【正文】 附錄B 漢語翻譯高速端銑Ti6Al4V合金的刀具磨損和切削力變化S. Zhang amp。 J. F. Li amp。 J. Sun amp。 F. Jiang摘要：Ti6Al4V合金在許多行業(yè)中是一種很有吸引力的材料，這是因?yàn)樗哂歇?dú)特并且優(yōu)秀的強(qiáng)度質(zhì)量比與耐腐蝕性的結(jié)合。然而，由于其較低的導(dǎo)熱性和較高的化學(xué)反應(yīng)活潑性，Ti6Al4V合金通常被作為一種難加工材料，這可表現(xiàn)為低生產(chǎn)率和快速的刀具磨損率，即使是在常規(guī)的切削速度下。眾所周知，刀具磨損與切削力有很大的關(guān)系，一個(gè)關(guān)于切削力變化和刀具磨損關(guān)系的健全知識(shí)管理對(duì)于鑒別和優(yōu)化自動(dòng)化制造過程是至關(guān)重要的。在目前的研究中，干切削條件下用未涂層硬質(zhì)合金刀具加工Ti6Al4V合金的高速立銑正處于試驗(yàn)研究階段。這個(gè)工作的主要目的是分析高速立銑Ti6Al4V合金過程中的刀具磨損和切削力變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在用未涂層硬質(zhì)合金刀具高速立銑Ti6Al4V合金中的主要刀具磨損機(jī)理是在月牙洼處的磨損與擴(kuò)散和后刀面的磨損。負(fù)y方向的切削力在三個(gè)分力中是最重要的，并且比其它兩個(gè)分力x和z方向表現(xiàn)的更顯著?？勺鳛樽詣?dòng)化制造中刀具磨損指標(biāo)的的變化與刀具的磨損增長是正相關(guān)的。關(guān)鍵詞：Ti6Al4V合金；刀具磨損；切削力變化；高速立銑術(shù)語： 徑向切削深度（mm） 軸向切削深度（mm） 每齒進(jìn)給量（mm/tooth）， x,y和z方向的切削力（N）， 軸向，徑向和切向的切削力（N）L 一次操作的切削長度（mm） 當(dāng)切削工件時(shí)，立銑軸線與工件的距離（mm） 當(dāng)結(jié)束切削工件時(shí)，立銑軸線與工件的距離（mm）n 主軸轉(zhuǎn)速（r/min）r 立銑刀半徑（mm）t 一次切削操作的切削時(shí)間（s） 立銑回轉(zhuǎn)周期（ms） 一次回轉(zhuǎn)中刀齒與工件嚙合時(shí)間（ms） 切削速度（m/min）w 工件寬度（mm）希臘符號(hào)： 嚙合角（degree） 順時(shí)針測量的立銑刀相對(duì)于負(fù)y方向的瞬時(shí)角（degree） 刀具切入角（degree） 刀具切出角（degree） 引言在過去幾十年，鈦及鈦合金經(jīng)歷著廣闊的發(fā)展，這是因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的性能，例如，在一定溫度下保持的高的強(qiáng)度質(zhì)量比、高的抗斷裂性能和在低于500176。C下查出的耐腐蝕性[1]。因此，鈦及鈦合金廣泛應(yīng)用于很多行業(yè)[2]。商業(yè)鈦合金根據(jù)它們的平衡機(jī)制適宜地分為α相,(α+β)相和β相合金三類，它是根據(jù)不同的種類和濃度的合金元素劃分的[3]。Ti6Al4V是(α+β)相鈦合金的一種，這種鈦合金通常應(yīng)用于航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車和石油行業(yè)[4]。然而，值得注意的是，其導(dǎo)熱系數(shù)低和高的熱容量可能在切削過程中引起散熱方面的困難，結(jié)果導(dǎo)致高的切削溫度集中在與刀刃毗鄰的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)，這里的溫度可高達(dá)1000176。C[6]。另一個(gè)鈦合金的顯著特征是非常高的化學(xué)反應(yīng)活性[7]。結(jié)果是，刀具磨損的進(jìn)展迅速[8]和降低刀具壽命和惡化加工質(zhì)量。切削過程中的刀具磨損可定義為由于刀具和工件之間的相互作用使得刀具材料在接觸表面上的體積損失量。在切削過程中，在高溫和高接觸應(yīng)力相互作用的刀屑界面，鈦合金切屑通過一個(gè)界面層與刀具的前刀面和后刀面[9, 10]保持著非常緊密的接觸。因此，切削鈦合金的刀具磨損是由于在刀屑界面刀具材料粘附和擴(kuò)散進(jìn)入流動(dòng)的切屑。刀具磨損導(dǎo)致機(jī)床的振動(dòng)和工件表面粗糙度與尺寸精度的變化，甚至引起刀具損壞和機(jī)床損壞，以及當(dāng)?shù)毒邍?yán)重磨損時(shí)機(jī)床的停機(jī)。自動(dòng)化加工操作在最近幾十年不斷進(jìn)步，無人操作的機(jī)床正在被廣泛地引入到許多機(jī)械車間。因此，在線監(jiān)測切削條件和刀具磨損是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它將實(shí)現(xiàn)高效率和自動(dòng)化的加工過程。各種刀具磨損檢測技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)來提高自動(dòng)化制造系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在線刀具磨損檢測方法中，切削力的信號(hào)是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中最常用的作為刀具磨損預(yù)測的指標(biāo)，因?yàn)榍邢髁εc刀具磨損增長有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，并且切削力的測量是非常簡單和直觀的[11, 12]。探索切削力變化與刀具磨損增長之間的關(guān)系對(duì)于開發(fā)一種有效的刀具狀態(tài)監(jiān)控策略[13]是非常重要的。由于計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床(CNC)和高性能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，高速加工展示了相對(duì)于傳統(tǒng)加工技術(shù)的一些超級(jí)優(yōu)勢，例如，提高生產(chǎn)率，優(yōu)質(zhì)的表面無毛刺邊緣，幾乎無壓力的組成部分等[2]。市場對(duì)于高加工效率需求的不斷增長已經(jīng)形成一個(gè)更可靠的加工過程監(jiān)控條件。然而，很少有關(guān)于高速干切削Ti6Al4V合金過程中切削力變化與刀具磨損關(guān)系的研究。因此，這個(gè)工作的主要目的是用實(shí)驗(yàn)研究在干切削條件下采用未涂層硬質(zhì)合金刀片高速立銑Ti6Al4V合金過程中刀具的磨損和切削力的變化。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論刀具磨損、切削力、切削力變化與刀具磨損增長之間的關(guān)系。圖B1 順銑立銑過程的圖像 切削力分析一個(gè)立銑過程是一個(gè)多點(diǎn)的、中斷的切削過程，在這一過程中，刀刃與工件的接觸不是連續(xù)的，并且未切的切屑厚度隨主軸旋轉(zhuǎn)（即切削時(shí)間）的變化而變化。如圖B1，在銑削過程中，刀具沿著工件進(jìn)給方向旋轉(zhuǎn)，在一個(gè)回轉(zhuǎn)過程中，切屑厚度從最大值到零開始減小。最大的切削厚度發(fā)生在靠近切齒與工件接觸點(diǎn)處。因此，切屑厚度波動(dòng)引起作用于刀齒和刀刃的出入切削力作周期性變化。在材料去除的過程中，刀齒不得不承受瞬時(shí)切向力，瞬時(shí)徑向力和瞬時(shí)軸向力（刀具系統(tǒng)）。當(dāng)處于刀屑界面的局部切向力，徑向力和軸向力確定后，作用于立銑笛卡爾坐標(biāo)系的三個(gè)分力，和可以用以下的變換表示： （1）這里 （2）順銑立銑操作的刀齒切入角，沿著負(fù)y方向，應(yīng)該是 （3）刀齒以一個(gè)大概的切出角切出，并且切出點(diǎn)的切削厚度是零。應(yīng)該指出的是，僅當(dāng)切削齒與工件銜接時(shí)的三個(gè)分力，和存在，否則三個(gè)分力都是零。然后方程1可以修正如下： 當(dāng) （4）如圖B2所示，在順銑過程中，當(dāng)銑刀的中心到工件邊緣垂直于進(jìn)給方向的距離達(dá)到時(shí)，立銑刀開始切削，這個(gè)距離是： （5）當(dāng)銑刀中心與工件其它邊緣垂直于進(jìn)給方向的距離等于時(shí)停止銑削。當(dāng)工件的寬度（w=100mm），立銑刀半徑（r=），并且徑向切削深度（=5mm），圖B2 切削長度示意圖切削長度（L）在一個(gè)方向是： （6）當(dāng)使用的主軸轉(zhuǎn)速n=1274r/min，立銑回轉(zhuǎn)周期（）和一次切削操作的切削時(shí)間（t）分別是： （7）和 （8），它近似等于1min。根據(jù)圖1，一次回轉(zhuǎn)的嚙合角可表示如下： （9）聯(lián)立公式7和9，一次回轉(zhuǎn)中刀齒與工件的嚙合時(shí)間是： （10）對(duì)于有一個(gè)鑲件的立銑來說，；與此同時(shí)。那就是說，銑刀與工件的嚙合時(shí)間是立銑回轉(zhuǎn)周期的1/7。因此，由于切屑厚度變化引起的切削力周期性波動(dòng)和刀齒的周期性切入切出是銑削過程中的一個(gè)基本特點(diǎn)。 結(jié)果與討論 高速銑削試驗(yàn) 試驗(yàn)裝置圖B3 實(shí)驗(yàn)裝置退火處理的(α+β)相鈦合金Ti6Al4V被挑選為工件材料，其化學(xué)成分和材料力學(xué)性能如表B1和B2所示。實(shí)驗(yàn)工作的工件材料被準(zhǔn)備為mm的矩形塊。在塊體內(nèi)鉆了4個(gè)孔來用螺釘固定住KISTLER測力計(jì)。在開始立銑實(shí)驗(yàn)前，塊體要被面銑來去除任何表面缺陷。表B1 Ti6Al4V合金的化學(xué)成分（重量百分含量）表B2 室溫下Ti6Al4V合金的機(jī)械性能用于立銑實(shí)驗(yàn)的切削刀具是一把直徑為25mm的立銑刀。立銑刀裝備有兩個(gè)微顆粒直硬質(zhì)合金刀片（H25等級(jí)）?？墒?，在這個(gè)研究中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)嵌件安裝在刀具上來避免工具提示跳動(dòng)對(duì)刀具磨損分析的影響。嵌件和刀具體的幾何組合形成的前角，軸向前角和徑向前角。所有的立銑試驗(yàn)都是在一個(gè)CNC上測試的。式樣被安裝在如圖B3所示固定于機(jī)床工作臺(tái)的KISTLER測力計(jì)的頂部。 試驗(yàn)過程在順銑過程中進(jìn)行的切削試驗(yàn)中，切削速度=100m/min（主軸轉(zhuǎn)速n=1274r/min），進(jìn)給量=，軸向切削深度=，徑向切削深度=5mm。工件的進(jìn)給方向是沿著如圖3所示的負(fù)x軸方向，并且工件在進(jìn)給方向上的長度是100mm（工件的寬度也如此）。沒有任何切削液的干切削用做銑削試驗(yàn)。一個(gè)測力計(jì)（Kistler 9257A型號(hào)）主要由用高預(yù)緊力安裝在地板與頂板之間的三個(gè)測力傳感器組成。每個(gè)傳感器包含三對(duì)石英板，一個(gè)對(duì)壓力敏感的在z方向，另外兩個(gè)對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力的各自在x方向和y方向。三個(gè)同軸電纜與電荷放大器（Kistler 5007型號(hào)）連接，電荷放大器由力臺(tái)測力，然后輸出電壓信號(hào)，送入一個(gè)高分辨率高頻的A/D數(shù)據(jù)采集板（CRAS AZ802型號(hào) ），并且信號(hào)被記錄在一個(gè)24KHZ的取樣頻率中。在高速立銑試驗(yàn)中，x，y，z方向的瞬時(shí)切削力，和被CRAS數(shù)據(jù)采集/分析軟件記錄下來。根據(jù)方程6，每一個(gè)孔的切割長度大概是120mm。然后高速立銑實(shí)驗(yàn)被三個(gè)測量和研究刀具磨損演變的切割定則區(qū)間（大概3mm）打斷。切削刃處的刀具磨損被應(yīng)用了x射線能量分布分析儀的掃描電子顯微鏡進(jìn)行評(píng)價(jià)。需要補(bǔ)充的是，收集于高速立銑實(shí)驗(yàn)的切屑也是用相同的SEM/EDS系統(tǒng)分析的。 結(jié)果與討論 刀具磨損銑削操作是一個(gè)典型的間歇切割過程，在這一過程中，切削刃的切削力和熱會(huì)隨著刀齒的切入與切出經(jīng)歷波動(dòng)。Ti6Al4V合金的低熱傳導(dǎo)率引起接近刀刃處的刀屑接觸區(qū)高的切削溫度。更重要的是Ti6Al4V合金在高溫情況下與大多刀具材料有較高的化學(xué)反應(yīng)性。此外，在高溫和高接觸應(yīng)力下，鈦合金切屑通過一個(gè)界面層在刀具前刀面和后刀面[9, 10]處與刀具保持很密切的接觸。所以，由于刀屑接觸區(qū)的高溫和高接觸應(yīng)力使得切削鈦合金的刀具磨損非常劇烈。硬質(zhì)合金刀具的典型磨損是月牙洼，它是在刀具前刀面處形成的，與切削刃距離較短。高速立銑Ti6Al4V合金過程的這種磨損如圖B4a，b所示。值得注意的是，所有月牙洼磨損是從高切削刃[5]很小距離處開始的。窄月牙洼寬度可能是由于切削鈦合金固有的較短的刀屑接觸長度和高的切削溫度集中在一個(gè)毗鄰切削刃的狹窄區(qū)域造成的。(a)銑削三分鐘后 (b)銑削12分鐘后圖B4 前刀面月牙洼磨損掃描電鏡圖像在高速端面銑Ti6Al4V合金過程中，某種程度上，刀屑接觸區(qū)的局部高溫和刀具與工件材料之間的化學(xué)成分濃度梯度同時(shí)支持刀屑接觸區(qū)兩種類型的擴(kuò)散，如下，刀具成分?jǐn)U散進(jìn)入工件和工件材料成分?jǐn)U散進(jìn)入刀具。因此，如圖B5所示在月牙洼處EDS顯微分析發(fā)現(xiàn)了微量的工件材料（鈦和鋁），此圖進(jìn)一步表明工件內(nèi)部成分?jǐn)U散到了刀具材料，并且留在了刀具的前刀面上。硬質(zhì)合金通常是一種合金，并且由幾個(gè)元素組成，(a)月牙洼掃描電鏡圖像 (b)月牙洼電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析圖B5 月牙洼區(qū)域的工件材料痕跡(a)切屑背面的掃描電鏡圖像 (b)WC顆粒的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析圖B6 切屑背面的WC顆粒例如，碳、鎢和鈷。當(dāng)擴(kuò)散發(fā)生時(shí)，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動(dòng)切屑中。一旦碳化鎢硬質(zhì)合金刀片黏合劑，硬質(zhì)合金晶粒界面。鈷的擴(kuò)散可能導(dǎo)致WC粒子被刀具前刀面上流動(dòng)的切屑拉出并且?guī)ё?。明顯地，在切屑的背面（圖B6）[14]也發(fā)現(xiàn)了WC顆粒和鈷原子。被高速流動(dòng)的切屑拉出并去除的WC顆粒可能造成刀具硬度的減弱。隨著銑削進(jìn)展時(shí)間的推移，刀具硬度進(jìn)一步減小并且導(dǎo)致磨損。因此，基于磨損機(jī)理的碳化鎢顆粒的磨損變得非常容易。所以，熱擴(kuò)散可以導(dǎo)致刀具表面削弱以致于附著力（圖B4a,b）磨損（圖B4a,B5）可以更容易地引起刀具材料移動(dòng)。另一方面，有可能的是鈦粘附在刀具上并且在刀屑接觸區(qū)沒有相對(duì)滑動(dòng)的發(fā)生。在圖B4a和b的刀片磨損SEM圖像看，可以在前刀面發(fā)現(xiàn)切屑材料的附著層。這表明，切屑和刀具前刀面有一個(gè)緊密的粘附。切屑材料的附著層在月牙洼槽脊比表面光滑的月牙洼槽更多。一旦切屑材料與刀具前刀面建立了一個(gè)緊密的界面層，在這樣條件下的持續(xù)很久的銑削將導(dǎo)致鈦的化學(xué)反應(yīng)性增加的刀具前刀面界面層的增厚。在某種情況下，這層附著材料被流動(dòng)切屑的下面撕裂和轉(zhuǎn)移。這必然導(dǎo)致顆粒從刀具拉出造成嚴(yán)重的月牙洼磨損。圖B7 后面磨損和熱裂紋（銑削21分鐘后）圖B7介紹了后刀面磨損，它主要是由物理磨損引起的，并可能導(dǎo)致漸進(jìn)磨損和刀具間隙表面角度的損耗。圖B7的另一個(gè)有趣特征是由于高度熱負(fù)荷產(chǎn)生的切屑形成分段垂直于切削刃的熱裂紋，刀齒的切入/切出和高速立銑Ti6Al4V合金的內(nèi)在特征。從圖B8的掃描電鏡圖像可以看到，月牙洼磨損幾乎充滿了刀刃的后刀面，并且擴(kuò)散到了刀刃的前沿。結(jié)果是，邊緣缺洼的發(fā)生。這是由于切屑分割的性質(zhì)，局部的剪切變形和切屑在前刀面[15]上的流動(dòng)造成的。通過以上的討論，鈷粘合劑從刀具擴(kuò)散進(jìn)入切屑削弱了硬質(zhì)合金的強(qiáng)度，并且在刀具前刀面形成月牙洼磨損。月牙洼磨損隨著時(shí)間的推移變得越來越深，導(dǎo)致形成大的正前