钛合金切削过程刀具振动特性研究
2023-12-15
来源:易榕旅网
201 8年第8期 Techn0I。gy and Test Z艺与检测 钛合金切削过程刀具振动特性研究水 颜世晶 徐碧聪 辛 奇 李金泉 (沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳l 10159) 摘要:对工业纯钛TA2和钛合金TC4进行车削试验并对刀具进行振动测试,应用MATLAB软件对测量 值进行振动频谱图绘制和分析。研究结果表明:对于两种实验材料。随着切削速度的增加。振动加 速度均先增大后减小。实际加工时。应避开产生最大振动的切削速度,在相同的切削速度下,切削 TC4时的振动加速度变化幅度比TA2大。说明刀具振动幅度与材料属性有关,强度越大,热导率越 低。越容易产生锯齿形切屑,刀具振动也越大。研究成果可为选择切合适的削参数和选择适当的切 削材料提供参考依据。 关键词:高速切削:刀具振动加速度;振动频谱图 中图分类号:THI62+.1 文献标识码:A DoI:10.19287/j.cnki.1005-2402.2018.08.024 Research on tool vibration characteristics of titanium alloy during the cutting process YAN SIifjing,XU Bicong,XIN Qi,LI Jinquan ( t’hool of Mechani(’al Engineering,Shenyang Ligong UIifversity,Shenyang 110159.CIIN) Abstract:The turning test is carried fi)r the commercial pure titanium TA2 and tilanium alloy TC4.A l’nleaStlI’ing all<t collecting the vii)ration acceleration of’the tool during turning.the vibl’alion st)eiqrtnn diagl‘anl is drawn and analyzed by MATLAB.From the view of fi'equeney donlain.it is fi)tuuI that tht、vibration a‘。一 celeration of hoth materials first increases and then decreases with tile increase of eutl log speed ll‘tht two kin(Is of experimental materials.The euttinIg speed causing the maxi nLInl vibration a ‘’t leration shouhl be avoided in cutting process.The FC4 change range t)f tool vil)ration ac(‘cleration is lal’ r Iban that of TA2 at the same cutting condition under the sanle cutting condition.whir·h sllOW tlla[tht, vibration amplitude of tool relates to material properties.The greatel’the strength.tile low(、I-tI1l thel‘ealr conductivity.the nlore prone to sawtooth chip.the bigger the tool vibt‘ation.rrl1e l’ I n(’e})asis(‘all})t provided for selecting correct cutting parameters and materialS with the rc,sea!’【‘h resuhs. Keywords:high speed cutting;tool vibration acceleration;vibration spectrum 在切削加一T 过程中,振动会使T件和刀具的位置 金、钛合金等多数金属会形成绝热剪切带均匀问隔的 锯齿形切屑 ,锯齿形切屑的形成能够使断屑更加 发生 ̄Hx,jfl,'j改变,而且随着切削条件的改变,镍及合 f2]肖善华,袁永富.nr轮在MasterCAM软件中的轨迹设置与 VERICUT优化加] [J].机床与液压.2014,42(10):59-71. [3]盖立武,朱学超.MaslerCAM在数控加 中的应用研究[J].机械设 汁与研究,2007(I 1):145一I47. 制造业h动化,2015,37(31:29. f 7]张德海.三维数 }:化谴 ‘j逆向I 社,2016:207. MIl北5 :』匕j‘f 1.、Ik 版 第一作者:翁剑成,男.1978生,硕士,讲师,研究 方向为逆向工程 [4]张剑.整体叶轮五轴数控铣削技术研究[D].长沙:湖南大学, 2012:1-3. (编辑孙德茂) [5]康敏.徐家文.刚 坐标测量机检测整体叶轮叶片型面误差[J]. r具技术.2002.36(8):55—57. (收确【1期:2()l8-03-20) [6]惠相糟,马宁峰.基于Master'CAM的整体叶轮加T技术研究[J]. 文章编号:180836 如果您想发表对本文的看法。请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 }II4宋fI然科 :壤金(51775357) 刹皂般 占 工艺与检测TeChnol0gy and Tesf 容易,但由于切屑锯齿化而产生的切削力波动也会加 剧刀具系统振动,使工件已加工表面质量恶化,同时还 会加剧刀具的磨损 ]。因此,对切削振动的研究是 很有必要的。 2O1 8年第8期 小波降噪、过滤掉低频信息等预处理后的数据导入MAT- LAB软件中.经过傅里叶公式计算和程序编写,取振动加 速度取得最大值的z方向作为研究对象,表3为切削速度 单因素变化时得到的刀具振动加速度频谱图,横坐标代 表刀具振动信号中所含有的基本谐波频率,纵坐标代表 振动加速度(幅值增益)。观察所有频谱图中曲线,发现 材料抗绝热剪切形成的能力用绝热剪切敏感性表 示 影响绝热剪切敏感性的主要因素是强度、热导率及 切削速度,强度越大、热导率越低越容易产生绝热剪切 带,形成锯齿形切屑¨5 ;随着切削速度增加,切屑锯齿 有一个最大的峰值,而且此峰值横坐标值都是在10 000 HZ与12 000 Hz之间的范围内。由于加速度传感器直接 贴在刀具上.所以该横坐标值表示刀具振动的固有频率。 由表3可知,随着切削速度的提高,振动加速度值逐渐增 大而后又逐渐减小,具体变化情况如图1所示。 化程度加大j8j,造成切削力高频振动,导致刀具振动加 大。在不同的切削条件下,切削力对振动有很大的影 响,振动对切削力也具有很大的影响,两者之间是相互 作用的关系 1。切削用量对切削力和刀具振动均有影 表2 TA2和TCA的单因素试验方案(,=0.2 mm/lr,a =0.2 mm) 响,切削力及切削振动的变化规律基本一致 1。。。目前, 对于刀具的振动较多从切削用量和切削力及刀具磨损 方面展开研究.对于切屑变形对刀具振动造成影响的研 究较少。因此,本文通过切削速度变化研究切削过程变 形特征对刀具振动加速度的影响规律。 试验段号 1 2 3 4 5 切削速度 L/(30 49 76 97 122 136 振动加速度峰值/(m/s ) TA2 0.16 O.26 0.32 O.24 O.2 O.15 m/min) TC4 O.22 0.43 0.45 O.4l O.3O 0.34 1试验方案 使用车床CA6140对工业纯钛TA2和钛合金TC4 (退火态)进行车削试验,试样长度为300 mm,直径为9O 6 mm.其化学成分及性能参数如表1所示。将试样分成 若干段,每段长度约为10 mm,分别对应不同的切削用 量,切削时进给量.厂和切削深度0。不变,切削速度 单 因素变化,如表2所示。加工完毕制作金相试样进行分 析。刀具振动测量采用美国PCB公司生产的振动信号 采集系统,将三向加速度传感器一端贴在刀头上,另一 端接到电荷放大器上,分别采集轴向z、径向 和切向y 振动加速度信号.各切削用量下振动加速度峰值如表2 所示。采用山特维克公司生产的涂层硬质合金刀具,刀 杆牌号为SCLCR2525M09.刀片牌号为CCMTO9T3 08一 切削逯厦 /(m/min) MF1105,刀片的主偏角k,=95。,刃倾角A =0。,前角y。 :0。,后角 。=7。,刀尖圆弧半径 =O.8 rain。 表1材料化学成分及性能参数 强度/ 热导 材料 Ti A1 V Fe C N H 0 MPa 图1刀具振动随切削速度变化规律 在切削过程中第一变形区的材料会产生应变硬化 和应变率硬化,形成大量塑性功,并转化为热量,随着 切削速度的提高,单位时间内材料去除量增多,刀具与 工件之间被挤压面单位时间内与刀具碰撞次数增多, 导致刀尖区域切削力的振动增多,振动加速度逐渐增 (W/ (m/k)) 大.但当切削速度达到一定程度时,温度急剧升高,由 于瞬间变形极大,热量来不及散发,将产生局部热软化 TA2 余鳋 TC4 余量 , O.3 0.O8 0.03 0.Ol5 O.25 400 l9.3 O.3 O.08 O.O5 0.0l5 O.2O 825 6.8 5.5~ 3.5~ 6.8 4.5 现象。在切削过程中硬化和软化相互耦合作用,当热软 化超过应变硬化时,在第一变形区沿剪切方向的局部 区域积聚的塑性功瞬间释放,形成绝热剪切带,材料产 生损伤并沿剪切带撕裂,能量得以释放,切削力减小, 2试验结果与分析 将振动测量系统采集到的刀具振动信号进行剔除、 · 使振动加速度从最大值开始减小。 ‘ —j‘ 13O · 蓉I也烈 占札 一 201 8年第8期 切削速度 /(nWmin) l1.5 Techn010gy 0nd Tesf工艺与检测 表3刀具振动加速度随切削速度变化的频域图(,=0.2 mm/r,a =0.2 mm) TA2 0.45 0.4 0.45 0.4 TC4 0.35 0.35 量0.3 0 25 、0.3 0 25 30 晏0O 0. l.215 . 0 3 000 6 000 9000 l2 000 15 000 景00 0.I 25l 0 0.45 0 4 ▲. 频率/Hz 3 000 6 000 9 000 12 00015 000 频率 z 0.45 0 4 —0.35 0.35 、E 0.2 35 ▲ 49 型0.1 5 葚0 1 0.O5 一暮.u0 3 000 6 000 9 00012 000I5 000 昌0.3 Il , o0 0.2I 25 0 1 .0O5 . 0 3 000 6 000 9 000 12 000l5 000 频率/Hz 频率/Hz 0.45 0.4 —0.45 04 0.35 0.3 0 35 E 03 .76 ’型离o0 10.25 ▲。 、0 25 .一3 000 6 000 9 00012 00015 000 —瑙晏0.210 5l . Il- ”0 3 000 6 000 9 000 l2 00015 000 频率/Hz U 频率/Hz 0 45 0.4 —0.45 0.4 0 35 E 0.3 、O.35 0.3 0.25 97 魁善00 .01 51 ▲ .0 25 02 …{其0醛0O0.O1.215 v0 3 000 6 000 9 000 12 00015 000 0 3 000 6 000 9 000 l2 00015 000 频率/Hz 频率/Hz 0 45 04 —0.45 0.4 0.35 0 35 E 0.3 0.3 l22 毪0 25 、=o.25 0 2 蜊0 l5 0.2 县0O.0.15 0 U .▲ 1蜊晏00.IO 51 。. . 0 3 000 6 000 9 000 12 00015 000 3 000 6 000 9 000 l2 00015 000 频率/Hz 频率/Hz 045 0.45 04 —0.4 O.35 0.3 —025 0.2 .0 35 g 0 3 0.25 l36 02 .娶·0 0.1 5 1….▲ ”0 3 000 6 000 9 000 l2 000l5 000 是00.10 5l 0 IIlI 频率/Hz 3 000 6 000 9 000 12 0001 5 000 {I瓯率/Hz 工艺与检测Techn010gy and Tesl 对于两种试验材料,刀具与塑性流动切屑的连续 撞击与同时发生的切屑的锯齿化撕裂都将引起刀具微 201 8年第8期 削速度的增大先增加后减小。刀具振动加速度与材料 属性有关,TC4强度大,热导率小,易产生热软化现象, 振动加速度达到最大值时的切削速度比TA2低。 小振动,切削区域强锯齿化切屑、高频切削力波动使刀 具的振动加速度增大,但TA2的热导率较大(表1), 能量热量散发较多,在较低切削速度下切屑多近似带 状(如图2),切削过程相对平稳,而TC4的热导率较 小,更容易形成锯齿形切屑,能量少部分转化为热量, 大部分转化为刀具和_丁件的振动及切屑的锯齿形变. 切屑锯齿化程度较大(如图3),导致切削力高频振动 大,使TC4材料刀具振动加速度增加幅度较大 对于 TA2材料,当切削速度大约76 m/rain时,刀具振动加 速度达到最大值,而车削TC4时,当切削速度约为49 m/min时,刀具振动加速度达到最大值,随后随着切 图3 TC4 ̄J屑形态随速度变化图(进给量O.2 illm]r,背吃刀量0.2衄) 削速度的提高,振动加速度减小(图1)。在切削速 度 =49 m/rain时,TC4的刀具振幅是TA2的1.6 倍;在切削速度V =76m/rain时,TC4的刀具振幅是 (2)在相同的切削条件下,TC4在较低的切削速 度下即产生锯齿形切屑.且锯齿化程度较大,使振动加 速度变化幅度比TA2大。 参考文献 [1]Bakkal M,Shih A J,Seatterg( ̄l R D.Chip formation.cutting for(·es, tuld tool wear in turning of Zr—based bulk metallic glass[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2004.44(9):9I5-925. TA2的1.3倍.冈此,在同一切削条件下.TC4的刀具 振幅比TA2的大得多。另外,当速度较大时.TC4的 抗拉强度较大.切屑不易被拉断,切屑与刀具的接触面 积较大,钛合金微观变形区域内单位面积上被挤压面 与刀尖的挤压碰撞次数增多,导致高速切削钛合金 TC4时刀具振动加速度增幅较TA2大。因此.TC4的 低热导率导致的强锯齿化切屑、TC4的高抗拉强度导 [2]Molinari A,Musquar C,Sutter G.Adiabatic shear banding in high speed machining of Ti一6AI一4V:Experiments and modeling[J].Intenrational Journal of Plasticity,2002,18(4):443—459. 致的切屑与刀具间微观碰撞,使得刀具的振动加速度 比TA2的大。在相同的切削条件下.这种由材料属性 导致的不同归根结底是因为钛合金TC4比_T业纯钛 [3]杨奇彪,刘战强,苏国胜,等.高速切削锯街形切屑表征的研究现状 综述[J].工具技术.2011.48(5):3-8. [4]Batra RC,Kim CH.Effect of thermal conducti ̄rity 011 the initiation of growth and bandwidth of adiabatic shear bands[J].International Journal of Engineering Science.199I,29(4):949—960. TA2多添加了铝元素和钒元素,增加了异相界面,使强 度增加,同时减小了热导率,使加工过程的振动增加。 f 5]吴明阳,赵旭,汁伟,等.PCBN刀具切削高温合金锯齿形切屑形成 机理[J].机械工程学报,2016,52(3):179一l 86. 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