基于刀具磨损和切屑形成对切削Ti6Al4V的切削力特性研究*

范依航 郑敏利 杨树财 程明明

(哈尔滨理工大学机械工业切屑控制及高效刀具技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150080)

钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而广泛应用于航空工业等领域，Ti6Al4V是目前广泛使用的钛合金。但由于其化学活泼性高、导热性差及弹性模量低，导致刀具磨损严重，极大地限制了它的切削加工性。研究表明，材料的力学性能与刀具磨损以及切削力具有相关性［1－2］。

切削力信号是对加工过程信息的敏感载体，切削力信号作为切削加工中的过程参量，它是包含了切削参数、刀具的状态、切屑形成、切削振动和机床系统等融合的一个信息体。切削力包括两部分:一是切削力的静态分量，也就是切削力的平均值，它是切削变形所必需的力;二是切削力的动态分量，它表现为围绕切削力的平均力上下波动［3］。

切削力静、动态分量与刀具磨损具有明显的相关性，Choudhury等人采用切削力比进行刀具磨损预测［4］。Remadna等人研究了CBN刀具加工回火钢时切削力方向与刀具磨损之间的关系，得出切削力随着切削路程及后刀面磨损的加大而逐渐增大［5］。樊宁进行了刀具磨损过程切削力频谱特性的研究，在某一特定切削过程中，存在一系列特征频率，这些特征频率及其功率谱与刀具状态密切相关［6－7］。切削力动态分量信号由不同频率的成分随机混合而组成，其随时间变化的轨迹都是分形曲线，可通过提取其分形维数对刀具磨损进行监控［8］。

钛合金加工的另一典型特征是产生锯齿形切屑，对锯齿屑的研究主要集中在其形成机理。Komanduri和Barry等人认为由剪切变形局部化引起的绝热剪切现象导致锯齿屑的产生［9－10］。而Shaw和Obikawa等人则通过周期性断裂理论来解释锯齿屑产生，即工件自由面首先产生裂纹，然后沿着剪切面向下延伸，直到刀尖处［11－12］。

目前对锯齿屑形成于切削力之间的关系研究较少。本文重点通过研究切削力的静动态特性，揭示切削力与切削速度、刀具材料、刀具磨损以及切屑形成的关系。

1 切削实验

工件材料为钛合金 Ti6Al4V(φ200 mm×400 mm)。

刀具材料:住友电工的涂层硬质合金刀具、无涂层硬质合金刀具三种刀具，以下分别简称Tool1、Tool2和Tool3，刀具牌号是SNMG120408N－UP。Tool1是碳氮化钛和氧化铝膜的叠层膜涂层，Tool2是氮化钛铝合金和氮化铝铬合金交互层积涂层，Tool3是无涂层硬质合金刀具。刀具主偏角 κγ为75°，前角 γ0为10°，后角 α为 7°。

机床是CAK6150Di车床，切削方式是干切。

切削参数:切削速度 v=40、60、80、100、120、140 m/min;进给量 f=0.1、0.15、0.2、0.24 mm/r;切削深度ap=1 mm。

测量方法:用Kistler9257B车削测力仪、电荷放大器结合数据采集卡对钛合金Ti6Al4V切削力进行测量，记录3个方向的切削力信号;采用CCD观测系统测量后刀面磨损以及使用金相显微镜观测切屑试样。

2 切削力静态特性分析

通过测力仪采集的三向切削力加工时域信号曲线见图1。从图中可以看出切削力围绕一个基准值上下波动，这个基准值是切削力的平均力，也就是切削力的静态分量。

2.1 三向切削力对比分析

切削力3个分量分别为沿着进给方向的轴向力Ff、沿着切深方向的力径向力Fp和沿着切线方向的主切削力力Fc。

图2给出了3种刀具在不同切削速度下的3个方向上切削力的对比分析。可以看出，Tool1、2、3切削钛合金时，在所有切削条件下，径向力Fp均大于其他两个方向的力。而一般情况是主切削力Fc大于其他两个方向的力。钛合金切削力的特殊性主要是由于钛合金的弹性模量较低，加工变形大，导致已加工表面产生回弹，所以径向力较大。

2.2 切削速度和刀具材料对切削力的影响

在所给速度范围内，v=40 m/min时，Tool1、3切削力最大;切削速度在40～60 m/min时，切削力显著减小;当切削速度在60～120 m/min时，切削力虽呈增大的趋势，但很缓慢。当切削速度在120～140 m/min时，主切削力和进给力均减小，但是径向力仍然继续增大。如图3所示的Ff－v、Fp－v和Fc－v关系曲线。

目前普遍采用Johson－Cook模型来描述金属变形过程，流变应力是应变、应变率及切削温度的函数，其关系由下式描述:

但与此同时，当钛合金的应变率大于103s－1时，钛合金的强度变大［13］，这就导致了在切削速度为60～120 m/min时，切削力的缓慢增大。

当切削速度在140 m/min时，径向力有所增大，这时主要是由刀具磨损加剧引起。因此，当切削速度增加时，切削力的变化趋势是由刀具磨损、材料本身的特性等多方面因素综合作用的结果。

在相同切削条件下，采用Tool2、Tool3切削时的切削力较小，尤其是进给力Fp。同时，在所选切削速度范围内，Tool2的切削力变化较小。这是因为Tool2中的TiAlN涂层化学稳定性好、抗氧化磨损能力强。另外，在TiAlN涂层中Al浓度较高时，切削时表面会生成很薄的非晶态Al2O3惰性保护膜，可减小与工件之间的摩擦，因而可更有效地用于高速切削［14］。

2.3 切削力静态分量与刀具磨损的关系

采用后刀面磨损宽度衡量刀具使用寿命，图4给出了Tool1在不同切削速度下，其切削力随着后刀面磨损VB的变化。随着刀具磨损值增加，切削力逐渐增大，尤其是径向力Fp。

试验数据表明，当VB＜0.27 mm，切削力增大曲线较平缓;当VB＞0.27 mm时，切削力增大曲线较陡峭。因此，VB=0.27 mm是一个拐点，对切削力模型有重大影响。将原有经典切削力模型简化为

在上述简化的切削力模型的基础上引入后刀面磨损VB因素，得到新的切削力模型为

由于实验中进给和切深是常量，因此本文建立了三向切削力与刀具后刀面磨损VB、切削速度v的简化数学模型为

式中:F为切削力，N;VB为后刀面磨损，mm;v为切削速度，m/min;K0、w、x分别为待定系数和指数。

将公式(4)两边取对数得到:

则切削力的对数与切削速度及磨损量的对数关系就变成线性关系，成为多元线性回归方程。根据实验数据拟合出基于刀具磨损和切削速度的三向切削力简化模型。

采用相关系数法对所建模型进行假设检验:若相关系数R的绝对值在0.8～1之间，可断定回归变量之间具有较强的线性相关性。通过计算得到:

进而有:

说明该模型具有很好的拟合度，它能很好地反映切削力与刀具磨损之间的关系。

3 切削力动态特性分析

图2中所示切削力信号上下波动的部分即是切削力的动态分量。由前面的切削力静态特性分析可知，钛合金切削时，径向分力最大，其对后刀面磨损也存在重要影响。因此，本文采集了三种刀具在不同切削速度下的切削力信号，并对径向切削力动态分量信号的分形行为进行研究。

3.1 切削力信号分形特征

分形维数是分形理论的基本量，它可以作为描述信号复杂度的一个指标。实用的分形维数测量计算方法很多，本文采用根据频谱求维数的方法:

式中:D为分形维数，β为功率谱指数。

根据式(8)，通过功率谱指数β可求得分形维数。

钛合金高效切削时切削力信号是一种时频域信号，其频谱分析是分析切削状态的重要方法。切削力信号的每一个微小变化都反映了切削状态的改变，对于一组切削力切削数据，可以通过分析其时域和频域特征来观察信号的特征。首先对原始切削力信号进行降噪处理，如图5所示。

通过对降噪后的信号进行频谱分析，得到切削力信号的功率谱图及其双对数坐标图，如图6所示，其中并没有明显的频率峰值，属于随机性很强的信号。信号功率谱在双对数图中采用最小二乘法将其近似拟合为一条直线，求得直线斜率并代入式(8)得到分形维数为1.800 9。功率谱法计算信号的分形维数具有较高的精度，可达到理想的效果，且计算过程简洁方便。

3.2 切削速度与刀具材料对分形维数的影响

图7所示为不同速度下不同刀具的切削力信号分形维数。随着切削速度的提高，分形维数并不单调地变化。在v=60 m/min时，分形维数最小，说明切削力动态分量信号的随机性较小，相关性较大，切削状态稳定。而在v=80 m/min时，分形维数最大，切削力波动大，切削状态最不稳定。当切削速度v＞80 m/min时，随着切削速度的提高分形维数显著减小。试验结果表明，切削速度对分形维数的影响显著。

由图7可以看出，在相同切削速度下3种刀具的切削力信号分形维数。Tool1在切削过程中，分形维数较小，说明其切削过程平稳。Tool3次之，Tool2的切削力波动较大，切削力动态分量信号的随机性大，切削过程平稳性差。

3.3 切削力分形维数与刀具磨损的关系

图8为切削过程中切削力动态分量信号的分形维数与刀具磨损状况随着切削时间的变化曲线。从图中可以看出，刀具的磨损量从小到大，直到磨损失效的过程中，分形维数基本上经历了一个由最初较大下降到较小，而后又逐渐上升的变化过程。这一变化与刀具磨损的初期磨损、正常磨损和剧烈磨损3个阶段正好相对应。在刀具磨损初期和最后剧烈磨损阶段，切削状态极不稳定，相应的切削力也受到影响，表现出了较高的复杂性。而在刀具正常磨损阶段，切削过程相对平稳，切削力信号的分形维数也较小。当切削时间为2.5 min时，刀具磨损值最小，同时切削力动态分量分形维数达到最小值。因此，可以利用切削力动态分量分形维数进行刀具切削状态监控。

3.4 锯齿屑形成对切削力动态特性的影响

将钛合金在切削过程中产生的切屑进行镶嵌、打磨、抛光，得到切屑试样，然后通过金相显微镜观测其微观形貌，如图9所示。图中L是齿间距，H是切屑厚度，h是齿高。

锯齿切屑的形成频率fc可由下面公式求出:

式中:vch为切屑沿前刀面流出的速度;L为两相邻锯齿最高点之间的距离。根据直角切削切屑材料体积不变原理知:

式中:v为切削速度;φ为剪切角;γ0为刀具前角。

图10、11分别给出了不同切削速度和进给下的锯齿屑生成频率fc和切削力频率fF。在切屑边缘形成的锯齿，不断冲击和滑擦刀具前刀面。锯齿屑的形成频率很高，这种高频率的冲击载荷会直接导致切削力的动态变化。在不同切削速度及不同进给量下，锯齿屑生成频率与切削力频率的关系如图12所示，二者具有很好的线性相关性，锯齿屑可以作为高频变化的切削力动态分量的表征。

因此，切削力动态分量频率(fF)可以表达为:

式中:m为常数。由式(1)可见切削力频率与切削速度v成正比，与进给f成反比。进而可以得出，在钛合金切削过程中，选取适当的进给量和切削速度可以降低由于锯齿屑产生引起的切削力振动。

4 结语

采用硬质合金涂层和无涂层刀具对钛合金Ti6Al4V进行了外圆干车削试验，研究高效车削钛合金时切削力静动态特性。结果表明:

(1)钛合金切削过程中，切削力的静态分量中径向力Fp较大。这主要是由于钛合金的弹性模量较低，加工变形大，导致已加工表面产生回弹。

(2)切削力静态分量随切削速度的变化并不单调。当切削速度的提高时，切削力的变化趋势是由刀具磨损、材料本身的特性等多方面因素综合作用的结果。切削力动态分量分形维数可用于刀具状态监控。

(3)在相同切削条件下，刀具材料对切削力静动态特性有显著影响。综合考虑切削力静动态特性，无涂层硬质合金刀具更适合于切削钛合金。

(4)锯齿形切屑的产生与切削力的高频变化有直接的关系，锯齿生成频率可以作为切削力动态分量频率的一个表征，选取适当的切削参数可以降低由于锯齿屑产生引起的切削力振动。

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