自动化制造系统的运行效率。在线刀具磨损检测方法中，切削力的信号是自动化生产过程中最常用的作为刀具磨损预测的指标，因为切削力与刀具磨损增长有很强的正相关关系，并且切削力的测量是非常简单和直观的11, 12。探索切削力变化与刀具磨损增长之间的关系对于开发一种有效的刀具状态监控策略13是非常重要的。由于计算机数控机床(CNC)和高性能计算机辅助设计/计算机辅助制造系统的广泛应用，高速加工展示了相对于传统加工技术的一些超级优势，例如，提高生产率，优质的表面无毛刺边缘，几乎无压力的组成部分等2。市场对于高加工效率需求的不断增长已经形成一个更可靠的加工过程监控

7、条件。然而，很少有关于高速干切削Ti-6Al-4V合金过程中切削力变化与刀具磨损关系的研究。因此，这个工作的主要目的是用实验研究在干切削条件下采用未涂层硬质合金刀片高速立铣Ti-6Al-4V合金过程中刀具的磨损和切削力的变化。最后，根据实验结果分析和讨论刀具磨损、切削力、切削力变化与刀具磨损增长之间的关系。图B1 顺铣立铣过程的图像B.2 切削力分析一个立铣过程是一个多点的、中断的切削过程，在这一过程中，刀刃与工件的接触不是连续的，并且未切的切屑厚度随主轴旋转（即切削时间）的变化而变化。如图B1，在铣削过程中，刀具沿着工件进给方向旋转，在一个回转过程中，切屑厚度从最大值到零开始减小。最大的切削

8、厚度发生在靠近切齿与工件接触点处。因此，切屑厚度波动引起作用于刀齿和刀刃的出入切削力作周期性变化。在材料去除的过程中，刀齿不得不承受瞬时切向力，瞬时径向力和瞬时轴向力（刀具系统）。当处于刀屑界面的局部切向力，径向力和轴向力确定后，作用于立铣笛卡尔坐标系的三个分力，和可以用以下的变换表示： （1）这里 （2）顺铣立铣操作的刀齿切入角，沿着负y方向，应该是 （3）刀齿以一个大概的切出角切出，并且切出点的切削厚度是零。应该指出的是，仅当切削齿与工件衔接时的三个分力，和存在，否则三个分力都是零。然后方程1可以修正如下： 当 （4）如图B2所示，在顺铣过程中，当铣刀的中心到工件边缘垂直于进给方向的距离达

9、到时，立铣刀开始切削，这个距离是： （5）当铣刀中心与工件其它边缘垂直于进给方向的距离等于时停止铣削。当工件的宽度（w=100mm），立铣刀半径（r=12.5mm），并且径向切削深度（=5mm），图B2 切削长度示意图切削长度（L）在一个方向是： （6）当使用的主轴转速n=1274r/min，立铣回转周期（）和一次切削操作的切削时间（t）分别是： （7）和 （8）一次切削的切削时间是56.50s，它近似等于1min。根据图1，一次回转的啮合角可表示如下： （9）联立公式7和9，一次回转中刀齿与工件的啮合时间是： （10）对于有一个镶件的立铣来说，回转周期的时间是47.10ms；与此同时，立铣过

10、程中一次回转周期的啮合时间仅有6.95ms。那就是说，铣刀与工件的啮合时间是立铣回转周期的1/7。因此，由于切屑厚度变化引起的切削力周期性波动和刀齿的周期性切入切出是铣削过程中的一个基本特点。B.3 结果与讨论B.3.1 高速铣削试验B.3.1.1 试验装置图B3 实验装置退火处理的(+)相钛合金Ti-6Al-4V被挑选为工件材料，其化学成分和材料力学性能如表B1和B2所示。实验工作的工件材料被准备为mm的矩形块。在块体内钻了4个孔来用螺钉固定住KISTLER测力计。在开始立铣实验前，块体要被面铣来去除任何表面缺陷。表B1 Ti-6Al-4V合金的化学成分（重量百分含量）表B2 室温下Ti-6

11、Al-4V合金的机械性能用于立铣实验的切削刀具是一把直径为25mm的立铣刀。立铣刀装备有两个微颗粒直硬质合金刀片（H25等级）。可是，在这个研究中，每个实验只有一个嵌件安装在刀具上来避免工具提示跳动对刀具磨损分析的影响。嵌件和刀具体的几何组合形成的前角，轴向前角和-径向前角。所有的立铣试验都是在一个CNC上测试的。式样被安装在如图B3所示固定于机床工作台的KISTLER测力计的顶部。B.3.1.2 试验过程在顺铣过程中进行的切削试验中，切削速度=100m/min（主轴转速n=1274r/min），进给量=0.1mm/tooth，轴向切削深度=0.5mm，径向切削深度=5mm。工件的进给方向是沿

12、着如图3所示的负x轴方向，并且工件在进给方向上的长度是100mm（工件的宽度也如此）。没有任何切削液的干切削用做铣削试验。一个测力计（Kistler 9257A型号）主要由用高预紧力安装在地板与顶板之间的三个测力传感器组成。每个传感器包含三对石英板，一个对压力敏感的在z方向，另外两个对应于剪应力的各自在x方向和y方向。三个同轴电缆与电荷放大器（Kistler 5007型号）连接，电荷放大器由力台测力，然后输出电压信号，送入一个高分辨率高频的A/D数据采集板（CRAS AZ802型号 ），并且信号被记录在一个24KHZ的取样频率中。在高速立铣试验中，x，y，z方向的瞬时切削力，和被CRAS数据采

13、集/分析软件记录下来。根据方程6，每一个孔的切割长度大概是120mm。然后高速立铣实验被三个测量和研究刀具磨损演变的切割定则区间（大概3mm）打断。切削刃处的刀具磨损被应用了x射线能量分布分析仪的扫描电子显微镜进行评价。需要补充的是，收集于高速立铣实验的切屑也是用相同的SEM/EDS系统分析的。B.3.2 结果与讨论B.3.2.1 刀具磨损铣削操作是一个典型的间歇切割过程，在这一过程中，切削刃的切削力和热会随着刀齿的切入与切出经历波动。Ti-6Al-4V合金的低热传导率引起接近刀刃处的刀屑接触区高的切削温度。更重要的是Ti-6Al-4V合金在高温情况下与大多刀具材料有较高的化学反应性。此外，在

14、高温和高接触应力下，钛合金切屑通过一个界面层在刀具前刀面和后刀面9, 10处与刀具保持很密切的接触。所以，由于刀屑接触区的高温和高接触应力使得切削钛合金的刀具磨损非常剧烈。硬质合金刀具的典型磨损是月牙洼，它是在刀具前刀面处形成的，与切削刃距离较短。高速立铣Ti-6Al-4V合金过程的这种磨损如图B4a，b所示。值得注意的是，所有月牙洼磨损是从高切削刃5很小距离处开始的。窄月牙洼宽度可能是由于切削钛合金固有的较短的刀屑接触长度和高的切削温度集中在一个毗邻切削刃的狭窄区域造成的。(a)铣削三分钟后 (b)铣削12分钟后图B4 前刀面月牙洼磨损扫描电镜图像在高速立铣Ti-6Al-4V合金过程中，某种

15、程度上，刀屑接触区的局部高温和刀具与工件材料之间的化学成分浓度梯度同时支持刀屑接触区两种类型的扩散，如下，刀具成分扩散进入工件和工件材料成分扩散进入刀具。因此，如图B5所示在月牙洼处EDS显微分析发现了微量的工件材料（钛和铝），此图进一步表明工件内部成分扩散到了刀具材料，并且留在了刀具的前刀面上。硬质合金通常是一种合金，并且由几个元素组成，(a)月牙洼扫描电镜图像 (b)月牙洼电子数据转换分析图B5 月牙洼区域的工件材料痕迹(a)切屑背面的扫描电镜图像 (b)WC颗粒的数据转换分析图B6 切屑背面的WC颗粒例如，碳、钨和钴。当扩散发生时，存在于刀具材料的不同元素的原子被引入到工件材料和流动切屑

16、中。一旦碳化钨硬质合金刀片黏合剂，硬质合金晶粒界面。钴的扩散可能导致WC粒子被刀具前刀面上流动的切屑拉出并且带走。明显地，在切屑的背面（图B6）14也发现了WC颗粒和钴原子。被高速流动的切屑拉出并去除的WC颗粒可能造成刀具硬度的减弱。随着铣削进展时间的推移，刀具硬度进一步减小并且导致磨损。因此，基于磨损机理的碳化钨颗粒的磨损变得非常容易。所以，热扩散可以导致刀具表面削弱以致于附着力（图B4a,b）磨损（图B4a,B5）可以更容易地引起刀具材料移动。另一方面，有可能的是钛粘附在刀具上并且在刀屑接触区没有相对滑动的发生。在图B4a和b的刀片磨损SEM图像看，可以在前刀面发现切屑材料的附着层。这表明

17、，切屑和刀具前刀面有一个紧密的粘附。切屑材料的附着层在月牙洼槽脊比表面光滑的月牙洼槽更多。一旦切屑材料与刀具前刀面建立了一个紧密的界面层，在这样条件下的持续很久的铣削将导致钛的化学反应性增加的刀具前刀面界面层的增厚。在某种情况下，这层附着材料被流动切屑的下面撕裂和转移。这必然导致颗粒从刀具拉出造成严重的月牙洼磨损。图B7 后面磨损和热裂纹（铣削21分钟后）图B7介绍了后刀面磨损，它主要是由物理磨损引起的，并可能导致渐进磨损和刀具间隙表面角度的损耗。图B7的另一个有趣特征是由于高度热负荷产生的切屑形成分段垂直于切削刃的热裂纹，刀齿的切入/切出和高速立铣Ti-6Al-4V合金的内在特征。从图B8的

18、扫描电镜图像可以看到，月牙洼磨损几乎充满了刀刃的后刀面，并且扩散到了刀刃的前沿。结果是，边缘缺洼的发生。这是由于切屑分割的性质，局部的剪切变形和切屑在前刀面15上的流动造成的。通过以上的讨论，钴粘合剂从刀具扩散进入切屑削弱了硬质合金的强度，并且在刀具前刀面形成月牙洼磨损。月牙洼磨损随着时间的推移变得越来越深，导致形成大的正前角和最终形成灾难性失败。后刀面磨损造成摩擦阻力增加。刀具磨损使工件的表面粗糙度与尺寸精度恶化。当刀具磨损严重时，甚至损坏机床。因此，监测和控制刀具的磨图B8前端洼地轮廓损对于得到想要的加工质量是至关重要的。B.3.2.2 切削力如上所述，随着刀齿的切入/切出切屑厚度随着旋转

19、的波动导致切削力的周期性变化。图B9介绍了在立铣过程中测量的（实验的）切削分力（，和）与一次立铣过程中一次回转的切削时间的关系。可以看出，在一次啮合中切削力有三个主要的区域。图B9 一个切削周期的切削力 图B10 第一个周期的切削力波形（锋利刀具）区域I被定义为立铣刀切入工件的开始时期。区域II被定义为稳定的切削状态。在区域III中，铣刀切出并且切削力最终降回零。在一次回转中，刀齿和工件的啮合时间约为7ms；而如图B10所示的一次回转周期大约等于47ms。因此，立铣回转中一个刀齿的啮合时间与回转周期比起来很短。此外，在图B9和B10中的啮合时间与回转周期都与方程10和7的分析值非常近似，这可以正确地验证切削力分析的准确性。图B10同样给出了一把锋利刀具的三个切削力与切削时间的关系。结果显示，在负y方向的切削力是三个分力中主导的，并且显示出比x和z其它两个方向力高一级。正x方向切削力的峰值比y方向的一半还小。原因可能由方程2分析得到，在方程2中，是切削系统中两个成分的总和，而由于的取值范围是从-1到0而成为切削力系统中两个成分之差。z方向的切削力看起来相像正弦波