氮气介质下钛合金铣削特性的分析研究

科技发展的今天，环保越来越受到人们的重视，基于技术、经济、生态三方面的平衡发展，绿色制造已经是当今谈论的主题。在机械制造领域，切削液是最大的污染源，特别是在航空工业中，为了提高航空零部件的加工质量，经常使用大量切削液。为了实现绿色制造，人们往往将目光投向干切削，但是干切削条件下零部件的机械性能、加工效率以及刀具寿命会受到很大的影响。在此提出用氮气为切削介质的绿色加工技术，并对该技术进行了探索研究。本文主要比较分析了干切削和以氮气为介质的两种切削条件下，铣削钛合金时的后刀面磨损以及铣削力的情况。

1 钛合金的材料特性

由于钛合金具有比强度高、热强度好、耐蚀性高、资源丰富等一系列优点，因此在航空、航天等工业部门中的应用越来越广泛，用于制作航空发动机中的主要构件，在飞行器结构中，用于制造翼梁、隔框和接头等重要构件。基于钛合金广泛的应用，主要优点如下：

·比强度高：钛合金的密度只有4.5g/cm3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。
·热强度好：钛合金熔点为1660℃，比铁高，具有较高的热强度，可在550℃以下工作，同时在低温下显示出较好的韧性。
·抗蚀性好：在550℃以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、软介质均有较高的抗蚀能力。

另一方面钛合金的切削加工性比较差。主要原因如下：

·导热性差，致使切削温度很高，降低了对刀具的耐用度。
600℃以上温度时，表面形成氧化硬层，刀具有强烈的磨损作用。
·塑性低，硬度高，使剪切角度增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上的应力很大，刀刃易发生破损。
·弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹性大，所以加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。
·钛合金切削过程中的这些特点使其加工变得十分困难，导致加工效率低，刀具消耗大。

2 刀具材料的选择

钛合金的铣削比车削困难，主要的问题是切削刃区容易与钛发生粘接，刀齿易崩刃，刀具耐用度低。铣刀切削刃区域粘接的钛合金量与切削的厚度成正比，当刀齿再次切入工件表面时，粘接的钛合金剥落，从而使刀具出现磨损区。随着粘结量的增大，磨损区也增大；严重时，甚至会使切削刃崩落，损坏铣刀。铣削钛合金的立铣刀、圆柱铣刀、三面刃铣刀等一般用高速钢制成，成形铣刀更是如此。常用的刀具材料为：HSS-Co， 其主要成分为W2Mo9Cr4VCo8；HSS-Al， 其主要成分为W6Mo5Cr4V2Al：以及Carbide，其主要成分分别为YG8，YG10H，Y300等。

3 试验方案

以钛合金材料TC4(Ti-6Al-4V)为主要研究对象，试验方案如下：

·通过正交试验，比较在干切削条件和以氮气为介质的切削条件下铣削力的变化情况。铣削方式选择为顺铣。具体切削参数及参数值如表1所示。
 

表1 铣削力的正交切削试验参数

·在干切削条件下和以氮气为介质的切削条件下，分析铣刀后刀面的磨损情况，以后刀面的磨损量0. 2mm 为判断标准。参数取值如表2所示。

表2 磨损试验参数

以上试验用机床为Mikron UCP 710五坐标加工中心。铣削力利用Kistler三向测力仪测量，铣刀后刀面磨损量在显微镜下进行观测测量。