不同冷卻潤滑條件Ti6Al4V高速加工機理

1、不同冷卻潤滑條件Ti6Al4V高速加工機理鈦合金在航空航天領域有著廣泛的應用,被譽為一種使人類走向空間時代的戰(zhàn)略金屬材料。然而,由于具有導熱系數(shù)低、高溫化學活性高和彈性模量小特點,鈦合金又是一種典型的難加工材料。在切削過程中,容易產(chǎn)生很高的切削溫度,導致刀具磨損加快、表面質量難以控制,而低的切削速度導致加工效率難以提高。同時,由于航空鈦合金零部件的整體結構件設計特點,大量的材料需要從整塊坯料中去除,造成較高的切削成本。因此,低下的加工能力和加工質量與不斷增長的加工需求已構成矛盾,成為制約航空航天制造業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。針對航空鈦合金Ti6A14V的高速銑削加工,本課題從不同冷卻潤滑條件下硬質合金

2、刀具的磨損機理出發(fā),將溫度和鋸齒狀切屑作為刀具磨損的重要影響因素,建立了鋸齒-連續(xù)切屑轉變圖譜,為工藝參數(shù)的選擇提供了理論基礎:建立了Ti6A14V的本構、失效材料模型和摩擦傳熱模型,借助有限元方法預測了加工區(qū)域的溫度分布,為切削溫度的控制提供了理論基礎。最后進行了不同冷卻潤滑條件下的刀具耐用度實驗,以一定金屬去除率下的刀具耐用度最大為優(yōu)化目標,對銑削工藝參數(shù)進行了優(yōu)化,為實際工程應用提供了工藝支持。鈦合金切削加工容易引起刀具快速磨損,嚴重影響加工效率和加工成本。借助SEM觀察和能譜分析等手段,對不同冷卻潤滑條件下鈦合金銑削加工刀具的磨損機理進行了研究。鈦合金銑削加工刀具磨損和失效是在多種機理

3、下共同作用的結果,主要表現(xiàn)為粘結磨損、氧化磨損、磨粒磨損、擴散磨損、刀具材料剝落、刀具塑性變形等形式。其中Ti6A14V粘結物與刀具材料在高溫高壓下的擴散作用加劇了粘結磨損;Ti6A14V粘結物氧化得到的高硬度氧化物為磨粒磨損提供硬質點;刀具表面熱裂紋和機械裂紋的擴展造成刀具表面的材料剝落:隨著刀具刃口部位的磨損和刀具材料的氧化變質,刀具發(fā)生塑性變形。除此之外,鈦合金加工中的鋸齒狀切屑導致切削力的高頻波動,從而使刀具表面粘結層周期性開裂、剝落,刀具表面材料不斷被粘結層帶走;同時切削力的高頻波動造成刀具刃口部位應力的高頻波動,從而加速了刀具表面裂紋的擴展,造成刀具表面嚴重的貝殼狀剝落。切削液的施

4、加對刀具表面產(chǎn)生沖刷作用,使得粘結層周期性開裂剝落的頻率增加,粘結磨損加劇:同時切削液的施加使得鈦合金切屑的鋸齒化程度增加,進一步加速了粘結層和刀具的疲勞。因此降低Ti6A14V加工用刀具磨損需要從三個方面著手:控制鋸齒狀切屑的產(chǎn)生;控制切削溫度和選擇合理的冷卻潤滑方法。鈦合金加工鋸齒狀切屑的產(chǎn)生機理主要包括絕熱剪切和周期性斷裂,綜合了上述兩個機理,提出了基于裂紋動態(tài)變化的鋸齒狀切屑產(chǎn)生機理,認為鋸齒狀切屑的產(chǎn)生從工件表面的裂紋萌生開始,剪切區(qū)滑移加劇,造成溫度升高和失效應變增大,最終裂紋不再擴展,鋸齒狀切屑最終形成,同時已形成鋸齒狀切屑下方一個新的鋸齒狀切屑開始形成。切屑的鋸齒化程度受切削速

5、度、進給量及冷卻潤滑方式等因素的影響,通過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn),在實驗速度范圍內(nèi)(20120 m/min),50100m/min速度范圍內(nèi)不容易產(chǎn)生鋸齒狀切屑,而過低和過高的切削速度都會導致切屑鋸齒化程度的加劇。同時切削液條件下,切屑的鋸齒化程度比干切削條件下明顯增加。另外刀具前角對切屑的鋸齒化程度也有較大影響,前角越小,切屑的鋸齒化程度越大。建立了干濕兩種切削條件下0、5、10三種刀具前角Ti6A14V連續(xù)-鋸齒狀切屑的轉變圖譜,為加工工藝參數(shù)的優(yōu)選提供了理論基礎。選擇了兩種冷卻潤滑方法用于Ti6A14V的加工中:切削液和最小微量潤滑(MQL),其中MQL利用冷風作為載體,冷風溫度和出油量可調(diào)

6、,相應的干切削實驗作為對比研究。利用正交銑削實驗和熱交換實驗,建立了不同冷卻潤滑條件下的摩擦模型和傳熱模型,并對MQL噴嘴的布置方式和出油量進行了優(yōu)化。利用霍普金森壓桿實驗得到的Ti6A14V高應變率和高溫條件下的應力-應變關系,建立了基于Power-Law方程的材料本構關系模型,分析了Ti6A14V應變強化、應變率強化和溫度軟化對流動應力的影響。利用扭轉、拉伸、壓縮等基本力學實驗得到的材料失效應變,分析了Ti6A14V材料失效應變與應力三軸度和溫度的關系,建立了考慮應力三軸度、溫度、Rebinder效應的材料失效模型,并利用直角車削實驗對模型的參數(shù)進行了求解。使用切削有限元仿真軟件Advan

7、tEdge,結合建立的材料模型、摩擦傳熱模型,建立正交切削有限元模型,仿真了Ti6A14V鋸齒狀切屑的形成過程,提取了切削溫度、切削力與相應的正交車削實驗進行了對比,驗證了有限元模型的正確性。對銑削過程進行了合理的二維簡化,并對銑刀片的刃口微觀結構進行了建模。結合不同冷卻潤滑條件下的材料模型、摩擦模型和傳熱模型,對不同冷卻潤滑條件下的銑削過程進行了動態(tài)物理仿真。仿真切削力與實驗結果進行了對比,進一步證明了有限元仿真的準確性。對不同冷卻潤滑條件下的切屑形貌、切削力、刀具最高溫度變化、刀具熱應力進行了分析,發(fā)現(xiàn)MQL方式下和切削液方式下刀具表面最高溫度的降低程度相仿,但是切削液條件下切屑的鋸齒化程

8、度明顯增加,切削力波動變大;同時刀具在空行程中被快速冷卻,刀具的溫度梯度大,熱應力高,對刀具壽命會有負面影響,因此MQL方式是切削液方式的有效替代。選擇合理的銑削加工工藝參數(shù),對干切削和MQL切削兩種不同冷卻潤滑方式下的刀具磨損過程進行分析,以ISO通用的磨鈍標準為基礎得到不同工藝參數(shù)、不同冷卻潤滑條件下刀具的耐用度。使用指數(shù)和二次項兩種刀具耐用度模型分別分析加工工藝參數(shù)對刀具耐用度的影響,并建立刀具耐用度的預測模型。針對鈦合金銑削加工存在的高成本、低效率問題,以一定金屬去除率下刀具耐用度最大為優(yōu)化目標,提出一種優(yōu)化方法,得到了不同金屬去除率下的最優(yōu)銑削加工工藝參數(shù),為企業(yè)工藝技術人員制定工藝

9、方案提供決策支持。研究了刀具磨損對加工表面粗糙度的影響,發(fā)現(xiàn)在開始階段刀具磨損對表面粗糙度的影響不大,但當?shù)毒吣p量達到一定值時,已加工表面的粗糙度值急劇增加,加工表面質量迅速惡化。研究了刀具磨損對切屑形貌的影響,發(fā)現(xiàn)切屑鋸齒化程度隨刀具磨損行程增加而加劇,隨刀具磨損行程增加,切屑變形增加,出現(xiàn)扭曲甚至破碎現(xiàn)象。研究了刀具磨損對切削力的影響,發(fā)現(xiàn)隨著刀具磨損,刀具的實際前角變小,進給方向的切削力持續(xù)增大,而垂直于進給方向切削力的方向發(fā)生變化,軸向切削力變化不大。同主題文章1.孫有社,尤倫超. 國內(nèi)外刀具材料的發(fā)展及應用前景 J. 機械工程師. 2002.(03)2.艾興. 刀具材料的現(xiàn)狀和發(fā)展動向 J. 中國機械工程. 1989.(04)3.于啟勛. 刀具材料的回顧與展望(下) J. 機械工藝師. 1999.(12)4.許立太,郭艷霞. 新型刀具材料的應用 J. 甘肅科技. 2000.(04)5.于啟勛,朱正芳. 刀具材料的歷史、進展與展望 J. 機械工程學報. 2003.(12)6.陳建東. 刀具材料的發(fā)展及在機械加工中的應用 J. 石河子科技. 2004.(05)7.于啟勛. 刀具材料的回顧與展望(上) J. 機械工藝師. 1999.(11)8.曹式忠. 刀具材料物理機械性能的模糊聚類分析 J. 天津紡織工學院學報. 1997.(05)9.刀具材料發(fā)展簡史