切削參數對粉末冶金材料切屑形貌的影響

孫富建 ，蘇 飛

（1.湖南科技大學智能制造研究院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湖南 湘潭411201）

切削參數對粉末冶金材料切屑形貌的影響

孫富建1，2，蘇 飛1，2

（1.湖南科技大學智能制造研究院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湖南 湘潭411201）

利用熱等靜壓工藝制備了致密度為99.8%的T-6Al-4V粉末冶金材料，研究了切削參數對粉末冶金材料切屑形貌的影響規律。切屑卷曲半徑隨著切削速度的增加先降低后增加，隨著進給量和切削深度的增加基本分別呈降低和先降低后增加趨勢；切屑平均厚度隨著切削速度、進給量和切削深度基本上均呈增加趨勢。

熱等靜壓工藝；Ti-6Al-4V；粉末冶金材料；切屑形貌

鈦合金材料由于其優異的物理機械性能被認為是極具吸引力的結構材料，然而其彈性模量低、熱導率系數低、化學活性高等屬性導致鈦合金材料成為典型的難切削加工材料，極大地限制了材料進一步的推廣應用。粉末冶金技術，將金屬粉末或非金屬與金屬混合粉末真空密封在不銹鋼或陶瓷包套內，通過高壓壓制、高溫燒結，能夠制備致密度高、形狀復雜的近凈成形零件，因此能夠減少鈦合金零件的機械加工工序。

鋸齒狀切屑作為鈦合金切削加工過程中的典型特征之一，能夠引起切削過程中切削力的周期性波動，加劇切削刀具的微崩刃磨損。目前，對于鈦合金材料鋸齒狀切屑的形成機理及影響因素等方面已經進行了深入的研究，然而粉末冶金材料由于制備工藝等的特殊性，導致其具有與常規工藝制備材料的機械性能與微觀結構存在較大差異，因此有必要對鈦合金粉末冶金材料鋸齒狀切屑的形成進行相關研究。

本文利用熱等靜壓工藝制備了致密度為99.8%的粉末冶金材料，進行探索Ti-6Al-4V粉末冶金材料的切屑形貌。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

氣體霧化法制備Ti-6Al-4V預合金粉末作為粉末冶金工藝的原材料。熱等靜壓工藝，作為粉末冶金技術之一，通過介質從各個方向向密封包套施加均勻地壓力，并加以高溫，使其能夠制備形狀復雜、質量大的高致密度零件[1，2]，本文中在熱等靜壓參數930℃/120 MPa/3 h下利用熱等靜壓工藝制備Φ40×100 mm的Ti-6Al-4V粉末冶金棒材，其相對致密度為99.8%.

Ti-6Al-4V粉末冶金材料的機械性能和顯微組織分別如表1和圖1所示。在較高壓制溫度下，預合金粉末制備時較快的冷卻速度導致馬氏體相完全轉變為α相，在隨爐冷卻過程中晶間β相析出，從而引起粉末冶金棒材由粗大的α相和少量的晶間β相組成。預合金粉末高壓下粉末顆粒的塑性變形、重排和破碎以及在高溫下粉末顆粒間燒結頸的形成和增長不充分，材料內部存在少量的微空隙[3]。

表1 粉末冶金材料的機械性能

圖1 粉末冶金材料的顯微組織

1.2 試驗方法

在無潤滑、無冷卻的條件下數控車床CKA6150i被選擇作為車削用機床，帶斷屑槽的硬質合金刀具CNMG120404-MA VP15TF被選擇作為車削用刀具，硬質合金的超細顆粒粉末作為刀具的基體材料，利用化學氣相沉積法制備刀具表面的（AlTi）N涂層。選用刀桿MCLNR2020K12，刀具與刀桿一起提高刀具幾何角度，刀具角度為前角6°、后角5°、主偏角95°和副偏角5°.收集切削產生的切屑，利用3D超景深電子顯微鏡測量切屑的卷曲半徑和切屑的平均厚度。

2 結果與討論

2.1 切屑卷曲半徑的研究

鈦合金材料切削過程中形成鋸齒狀結構的連續性切屑，切屑卷曲半徑是描述切屑流動特征的基本參數，對切削力計算和切屑控制非常重要[4]。

2.1.1 切削速度對切屑卷曲半徑的影響

切屑的卷曲半徑隨著切削速度的變化情況如圖2所示。隨著切削速度的增加，切削層厚度不發生變化，但是切削溫度的升高會導致切削層材料發生高溫軟化從而引起切屑的卷曲半徑降低。當切削速度大于50 m/min時，足夠高的切削溫度導致刀具前刀面的積屑瘤高度降低，引起切屑與刀具前刀面的接觸面積增加，降低了刀具前刀面對切屑的平均正應力，從而增加了切屑的卷曲半徑。

圖2 切屑卷曲半徑隨著切削速度的變化（進給量0.10 mm/r和切削深度1.0 mm）

2.1.2 進給量對切屑卷曲半徑的影響

進給量的增加能夠增加單位時間的工件材料切除量，引起切削溫度的增加，但是也會增大切削層厚度，導致切屑的剛性增強。羅翔等[5]在利用刨床低速切削高速鋼時，觀察到隨著切削厚度的增加，切屑的卷曲半徑增加。然而，如圖3所示除了進給量從0.10 mm/r增加到0.13 mm/r時切屑卷曲半徑隨著進給量的增加而出現增大外，Ti-6Al-4V粉末冶金材料切屑的卷曲半徑隨著進給量的增加而逐步減小。

圖3 切屑卷曲半徑隨著進給量的變化（切削速度50 m/min和切削深度1.0 mm）

對于鈦合金材料來說，切屑鋸齒狀結構的改善對切屑卷曲半徑的影響具有重要的影響作用。隨著進給量的增加，增加的切削溫度能夠加劇切屑鋸齒狀結構的形成因此導致切屑卷曲半徑隨著進給量的增加而減小。對于具有斷屑槽的切削刀具來說，進給量對刀具斷屑槽結構的利用率的影響最大。當進給量從0.10 mm/r增加到0.13 mm/r時，切屑與刀具前刀面的接觸面由主切削刃、前肩部增加為主切削刃、前肩部和后肩部，刀具斷屑槽結構利用率的提高降低了切削溫度，從而導致切屑的卷曲半徑的提高[6，7]。

2.1.3 切削深度對切屑卷曲半徑的影響

切屑卷曲半徑隨著切削深度的變化趨勢如圖4所示。試驗所用的切削刀具具有0.4 mm的刀尖圓弧，當切削深度小于0.4 mm時，刀尖圓弧不能完全參與切削加工，導致切屑卷曲半徑在切削深度從0.3 mm增加到0.5 mm時出現急劇的下降。當切削深度大于0.5 mm時，刀尖圓弧完全參加切削加工，隨著切削深度的增加切屑剛度增大，導致切屑的卷曲半徑逐漸增大。但是當切削深度由0.8 mm增加至1.0 mm時，由于切削溫度的升高，增加了切屑的高溫軟化率，導致了切屑卷曲半徑有所降低。

圖4 切屑卷曲半徑隨著切削深度的變化（切削速度50 m/min和進給量0.10 mm/r）

2.2 切屑平均厚度的研究

2.2.1 切削速度對切屑平均厚度的影響

切屑平均厚度隨著切削速度的變化規律如圖5所示。Dinc等[8]指出連續的帶狀切屑具有比鋸齒狀切屑更大的厚度，切削速度的增加能夠明顯加劇切屑的鋸齒狀結構。然而在本文中，切屑的鋸齒狀結構隨著切削速度的增加而變得更加劇烈，但是其平均厚度卻出現增大的趨勢。分析其原因為粉末冶金材料內部具有一定含量的殘余微空隙，隨著切削速度的增加，剪切帶的剪切應變和應變率均隨著切削速度的增加而增加，剪切帶微空隙處會出現更大的剪切滑移，因此可能導致切屑的平均厚度增加[9]。當切削速度從50 m/min增加到60 m/min時，刀具前刀面積屑瘤的減少和工件材料的高溫軟化等導致切削溫度出現降低，引起切屑的平均厚度出現急劇的減小。

圖5 切屑平均厚度隨著切削速度的變化（進給量0.10 mm/r和切削深度1.0 mm）

2.2.2 進給量對切屑平均厚度的影響

如圖6所示切屑平均厚度隨著進給量的變化趨勢。隨著進給量的增加，工件表面切削層厚度呈正比例增加。切屑的平均厚度隨著進給量的增加，也基本呈增大趨勢。然而對于帶斷屑槽的硬質合金刀具來說，進給量的增加能夠提高刀具斷屑槽結構的利用率，降低切削溫度，降低切屑的高溫軟化率，從而導致切屑的平均厚度隨著進給量的增加不呈一定比例增加，并且從0.08 mm/r增加到0.10 mm/r時切屑的平均厚度出現下降的趨勢。

圖6 切屑平均厚度隨著進給量的變化（切削速度50 m/min和切削深度1.0 mm）

2.2.3 切削深度對切屑平均厚度的影響

隨著切削深度的增加，切屑的寬度成正比例增加，增大了切屑的剛度，從而導致如圖7所示切屑平均厚度隨著切削深度的增加而增大。當切削深度由1.0 mm增加到1.3 mm時，由于其切削溫度的增加，導致切屑的平均厚度出現急劇下降的趨勢。

圖7 切屑平均厚度隨著切削深度的變化（切削速度50 m/min和進給量0.10 mm/r）

鈦合金材料的低彈性模量，導致切削時形成切屑的變形系數接近于1，甚至小于1，降低切屑與刀具間的接觸面積，增加了刀具承受的正應力，從而會加劇刀具近切削刃處的磨損失效[10，11]。由切削速度和切削深度對切屑平均厚度的影響可以看出，在切削粉末冶金材料時切屑的平均厚度接近于1，甚至會小于1.

3 結論

（1）隨著切削速度的增加，切屑的卷曲半徑先減小后增加；卷曲半徑隨著進給量和切削深度的增加，基本上分別呈減小和增加趨勢。

（2）切屑的平均厚度，隨著切削參數（切削速度、進給量和切削深度）的增加，基本上均呈增加趨勢。

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Influence of Cutting Parameters on Chip Morphology of Powder Metallurgy Material

SUN Fu-jian1，2，SU Fei1，2
（1.Intelligent Manufacturing Institute，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China；2.Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

In this paper，Ti-6Al-4V powder metallurgy material having relative densities of 99.8%was prepared with hot isostatic pressing technology，the influences of cutting parameters on the powder metallurgy material chip morphology were studied.With the increase of cutting speed chip curling radius firstly decreased and then increased.With the increase of feed rate and cutting depth the chip curling radius decreased，firstly decreased and then increased，respectively.When cutting speed，feed rate and cutting depth increased，the chip mean thickness basically showed increasing tendency.

hot isostatic pressing technology；Ti-6Al-4V；powder metallurgy material；chip morphology

GT506.9

A

1672-545X（2017）09-0050-04

2017-06-08

湖南科技大學博士啟動基金（編號：E56123）；難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室開放基金（編號：E21754）

孫富建（1986-），男，山東聊城人，博士，講師，從事難加工材料高精密加工的教學與科研工作。