基于绿色切削的钛合金高速切削机理研究

绿色制造是本世纪机械制造的发展趋势之一,钛合金的高效加工问题也一直是航空航天工业以及其它行业制造技术中亟待解决的重要问题。为实现钛合金及其它难加工材料的绿色高速切削,本文在国家自然科学基金（50175051）的资助下,采用氮气介质替代切削液,以钛合金的高速切削过程为主要研究对象,采用理论分析、数值模拟和加工试验相结合的方法,重点研究了高速切削钛合金过程中的诸多物理现象与切削机理。主要研究工作包括: 1.通过硬质合金/钛合金摩擦副进行的摩擦磨损试验研究,揭示了氮气介质下硬质合金/钛合金摩擦副在高速滑动摩擦状态下的摩擦磨损特征,氮气介质可以有效降低硬质合金/钛合金摩擦副的摩擦系数及磨损量,为深入分析氮气介质在钛合金高速切削过程中的作用机理提供了理论依据。 2.在钛合金高速切削摩擦性能研究中,采用切削力与切削温度等试验方法,对氮气、空气介质以及干切削条件下的钛合金高速切削摩擦状况进行了深入的对比分析,揭示了氮气介质在钛合金高速切削过程中的减摩作用。 3.在正交切削有限元模拟的基础上,进行钛合金高速切削切屑形成试验,揭示出气体介质对钛合金的切屑形成具有重要影响,钛合金锯齿状切屑的形成机理主要为热塑性失稳;有限元分析结果进一步证明了切削介质的减摩作用对钛合金锯齿状切屑形成的作用机理;在高速铣削钛合金的切屑形成研究中提出了一种提取切屑根部的新方法,为研究铣削时的切屑形成提供了一条有效途径。 4.通过刀具磨损试验研究,分析了氮气及空气介质下硬质合金刀具在高速切削钛合金时的主要磨损形式和刀具寿命;揭示了氮气及空气介质下高速切削钛合金时硬质合金刀具的脆性破坏和磨损机理以及影响硬质合金刀具寿命的主要因素;试验证明在一定切削参数范围高速铣削钛合金时,氮气介质下的刀具寿命比空气介质下的刀具寿命高10%100%;将有限元模拟与刀具扩散磨损模型相结合,分析了前刀面扩散磨损率的分布状态,并预测了切削介质对前刀面扩散磨损的影响。 5.高速摩擦磨损试验、切削加工试验、刀具磨损试验以及有限元模拟等试验与理论分析表明,氮气介质在钛合金高速切削过程中的作用机理为:氮气介质可以降低硬质合金/钛合金摩擦副的摩擦系数,而摩擦系数的降低可以提高钛合金锯齿状切屑的节状频率,有效降低切削力和切削温度,改善硬质合金刀具的切削状况,从而显著降低硬质合金刀具磨损。