1、高速切削加工的定義

切削加工是機(jī)械制造領(lǐng)域最常見也是應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)，目前機(jī)械行業(yè)90%甚至更多的加工工作都由切削加工來完成 。高速切削加工技術(shù)是一種高效率的新技術(shù)，它使用比常規(guī)切削要高得多的切削速度進(jìn)行切削加工，高速切削加工技術(shù)不僅可以加工鑄鐵、鋼、有色金屬、高強(qiáng)度復(fù)合材料等，還能夠用來加工許多難加工材料，如高溫合金、鈦合金等。近年來，高速切削技術(shù)作為當(dāng)今世界機(jī)械制造業(yè)中一項(xiàng)迅速發(fā)展的高新技術(shù)，被越來越多的工程技術(shù)人員認(rèn)可 。

高速切削起源于 20 世紀(jì) 20 年代后期。當(dāng)時(shí)，德國的薩洛蒙（Carl Salomon）博士對(duì)高速切削做了一系列的模擬實(shí)驗(yàn)，并于1931年發(fā)表了著名的高速切削理論，即高速切削假設(shè)理論。薩洛蒙博士指出：在傳統(tǒng)的切削速度范圍內(nèi)進(jìn)行切削，切削溫度會(huì)升高。對(duì)于每種材料，有一個(gè)速度范圍，在此范圍內(nèi)切削時(shí)切削溫度特別高，以至于任何刀具都不能進(jìn)行切削，這個(gè)區(qū)域不能夠進(jìn)行切削，被稱為“死區(qū)”。但是，當(dāng)切削速度繼續(xù)升高到一定程度，不僅切削溫度不會(huì)隨著速度的增加而升高，反而會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，同時(shí)切削力也會(huì)降低。圖 1.1 所示即為著名的薩洛蒙曲線。

目前，各國對(duì)高速切削加工的定義還沒有達(dá)成統(tǒng)一，對(duì)高速切削速度范圍的界定也沒有作出統(tǒng)一的規(guī)定。通常把切削速度和進(jìn)給速度比常規(guī)高出 5~10 倍以上的切削加工叫高速切削加工。對(duì)于不同的材料切削速度的范圍是不一樣的。圖 1.2 所示即為幾種典型材料的高速切削速度范圍 ，對(duì)于TC17 來說，其高速范圍應(yīng)該在 100m/min 以上。

2、高速切削加工的特點(diǎn)

長期以來，高速切削受到人們的重視，這與其特點(diǎn)和優(yōu)越性是分不開的。與常規(guī)切削加工相比，高速切削的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）隨著切削速度的大幅提高，材料切除效率大幅度增加，可達(dá)到常規(guī)切削的 3－6 倍，從而極大的提高機(jī)床的效率。

（2）高速加工時(shí)，由于機(jī)動(dòng)時(shí)間、輔助時(shí)間以及非切削空行程時(shí)間的大幅度減少，因此單位時(shí)間內(nèi)材料的去除率大大提高，通常可達(dá)到常規(guī)切削的 3~6 倍，極大地提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率。

（3）切削力大大降低。當(dāng)切削速度提高到一定程度后，切削力可降低 30%以上。尤其是徑向切削力的減小和工件加工變形的減小，有利于提高薄壁件的加工精度。

（4）工件的熱變形減小。高速加工理論研究表明：當(dāng)切削速度達(dá)到一定數(shù)值后，隨著切削速度的提高，切削溫度范圍會(huì)降低，而對(duì)于不同材料而言，這個(gè)速度范圍是不同的，如圖 1.1所示。高速切削時(shí)，95%~98%以上的切削熱來不及傳遞給工件，而被切屑飛速帶走，工件基本上保持冷態(tài)，因此高速切削特別適合加工容易產(chǎn)生熱變形的零件。

（5）工件振動(dòng)小。由于切削力小而且變化幅度小，機(jī)床的激振頻率遠(yuǎn)大于加工工藝系統(tǒng)的固有頻率，振動(dòng)對(duì)表面質(zhì)量的影響很小，有利于提高零件的表面質(zhì)量。

（6）可加工各種難加工材料。鎳基合金和鈦合金材料的強(qiáng)度大、耐沖擊，加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，常規(guī)加工難以實(shí)現(xiàn)且切削效率很低，用高速加工技術(shù)可以解決這類材料的加工問題，既能獲得較高的表面質(zhì)量，又能有較高的生產(chǎn)效率。

（7）生產(chǎn)成本降低。生產(chǎn)成本的降低體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

① 零件的加工時(shí)間縮短；

② 工件一次裝夾后既可以進(jìn)行粗加工，也可以進(jìn)行精加工；

③ 由于切削力和切削溫度的降低，使得刀具磨損降低，使用壽命延長。而刀具的造價(jià)在工件加工成本中占有一定的比例。

④ 高速切削可以實(shí)現(xiàn)以切代磨。用切削工藝代替磨削工藝具有刀具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，工藝靈活性強(qiáng)，節(jié)省能源等優(yōu)越性，這些都使得工件的加工成本降低。

⑤ 與常規(guī)加工工藝比較，可以簡(jiǎn)化加工工序從而降低加工成本。

當(dāng)然，在鈦合金的高速切削領(lǐng)域依然有很多問題未解決，例如在高速切削鈦合金時(shí)的切削溫度和刀具磨損的研究，高速切削機(jī)理、高速切削時(shí)的表面質(zhì)量等，只有解決了這些問題才能更好的推廣高速切削的應(yīng)用。在TC17 的切削研究中，高速切削領(lǐng)域的研究少之又少，而在急切需要提高TC17 切削效率和延長切削刀具壽命的今天，對(duì)TC17進(jìn)行高速切削研究顯得十分必要。

3、鈦合金高速切削研究現(xiàn)狀

1）關(guān)于切削力和切削溫度的研究

在金屬切削過程中，切削力作為其中一種重要的物理參數(shù)，決定了切削過程所消耗的功率和加工工藝系統(tǒng)的變形，此外切削力也是分析切削過程中切削熱、刀具磨損等物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)。國內(nèi)外有很多專家學(xué)者做了大量的關(guān)于切削力的研究。

Narutaki  對(duì)切削鈦合金 Ti-6Al-4V 時(shí)的切削力和切削溫度進(jìn)行了較全面的研究。研究表明，當(dāng)切削速度在 20~200m/min 的范圍內(nèi)時(shí)，加工 Ti-6Al-4V 的車削力不隨速度的升高而發(fā)生變化，表明切削鈦合金時(shí)刀具磨損并非切削力所致。對(duì)車削溫度方面的研究發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V 的切削溫度在 700℃以上，切削速度升高到 300m/min 時(shí)，溫度會(huì)達(dá)到 1000℃甚至更高，相比 45鋼高出約 300℃。考慮到加工時(shí)切削力較低，可知切削溫度較高是致使鈦合金難以繼續(xù)切削的主要原因。在銑削方面，他用改裝過的工件和銑刀構(gòu)成的熱電偶測(cè)量了銑削時(shí)的溫度值，所用銑刀直徑 2mm，在 157~400m/min 的銑削速度范圍內(nèi)，銑削溫度值接近 700℃。

Dewes等對(duì)模具鋼的高速銑削進(jìn)行了溫度研究，用不同的測(cè)溫方法（紅外、熱電偶），研究了從粗加工到精加工時(shí)銑削溫度與各切削參數(shù)的關(guān)系。在低于 200m/min 的相對(duì)低速條件下，隨著切削速度的提高，切削溫度由不足 200℃上升到 300℃，且從趨勢(shì)變化來看，切削溫度一直在上升。試驗(yàn)同時(shí)研究了徑向切深、軸向切深和刀具磨損等對(duì)銑削溫度的影響，并比較了熱電偶測(cè)溫和紅外測(cè)溫兩種方法的特點(diǎn)，認(rèn)為紅外測(cè)溫由于本身靈敏度低導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低。

F. Klocke, N等人在分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具銑削 Ti-6Al-4V 的效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，用有限元的方法分析了切削時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。分析了涂層的耐沖擊性與對(duì)應(yīng)刀具的切削效果，并得到不同切削條件下的溫度值。

李亮 等人對(duì)鈦合金 Ti-6Al-4V 的銑削溫度進(jìn)行了研究，并對(duì)夾絲熱電偶的測(cè)溫原理進(jìn)行了闡述，通過對(duì)溫度信號(hào)和銑削力信號(hào)的比較，揭示了切削過程中切削溫度相對(duì)于切削力的滯后現(xiàn)象，試驗(yàn)在 100~800m/min 的速度范圍內(nèi)測(cè)量了刀刃溫度和工件表面溫度的變化，未發(fā)現(xiàn)隨著切削速度提高切削溫度上升趨緩。

劉鵬使用聚晶金剛石（PCD）刀具對(duì)鈦合金 TA15 進(jìn)行了切削研究，分析了高速加工時(shí)的動(dòng)態(tài)切削力變化以及切削速度、每齒進(jìn)給量、軸向切深對(duì)切削力的影響，對(duì)不同的切削速度和不同刀具磨損階段的切削力信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析。結(jié)果表明，隨著切削速度和刀具磨損的增加，切削力幅值是增加的，這一點(diǎn)可以用來進(jìn)行切削過程的監(jiān)控。

Alauddin對(duì)鎳基高溫合金 Inconel 718 的銑削力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在 8~40m/min 的切削速度范圍內(nèi)，銑削力隨速度的增加單調(diào)下降，證明高速加工難加工材料對(duì)減小切削力和提高加工精度的作用。

李安海對(duì) CVD（Ti(C,N)-AlO 3 ）涂層的硬質(zhì)合金刀具高速銑削 Ti6Al4V 時(shí)的刀具磨損進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究；對(duì)不同切削條件下的刀具失效特征進(jìn)行了研究，并使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析了導(dǎo)致涂層硬質(zhì)合金刀具磨損的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著刀具的磨損，切削力和切削溫度加速增大，二者的增大又反過來加劇了刀具的磨損，為此他還分析了在不同切削速度下切削力和切削溫度對(duì)摩擦磨損和正應(yīng)力的影響。

滿忠雷等人對(duì) TC4 鈦合金在干切削、空氣油霧和氮?dú)庥挽F介質(zhì)下高速銑削的切削力進(jìn)行了研究，研究了銑削用量（徑向切深、軸向切深、銑削速度和進(jìn)給速度）對(duì)銑削力的影響。得到了和 Alauddin 完全不同的結(jié)果在切削速度為 200~300m/min 時(shí)，銑削力和切削速度呈現(xiàn)完全的正相關(guān)。

山東大學(xué)的王鑫使用硬質(zhì)合金刀具對(duì) TC11 和 TC17 進(jìn)行了銑削加工試驗(yàn)，銑削速度范圍為 30-60m/min，研究發(fā)現(xiàn)切削速度是決定刀具磨損特性的最重要因素，隨著切削速度的提高，出現(xiàn)劇烈磨損；帶刀尖圓弧半徑的涂層硬質(zhì)合金銑刀刀具壽命長。

2）關(guān)于刀具磨損和加工表面完整性的研究

Z．G．Wang對(duì)比了 BCBN 刀具和 CBN 刀具在鈦合金加工時(shí)的優(yōu)劣，硬度和熱導(dǎo)率高的 BCBN 刀具非常適合在高速條件下銑削TC4鈦合金，且隨著切削速度的升高，其磨損原因由粘結(jié)過渡到擴(kuò)散。

Dearnley等人使用 P 類硬質(zhì)合金銑刀加工鈦合金后發(fā)現(xiàn)，刀具含有的 TiC容易和鈦合金材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致刀具強(qiáng)度降低，影響刀具使用壽命。M.Nouari  等人在150m/min 的速度下加工鈦合金，有無涂層的刀具有相同形式的磨損，導(dǎo)致刀具磨損的主要原因都是擴(kuò)散和粘結(jié)。

許多人嘗試使用某些超硬材料的刀具來加工鈦合金，如 PCD、PCBN 刀具等。N Corduan使用 PCD 刀具車削鈦合金后發(fā)現(xiàn)其切削速度可以達(dá)到高速范圍，最大可以達(dá)到 150m/min，但是速度不宜繼續(xù)增大，PCD 刀具表現(xiàn)出來的磨損形式為均勻的后刀面磨損，且在增大切削速度時(shí) PCD 會(huì)有嚴(yán)重的石墨化出現(xiàn)。

舒彪等人在不同的油霧介質(zhì)下對(duì)鈦合金 TC4 進(jìn)行了高速切削試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)刀具磨損形式除了擴(kuò)散氧化和粘結(jié)之外，不論是哪種介質(zhì)下的切削，都沒有出現(xiàn)明顯的機(jī)械磨損。南京航空航天大學(xué)的耿國盛分別用不同生產(chǎn)廠商和材料的刀具對(duì) α 鈦合金 TA15 進(jìn)行了高速銑削研究，研究發(fā)現(xiàn) TA15 的磨損形式基本都是微裂紋和溝槽磨損，刀具磨損機(jī)理為擴(kuò)散和粘結(jié)的綜合作用。

Gert Adriaan Oosthuizen用細(xì)粒多晶金剛石（PCD）刀具端銑 Ti6Al4V，并研究了其磨損形式，刀具壽命切削力和表面粗糙度，研究發(fā)現(xiàn)，在切削速度為 100m/min 時(shí)，PCD 刀具比涂層硬質(zhì)合金刀具有更長的刀具壽命，隨著切削速度的增加，刀具磨損逐漸變緩，然而在速度達(dá)到更高的值時(shí)，刀具磨損卻會(huì)指數(shù)性增加。基于掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDAX）分析的觀察表明，粘結(jié)磨損是刀具磨損的主要類型，之后的磨損加速可能由于較高的切削溫度和磨損的綜合效應(yīng)。

沈小龍?jiān)诓煌娤鳁l件（銑削速度，刀具前角和冷卻方法）下研究了鈦合金的加工表面質(zhì)量，殘余應(yīng)力和表面粗糙度，結(jié)果表明在所有銑削條件下加工表面均產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，隨著銑削速度增加，壓縮殘余應(yīng)力較少，表面粗糙度增加。殘余應(yīng)力隨刀具前角的增加而增加。

當(dāng)前角為8°時(shí)，能夠獲得最低的表面粗糙度。使用無涂層硬質(zhì)合金刀具高速銑削鈦合金時(shí)，水冷是最好的冷卻方法。

江峰研究了在不同的冷卻/潤滑條件（最小量潤滑、干切、濕切）下的工件表面粗糙度的平均值，并建立了二次模型和參數(shù)的指數(shù)模型，確定了對(duì)表面粗糙度有顯著影響的切削參數(shù)。

使用二次擬合模型優(yōu)化了切削參數(shù)，所做的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明模型估計(jì)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。

Nikos C. Tsourveloudis在切削 Ti6Al4V 實(shí)驗(yàn)性的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出了工件表面粗糙度與切削關(guān)鍵參數(shù)和條件的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）輸入到多項(xiàng)式模型，然后輸入模糊邏輯系統(tǒng)，其目的主要是對(duì)制作過程中的所有材料進(jìn)行表面粗糙度的預(yù)測(cè)。

王鑫通過改變的切削參數(shù)及刀具的幾何參數(shù)對(duì)鈦合金TC11和TC17 進(jìn)行側(cè)銑和端銑加工發(fā)現(xiàn)：表面粗糙度隨著切削速度的提高而減小，并隨著每齒進(jìn)給量和軸向切削深度(端銑)、徑向切削深度(側(cè)銑)的增大而變大。

3）存在的問題

高速切削的快速發(fā)展使得高速切削工藝得到廣泛應(yīng)用，目前在航空航天等領(lǐng)域高速切削已經(jīng)取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)高速切削的研究也越來越多。但是，在高速條件的切削力、切削溫度以及刀具磨損機(jī)理等方面還有很多現(xiàn)象解釋不清，在高速切削對(duì)工件的表面質(zhì)量的影響方面其理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能很好吻合等等問題，這些問題都亟待解決。

對(duì)于本文的研究對(duì)象 TC17來說，關(guān)于其高速加工性的研究還比較少，即使有少部分相關(guān)研究，也只是停留在中低速（50m/min 左右）領(lǐng)域。鑒于國內(nèi)鈦合金TC17的加工水平仍有待提高，而且航空航天和武器裝備制造業(yè)對(duì)高速切削加工技術(shù)以及提高TC17鈦合金的加工效率和加工質(zhì)量有非常迫切的需要，本文擬對(duì)鈦合金TC17的高速銑削進(jìn)行系統(tǒng)的研究。