硬质合金刀具车削Ti6A14V钛合金试验研究
Ti6A14V合金整体零件的两步热等静压近净成形工艺探究
T i 6A l 4V 合金整体零件的两步热等静压近净成形工艺探究黄 俊 薛鹏举 魏青松 史玉升华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉,430074摘要:针对热等静压整体成形高温合金零件容易产生部分区域致密度较低㊁整体性能不均一的问题,提出了热等静压两步成形方法,在较低的温度和压力作用下成形为不带连通孔隙的原始零件,去除控形模具后用合适的温度压力作用使不致密区域致密,提高零件均一性㊂以T i 6A l 4V 粉末材料为例,使用有限元模拟和实验测试相结合的方法,确定了两步成形法的工艺参数,并成形了叶盘零件㊂S E M 结果显示:热等静压两步法成形的零件组织由板条状α+β相组成,原始颗粒边界消失,不连通孔隙闭合㊂断口形貌显示:在合适的两步成形工艺参数加载下,粉末颗粒冶金结合牢固,不再成为裂纹起始处,拉伸强度提高㊂两步法拉伸性能略优于常规热等静压拉伸性能,性能达到同规模锻件水平㊂关键词:热等静压两步成形;T i 6A l 4V ;有限元模拟;力学性能中图分类号:T F 124 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.18.023R e s e a r c ho nN e a r ‐N e t ‐S h a p i n g T i 6A l 4VA l l o y P a r t s u n d e rT w o ‐S t e p H o t I s o s t a t i cP r e s s i n gH u a n g J u n X u eP e n g j u W e iQ i n g s o n S h iY u s h e n gS t a t eK e y L a b o r a t o r y o fM a t e r i a l P r o c e s s a n dD i e a n d M o u l dT e c h n o l o g y,H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,W u h a n ,430074A b s t r a c t :M o n o l i t h i c s u p e r a l l o yp a r t s s h a p e db y h o t i s o s t a t i c p r e s s i n g m a y e x i s t l o wd e n s i t y r e -g i o nw h i c hw i l l c a u s eu n e v e no v e r a l l p e r f o r m a n c e .T h i s p a p e r p r o p o s e d a t w o ‐s t e p h o t i s o s t a t i c p r e s s -i n g m e t h o d :a t l o wt e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e o r i g i n a l p a r t sw e r e s h a p e dw i t h o u t c o n n e c t e d p o r e s f r o m a l l o yp o w d e r ,t h e n t h e l o wd e n s i t y r e g i o n sw e r e d e n s e d a t a n a p p r o p r i a t e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e a f -t e r r e m o v i n g c a p s u l ea n ds h a p e ‐c o n t r o lm o l d ,w h i c hc o u l d g u a r a n t e eu n i f o r m p e r f o r m a n c e .T a k i n g T i 6A l 4V p o w d e rm a t e r i a l a s a ne x a m p l e ,t w o ‐s t e p H I P p a r a m e t e r sw e r e d e t e r m i n e db y c o m b i n i n g f i -n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l t e s t s ,w i t hw h i c hb l a d e d d i s k p a r t sw e r em a d e .T h e S E Mr e -s u l t s s h o wt h a t :i t i s f i n e a n dh o m o g e n e o u s s t r i p α+βph a s e i n t h e p a r t s a n d t h e r e i sn o p r i o r p a r t i c l e b o u n d a r y o r c o n n e c t e d p o r e s ,w h i c hc o n t r i b u t e t o t h e g o o d p e r f o r m a n c eo f p a r t s .T h e f r a c t u r em o r -p h o l o g y a n a l y s i s s h o w s t h a t :t h e p o w d e r p a r t i c l e s a r em e t a l l u r g i c a l l y b o n d e d f i r m l y a n dn o l o n ge r t h e c r a c ks o u r c e g i v e n a p p r o p r i a t e p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s .T e n s i l e s t r e n g t h of t w o ‐s t e p H I P p a r t s i s s l igh t -l y b e t t e r t h a n t h a t o f c o n v e n t i o n a lH I Pa n d a s s a m e a s t h e f o r g i n g’s .K e y wo r d s :t w o ‐s t e p h o t i s o s a t i c p r e s s i n g (H I P );T i 6A l 4V ;f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ;m e c h a n i c s p r o p e r t y收稿日期:20141217基金项目:国家自然科学基金资助项目(51375188);国家科技重大专项(2009Z X 04005‐041‐03)0 引言热等静压(h o t i s o s t a t i c p r e s s i n g ,H I P )近净成形技术结合粉末冶金与模具工艺,利用高温高压耦合加载,在模具控形作用下,短流程将粉末致密化为复杂结构的高性能零件,其制件组织晶粒细小均匀,具有良好的力学特性[1‐2]㊂该技术材料利用率高于90%,特别适用于钛基㊁镍基高温合金等难加工贵重金属材料,受到国内外航空领域的广泛关注[3‐5]㊂但是热等静压成形过程中,粉末初始密度低,压坯体积收缩超过30%,并伴有不规则变形,受控形模具限制,部分结构处粉末流动不充分以及压力传导损失,难以达到较高致密度[6],甚至残留孔隙,影响制件的整体力学性能㊂优化模具结构能够缓解部分问题,但边角效应影响区和特殊狭长结构区域仍难以致密㊂从工艺参数上考虑,提高保温温度和增大保压压力能够提高整体致密度[7]㊂然而提高温度会使晶粒长大,性能降低[8],同时造成模具变软发生较大形变使得控形效果变差;增大压力除增加对成形设备的要求外还会造成包套变形增大,容易发生开裂造成工艺失败,同时型芯模具变形较大,影响控形效果,制件性能均一性难以保证㊂两步热等静压工艺是在较低温度和压力作用下初次成形零件坯体,使得整体致密度达到无连通孔隙程度,酸洗或机械加工方法去除包套和型芯后,将压坯二次热等静压㊂失去包套和型芯屏蔽效应的约束,压力能够均匀传到制件各处,提高区域致密度,使孔隙㊃9352㊃T i 6A l 4V 合金整体零件的两步热等静压近净成形工艺探究黄 俊 薛鹏举 魏青松等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.闭合消除缺陷,整体组织均匀,性能均一㊂本文主要从两步热等静压成形工艺的可行性和两步热等静压工艺参数的选择以及制件的力学性能等方面展开探讨㊂1 材料与方法1.1 成形材料成形材料选择等离子旋转电极法(pl a s m a r o t a t i n g el e c t r o d e p r o c e s s ,P R E P )制得的T i 6A l 4V 粉末,粉末呈球形,粒径大致分布在60~300μm 区间,平均粒径为200μm ,S E M 粉末形貌如图1所示,粉末化学成分如表1所示㊂图1 T i 6A l 4V 粉末S E M 形貌表1 T i 6A l 4V 粉末化学成分%w (A l )w (V )w (F e )w (C )w (O )w (N )w (H )w (T i )6.14.20.120.010.080.010.002其余1.2 常规热等静压工艺金属粉末热等静压工艺常规使用45钢或不锈钢作为包套和控形型芯,参考模具及T i 6A l 4V 材料的熔点㊁相变点和屈服强度特性,选定热等静压温度为910℃,压力为110M P a,保压时间为3h ㊂制定加载方式如图2所示,温度和压力同时协调加载,试验在Q I H 15热等静压试验机(A B B ,美国)上完成㊂图2 常规热等静压加载曲线1.3 两步热等静压成形工艺两步热等静压成形法加载曲线如图3所示,工艺流程如图4所示㊂图3 两步热等静压成形工艺曲线图4 两步热等静压工艺流程图初次热等静压是在较低的温度和压力作用下,通过包套和控形模具挤压驱动粉末流动成形成没有连通孔隙的压坯,为去除包套和型芯后的二次热等静压提供条件㊂在满足成形为没有连通孔隙压坯的前提下,初次热等静压的温度和压力应当越低越好,较低的温度能够保证获得更细小的晶粒,有利于提高力学性能;较低的压力使得包套和模具产生更小的变形,有利于提高控形精度㊂采用有限元数值模拟的方法选择多组温度和压力参数进行模拟,将其中使得制件最低致密度达到92%[9]的参数组合(没有连通孔隙)选为初次热等静压温度和压力参数㊂试验设计的包套和控形模具结构如图5所示㊂使用M S C .MA R C 有限元软件进行模拟,根据零件的对称性选择二维14模型模拟变形过程㊂变形过程是复杂的机械与热耦合作用过程,粉末特征参数是温度和相对致密度的复杂函数[10],这里采用基于T i 6A l 4V 粉末特征参数修正的S h i -m a 模型[11‐13],屈服方程如下:F =1γ(32S i j S i j +p 2β2)1/2-σy(1)β=(q 1+q 2ρq 3)q 4(2)γ=(b 1+b 2ρb 3)b 4(3)式中,σy 为致密体的等效屈服应力;p 为热等静压压力;S i j 为偏应力张量;γ㊁β为与材料有关的参数;q 1㊁q 2㊁q 3㊁q 4㊁b 1㊁b 2㊁b 3㊁b 4为常数;ρ为相对致密度㊂当粉末逐渐致密化达到1之后该屈服模型回归到经典的v o n M i s e s 屈服模型,β㊁γ可由单轴压㊃0452㊃中国机械工程第26卷第18期2015年9月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图5 模型结构图缩试验得到[14]㊂包套和模具材料分别使用45钢和304不锈钢,两种材料在H I P过程中用弹塑性材料模型和v o n M i s e s屈服准则描述其变形行为,相关参数在MA R C有限元程序中设定㊂初次热等静压参数(850℃,100M P a,保压3 h)作用下,相对致密度模拟分布结果如图6所示㊂制件基本上达到致密,但在图6中A区由于模具结构限制,粉末流动较差没有达到与其他区域相当的致密度,力学性能均一性较差,可能影响疲劳寿命㊂但是该区域的致密度达到了93%以上,即已经没有了连通孔隙,压坯外表面可以承受并传递气体介质压力,满足二次热等静压的条件㊂从该区域的S E M照片上可以看到基本上达到致密但残存孔隙,孔隙之间已互不连通,如图7所示㊂图6 相对致密度模拟分布结果初次热等静压的参数借助有限元模拟的方法确定,通过设置不同的温度和压力工艺参数加载,查看致密度模拟结果,为减小温度压力过高对性能的不利影响,选择致密度最低区域达到92%前提下的最小温度和压力数值作为初次热等静压的工艺参数㊂通过酸洗和机加工的方法去除掉包套和控形型芯,对零件进行二次热等静压,由于此时图7 A区组织S E M图片的零件形状不规则,有限元模拟难度较大并且容易产生较大误差,故选择从试验的角度探索并确定二次热等静压的工艺参数㊂2 结果与讨论2.1 拉伸特性为探索二次热等静压的成形工艺参数以及两步法成形零件的力学性能,设计了3组试验,分别是传统热等静压工艺P0(910℃,120M P a,3h)㊁两种两步成形工艺P1(850℃,100M P a,3h/850℃,120M P a,3h)和P2(850℃,100M P a,3h/910℃,120M P a,3h),成形图5所示零件,并将获得的压坯A区制成截面为6mm×2mm的条状拉伸试样进行拉伸试验(图8),对比其拉伸特性,观察和分析组织断口形貌㊂图8 拉伸试验前后对比试验在德国Z w i c k/R o e l l公司Z010型拉伸试验机上进行,拉伸参数为预载100N,试验速度2mm/m i n,得到拉伸性能参数如表2所示㊂表2 不同工艺的拉伸强度工艺参数910℃,120M P a850℃,100M P a/850℃,120M P a850℃,100M P a/910℃,120M P a拉伸强度(M P a)954898985屈服极限(M P a)876828886弹性模量(G P a)121120125㊃1452㊃T i6A l4V合金整体零件的两步热等静压近净成形工艺探究 黄 俊 薛鹏举 魏青松等Copyright©博看网. All Rights Reserved.拉伸数据显示,除了850℃/850℃工艺下拉伸性能与同规模T i 6A l 4V 铸件(拉伸强度为890M P a ,屈服强度825M P a)相当外,其他工艺下H I P 试件性能都优于同规模T i 6A l 4V 铸件,略微优于同规模T i 6A l 4V 锻件(拉伸强度为930M P a ,屈服强度为860M P a ),且两步H I P 法成形试件拉伸性能稍优于传统H I P 工艺制件的拉伸性能,使得零件性能在更加均一的前提下并未降低力学性能㊂2.2 组织形貌分析在扫描电子显微镜下观察不同工艺下A 区部分的微观组织形貌㊂3种工艺都是常规的均匀板条状α+β相组织,同样放大倍数下,850℃/850℃两步法成形组织最为细小,850℃/910℃两步法成形较为粗大,而常规H I P 工艺晶粒尺寸规模居中㊂从图9a ㊁图9b 中可以观察到主要由细小等轴晶组成的原始颗粒边界(pr i o r p a r t i c l e b o u n d a r y ,P P B ),而图9c 中原始颗粒边界基本消失㊂850℃/850℃工艺成形温度较低,粉末屈服强度较高,在压力挤压粉末互相剪切作用下粉末颗粒中板条状组织破碎球化,在保温保压驱动下,发生再结晶为细小等轴晶[15‐16],形成明显颗粒边界㊂910℃常规工艺下随着温度的提升晶粒长大,但是颗粒边界依旧存在㊂850℃/910℃工艺由于保温时间较长,晶粒随时间的增长粗大化,细小等轴晶长大到与板条状晶粒同等规模尺寸,颗粒边界消失,因此拉伸性能较好㊂(a )910℃(b )850℃/850℃(c )850℃/910℃图9 微观组织形貌2.3 断口形貌分析在扫描电子显微镜下观察上述不同工艺参数成形的拉伸试样的断口形貌,如图10所示,均可以观察到大量韧窝,表现出韧性断裂的特征,说明粉末颗粒间发生了冶金结合㊂910℃常规热等静压和工艺P 1(850℃,100M P a /850℃,120M P a )两步成形法成形的拉伸试样断口区域能观察到近球形的凹坑,其大小与原始的T i 6A l 4V 粉末相当,说明热等静压时粉末颗粒接触处因受温度和压力作用发生冶金结合区域的强度较差,在拉力作用下,裂纹在此处萌生,扩展并断裂失效㊂工艺P 2(850℃,100M P a /910℃,120M P a )两步成形拉伸断口未见近球形的凹坑,更高的成形温度下颗粒之间元素扩散更快,蠕变更充分,冶金结合更加牢固,不再是潜在的裂纹萌生点,因此拉伸强度高于前面两种工艺拉伸强度㊂(a )910℃(b )850℃/850℃(c )850℃/910℃图10 微观断口形貌2.4 两步法成形叶盘零件根据以上模拟结果和试验测试确定的两步H I P 法工艺参数(850℃,100M P a ,3h /910℃,120M P a ,3h ),使用T i 6A l 4V 粉末作为材料成形了叶盘零件,叶盘的设计形状和模具示意如图11a 所示㊂叶盘的形状比较复杂,尤其是在叶片部分,存在尖角和扭曲部分,粉末在控形模具内流动困难会导致叶片部位达不到理想的致密度,如图11b 模拟得出的初次H I P 后的相对致密度所示,形成缺陷影响使用寿命,需要进行工艺优化㊂因此,使用两步H I P 成形法在初次H I P 之后酸洗去掉控形型芯和模具,二次H I P 温度和压力直接作用于叶片部分使其达到致密,在保持形状的同时,性能达到均一㊂试验后切出叶片,在电子显微镜下观察叶片处组织,未见残余孔隙,达到致密,如图11c 所示㊂经少量机加工后实体零件如图11d 所示,阿基米德排水法测得叶盘致密度达到99.5%㊂剩余0.05%的致密度可能对应着少许的孔隙残留,在个别叶片部位或叶片和叶冠及轮㊃2452㊃中国机械工程第26卷第18期2015年9月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.毂的连接处(试验切割叶片并观察的S E M 图没有发现明显孔隙)也可能对应着排水法的测量误差㊂(a)设计图(b )初次H I P 模拟相对致密度分布(c)叶片微观组织(d)成形叶盘零件图11 叶盘零件3 结论(1)两步热等静压成形法成形高温合金零件可以在保证控形效果的基础上,使零件难以致密处达到致密,保证零件性能均一,提高使用寿命㊂(2)两步热等静压成形法的首次工艺参数可以根据不同材料特性,使用有限元模拟的方法确定,选择零件组织无连通孔隙状态下的最低的温度和压力数值;二次H I P 工艺参数根据成形试件力学性能测试结果确定,本文设计的叶盘零件在选定的工艺参数(850℃,100M P a /910℃,120M P a )下,形状和力学性能控制均较优㊂(3)两步成形法制件组织颗粒边界消失,断口形貌未见近球状凹坑,粉末冶金结合牢固㊂拉伸性能达到同规模锻件水平,稍微优于传统H I P 制件㊂参考文献:[1] 张义文.热等静压技术新进展[J ].粉末冶金工业,2009(4):32‐40.Z h a n g Y i w e n .R e s e a r c ha n d D e v e l o p m e n ti n P /M S u p e r a l l o y [J ].P o w d e r M e t a l l u r g y I n d u s t r y ,2009(4):32‐40.[2] B o c a n e g r a ‐b e r n a l M H.H o tI s o s t a t i c P r e s s i n g(H I P )T e c h n o l o g y a n dI t sA p p l i c a t i o n s t o M e t a l s a n d C e r a m i c s [J ].J o u r n a lo f M a t e r i a l s S c i e n c e,2004,39(21):6399‐6420.[3] L e y e n sC ,P e t e r s M.T i t a n i u ma n dT i t a n i u m A l l o ys [M ].W e i n h e i m :W i l e y‐V C H ,2005.[4] 赵永庆.高温钛合金研究[J ].钛工业进展,2001,1(1):33‐39.Z h a oY o n g q i n g .R e s e a r c ho nH i g hT e m p e r a t u r eT i -t a n i u m A l l o y s [J ].T i t a n i u m I n d u s t r y P r o gr e s s ,2001,1(1):33‐39.[5] 张晓伟.T i 6A l 4V 合金表面激光熔覆功能复合涂层研究进展[J ].稀有金属材料与工程,2012,41(1):178‐183.Z h a n g X i a o w e i .R e s e a r c h P r o g r e s s o f F u n c t i o n a l C o m p o s i t eC o a t i n g s o nT i 6A l 4V A l l o y S u r f a c eP r e -p a r e db y L a s e rC l a d d i n g T e c h n i qu e [J ].R a r e M e t a l M a t e r i a l s a n dE n g i n e e r i n g,2012,41(1):178‐183.[6] 刘国承,史玉升,魏青松,等.316L 粉末热等静压致密化过程数值模拟[J ].华中科技大学学报(自然科学版),2011,39(10):23‐27.L i uG u o c h e n g ,S h iY u s h e n g ,W e iQ i n g s o n g ,e ta l .N u m e r i c a lS i m u l a t i o no ft h eD e n s i f i c a t i o no f316LP o w d e r d u r i n g H o t I s o s t a t i cP r e s s i n g[J ].J o u r n a l o f H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ),2011,39(10):23‐27.[7] Z h a n g K ,M e i J ,W a i nN ,e t a l .E f f e c t o fH o t ‐i s o s t a t -i c ‐p r e s s i n g P a r a m e t e r so nt h e M i c r o s t r u c t u r ea n d P r o p e r t i e s o fP o w d e rT i ‐6A l ‐4V H o t ‐i s o s t a t i c a l l y‐p r e s s e dS a m p l e s [J ].M e t a l l u r gi c a la n d M a t e r i a l s T r a n s a c t i o n sA ,2010(4):1033‐1045.[8] 崔忠圻,覃耀春.金属与热处理[M ].2版.北京:机械工业出版社,2007.[9] D a sS ,W o h l e r t M ,B e a m a nJJ ,e t a l .P r o c e s s i n g of T i t a n i u m N e tS h a p e sb y SL S /H I P [J ].M a t e r i a l s a n dD e s i gn ,1999,20:115‐121.[10] Y u a n W X ,M e iJ ,S a m a r o v V ,e ta l .C o m pu t e r M o d e l l i n g a n d T o o l i n g D e s i gn f o r N e a r N e t S h a p e dC o m p o n e n t sU s i n g H o t I s o s t a t i cP r e s s i n g [J ].J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,2007,182(1/3):39‐49.[11] S h i m aS ,O y a n e M.P l a s t i c i t y T h e o r y fo rP o r o u s M e t a l s [J ].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f M e c h a n i c a lS c i e n c e s ,1976,18(6):285‐291.[12] S a n c h e zL ,O u e d r a o goE ,F e d e r z o n iL ,e ta l .N e w V i s c o pl a s t i c M o d e l t o S i m u l a t e H o t I s o s t a t i c P r e s s i n g [J ].P o w d e r M e t a l l u r g y,2002,45(4):329‐334.[13] H u aL ,Q i nX ,M a o H ,e ta l .P l a s t i cD e f o r m a t i o na n d Y i e l d C r i t e r i o n f o r C o m p r e s s ib l e S i n t e r e d P o w d e r M a t e r i a l s [J ].J o u r n a lo f M a t e r i a l sP r o -c e s s i n g T e c h n o l o g y ,2006,180(1):174‐178.[14] 陆恒,魏青松,薛鹏举,等.I n c o n e l 625粉末盘热等静压近净成形过程模拟与验证[J ].中国机械工程,2013,24(19):2675‐2680.L u H e n g ,W e iQ i n g s o n g ,X u eP e n g j u n ,e ta l .N u -m e r i c a l S i m u l a t i o na n dV e r i f i c a t i o no fN e a r ‐n e t ‐㊃3452㊃T i 6A l 4V 合金整体零件的两步热等静压近净成形工艺探究黄 俊 薛鹏举 魏青松等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.s h a p i n g I n c o n e l 625P o w d e r D i s k u n d e r H o tI s o -s t a t i cP r e s s i n g [J ].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2013,24(19):2675‐2680.[15] 王学滨.基于实测剪切应力及局部应变的T i ‐6A l ‐4V 绝热剪切带的峰值温度估算[J ].材料与工程,2013,42(2):320‐324.W a n g X u e b i n g .A n A s s e s s m e n to f t h eP e a kT e m -pe r a t u r e i n t h eA d i a b a t i cS h e a rB a n do fT i ‐6A l ‐4V B a s e d o nt h e M e a s u r e d S h e a r S t r e s sa n d L o c a lS t r a i n [J ].R a r e M e t a lM a t e r i a l sa n dE n g i n e e r i n g,2013,42(2):320‐324.[16] S t e f a n s s o nN ,S e m i a t i nSL .M e c h a n i s m s o fG l o b u -l a r i z a t i o no fT i ‐6A l ‐4V d u r i n g St a t i c H e a tT r e a t m e n t .M a t e r .T r a n s .A ,2002,34:691‐698.(编辑 袁兴玲)作者简介:黄 俊,男,1990年生㊂华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室硕士研究生㊂研究方向为热等静压近净成形㊂薛鹏举,男,1973年生㊂华中科技大学材料科学与工程学院博士㊂魏青松,男,1975年生㊂华中科技大学材料科学与工程学院副教授㊁博士研究生导师㊂史玉升,男,1962年生㊂华中科技大学材料科学与工程学院教授㊁博士研究生导师㊂考虑焊点不确定性的车身点焊结构疲劳寿命优化刘志成1 姜 潮1 李 源2 白影春11.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,4100822.国防科学技术大学,长沙,410082摘要:基于区间优化的方法,构建了考虑焊点不确定性的T S ㊁MT S 两种点焊结构的疲劳寿命不确定性优化模型㊂采用修正的M a n s o n ‐C o f f i n 公式作为点焊结构的疲劳寿命计算公式,同时考虑工艺中焊枪落点的不确定性,将焊点的位置坐标作为区间变量,通过对焊点坐标进行区间优化,获得结构疲劳寿命最大时的焊点坐标㊂给出了相应标准焊接结构试样疲劳寿命的上下界,为工程实际中点焊结构的疲劳寿命极限的分析及最优设计提供了计算工具㊂关键词:点焊结构;焊点不确定性;结构疲劳寿命;区间优化中图分类号:U 463.82 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.18.024F a t i g u e L i f eO p t i m i z a t i o n f o r S p o t ‐W e l d e d S t r u c t u r e s o f V e h i c l e B o d y C o n s i d e r i n g U n c e r t a i n t y o fW e l d i n g S po t s L i uZ h i c h e n g 1 J i a n g C h a o 1 L iY u a n 2 B a iY i n gc h u n 11.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e dD e s i g na n d M a n u f a c t u r i n g f o rV e h i c l eB o d y,H u n a nU n i v e r s i t y ,C h a n gs h a ,4100822.N a t i o n a lU n i v e r s i t y o fD e f e n s eT e c h n o l o g y ,C h a n gs h a ,410082A b s t r a c t :F a t i g u e l i f e i n t e r v a l o p t i m i z a t i o na n a l y s i sm o d e lw i t ht w ot y p e so fw e l d e ds t r u c t u r e s :t e n s i l e ‐s h e a r (T S )a n dm o d i f i e d t e n s i l e s h e a r (MT S )s p o tw e l d e d jo i n t sw o u l db e c o n s t r u c t e db a s e do n i n t e r v a l o p t i m i z a t i o nm e t h o d ,c o n s i d e r i n g u n c e r t a i n t y o f t h ew e l d i n g s p o t s .U s i n gt h em o d i f i e dM a n s o n ‐C o f f i n f o r m u l a a s f a t i g u e l i f e c a l c u l a t i o nm e t h o d o f s p o tw e l d e d s t r u c t u r e s ,t a k i n g co n s i d e r a t i o n o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s t h a t t h e u n c e r t a i n t y o fw e l d i n g t o r c h p l a c e m e n t d u r i n g th e p r o c e s s ,t h e p o s i t i o n s o f t h e w e l d i n g s p o t sw e r e t r e a t e d a s i n t e r v a l v a r i a b l e s .B y i n t e r v a l o p t i m i z a t i o n o f w e l d i n g s p o t c o o r d i n a t e s ,m a x -i m u mf a t i g u e l i f e a n db e s tw e l d i n g s p o t c o o r d i n a t e s o f t h e t w o t y pe s o fw e l d e d s t r u c t u r e s c o u l db e o b t a i n e d .F u r t h e rm o r e ,c o r r e s p o n d i n g u p p e r a n d l o w e rf a t ig u e l i f eb o u n d so f th es t a n d a r ds a m pl ew e l d e ds t r u c t u r e s w e r e a l s o d e m o n s t r a t e d .Ac o m p u t i n g t o o l w i t h f u n c t i o n o f a n a l y s i s a n d o p t i m a l d e s i g n o f t h e f a t i gu e l i f ew a s p r o v i d e d ,w h i c h c o u l db e a p p l i e d o n s p o tw e l d e d s t r u c t u r e s i n e n g i n e e r i n g pr a c t i c e s .K e y wo r d s :s p o tw e l d e d s t r u c t u r e ;u n c e r t a i n t y o fw e l d i n g s p o t ;s t r u c t u r e f a t i g u e l i f e ;i n t e r v a l o p t i m i z a t i o n 0 引言点焊工艺被广泛应用于白车身㊁工程机械㊁发收稿日期:20140630基金项目:国家自然科学基金资助项目(11172096);国家自然科学优秀青年基金资助项目(51222502);全国优秀博士论文专项基金资助项目(201235);湖南省杰出青年基金资助项目(14J J 1016)动机外壳㊁电子元件等结构的连接中[1‐2],焊点位置的分布方式对点焊结构的强度以及疲劳寿命有着重要影响㊂随着车身轻量化设计要求的不断提高,车身材料逐渐被厚度薄㊁强度高的高强钢所替代㊂目前,关于点焊结构的疲劳强度的分析主要针对点焊工艺参数如点焊接头的强度㊁点焊接头的电流大小等方面进行考虑,而对点焊结构疲劳㊃4452㊃中国机械工程第26卷第18期2015年9月下半月Copyright ©博看网. 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《钛合金Ti-6A1-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究》
《钛合金Ti-6A1-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究》篇一钛合金Ti-6Al-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究一、引言随着制造业的飞速发展，高速铣削技术已成为现代机械加工领域的重要技术之一。
钛合金Ti-6Al-4V（以下简称Ti-6-4合金）因其具有高强度、耐腐蚀和轻量化等特性，广泛应用于航空、医疗、船舶等众多领域。
然而，由于其材料加工过程中的特殊性质和工艺需求，本构模型作为连接材料物理特性和工艺参数之间的桥梁，显得尤为重要。
本研究致力于将修正后的本构模型应用于高速铣削过程中，以期优化加工性能和提高生产效率。
二、钛合金Ti-6Al-4V的物理特性及本构模型修正钛合金Ti-6Al-4V具有优异的力学性能和良好的加工性能。
然而，其加工过程中往往伴随着高硬度和低导热率等特性，使得传统本构模型难以准确描述其加工行为。
因此，本部分首先介绍了Ti-6-4合金的物理特性及其在高速铣削中的重要性。
随后，针对传统本构模型的不足，提出了修正本构模型的必要性，并详细阐述了修正本构模型的构建过程和关键参数的确定方法。
三、修正本构模型在高速铣削中的应用本部分首先分析了高速铣削过程中，修正本构模型如何通过优化工艺参数、预测切削力和温度变化等，以提高加工质量和生产效率。
在此基础上，我们利用实验手段，对比了应用修正本构模型前后的加工效果。
实验结果表明，应用修正本构模型后，切削力更为均匀，切削温度得到有效控制，从而提高了加工表面的质量和精度。
此外，我们还通过仿真模拟手段，进一步验证了修正本构模型在高速铣削过程中的有效性和优越性。
四、结果与讨论通过对实验结果和仿真数据的分析，我们发现修正后的本构模型在高速铣削过程中具有显著的优越性。
首先，它能够更准确地描述Ti-6-4合金的加工行为，为优化工艺参数提供了有力支持。
其次，通过预测切削力和温度变化，有效控制了加工过程中的热损伤和变形，提高了加工表面的质量和精度。
最后，通过仿真模拟手段，我们进一步验证了修正本构模型在提高生产效率方面的潜力。
硬质合金刀具切削ti6al4v的磨损机理及特征
硬质合金刀具切削ti6al4v的磨损机理及特征下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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不同刀具材料高速车削钛合金的性能研究_李友生
第31卷 第15期2009年8月武 汉 理 工 大 学 学 报J OURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l .31 N o .15 A ug .2009DOI :10.3963/j .issn .1671-4431.2009.15.009不同刀具材料高速车削钛合金的性能研究李友生,邓建新,李甜甜,李剑锋(山东大学机械工程学院,济南250061)摘 要: 使用硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具和CBN 刀具在相同切削参数下进行钛合金(T i -6A l -4V )的高速车削实验。
实验表明:CBN 刀具使用寿命最长,其次是硬质合金涂层刀具;切削加工过程中,CBN 刀具的切削力比较稳定,硬质合金刀具和涂层刀具的切削力随着不断切削而迅速增大,切削过程中,涂层刀具的切削力比硬质合金刀具的切削力小;3种刀具的前刀面磨损形式均不同于常规月牙洼磨损,而是切削刃处磨损最大的斜面磨损,3种刀具材料的磨损机理都有磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损,其中在硬质合金刀具和涂层刀具的磨损边缘区还发生氧化磨损。
关键词: 刀具材料; 钛合金; 刀具寿命; 磨损机理中图分类号: T G 501文献标识码: A 文章编号:1671-4431(2009)15-0029-04Performance of Different Cutting Tool Materials in High -speedTurning Titanium AlloysLI You -sheng ,DENG Jian -x in ,LI Tian -tian ,LI J ian -feng(School of M echanical Engineering ,Shandong U niversity ,Ji 'nan 250061,China )Abstract : Straig ht cemented carbide tool ,coated carbide too l and CBN cutting tool were used to high -speed turn titanium alloys (T i -6Al -4V )in the same cutting parameters .T he results of trial were analyzed ,and it is found that the cutting life of CBN too l is lo ngest ,and the second one is coa ted carbide tool .During the process of machining ,the cutting forces of CBN tool are very stable ,as to straight cemented carbide tool and coated carbide tool ,their cutting forces increase rapidly ,and the cutting forces of coated carbide tool are smaller than that of cemented carbide too l during machining process .T he wear forms o f rake face of all cutting tool materials is not crater wear ,but slope plane wear with the maximum w ear at the cutting edge ,and the wear mechanism o f three kinds of too l materials includes abrasive w ear ,adhesio n wear and diffusion ,meanwhile o xidation wear is found at the wear edge of cemented carbide tool and coated carbide tool .Key words : tool ma terial ; titanium alloys ; cutting life ; wear mechanism收稿日期:2009-03-22.基金项目:国家自然科学基金(50675120)和教育部博士点基金(20070422012).作者简介:李友生(1981-),男,博士生.E -mail :lys @mail .sdu .edu .cn钛合金具有比强度高、热强度高、抗腐蚀性好等优良特性[1-2],在航天、航空等领域越来越受到青睐,它已经被广泛应用于军事和民用领域。
硬质合金刀具高速干车削Ti6Al4V切削力及刀具寿命研究
硬质合金刀具高速干车削Ti6Al4V切削力及刀具寿命研究王晓琴;艾兴;赵军;李甜甜
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2008(000)004
【摘要】主要对硬质合金刀具在较高的速度范围内干车削Ti6Al4V进行了正交试验,获得了干切削状态下切削力与刀具寿命的经验公式,分析了切削力、刀具磨损与切削路程-试验时间的关系,同时研究了刀具的磨损形态和磨损机理,粘结、扩散、氧化是硬质合金刀具的主要磨损机理.最后,通过对刀具寿命-切削效率的分析,给出了硬质合金刀具在干切削状态下合理的切削参数.
【总页数】4页(P36-39)
【作者】王晓琴;艾兴;赵军;李甜甜
【作者单位】济南大学机械工程学院,山东,济南,250022;山东大学机械工程学院,山东,济南,250061;山东大学机械工程学院,山东,济南,250061;山东大学机械工程学院,山东,济南,250061;山东大学机械工程学院,山东,济南,250061
【正文语种】中文
【中图分类】TG5
【相关文献】
1.硬质合金刀具车削Ti6Al4V钛合金试验研究 [J], 杜国臣
2.硬质合金刀具高速干铣削Ti6Al4V刀具寿命研究及切削参数优化 [J], 王晓琴;艾兴;赵军;郭培全
3.硬质合金刀具车削Ti6Al4V切削力及刀具磨损研究 [J], 王晓琴;艾兴;赵军;李甜甜
4.高速车削钛合金时硬质合金刀具和涂层刀具的寿命分析 [J], 李友生;吴冲浒;陈荣德
5.硬质合金刀具铣削Ti6Al4V时刀具磨损及切削力研究 [J], 王晓琴;艾兴;赵军;李甜甜
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《钛及钛合金Ti6A14V双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗的研究》
《钛及钛合金Ti6A14V双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗的研究》篇一一、引言钛及钛合金因其优良的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性，在航空、医疗、化工等领域得到了广泛应用。
Ti6A14V作为钛合金中的一种，其性能的优化和改进一直是研究的热点。
其中，表面处理技术对于提高钛合金的耐磨性、耐腐蚀性和硬度具有重要意义。
双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗作为一种新兴的表面处理技术，因其无污染、低能耗和良好的处理效果，在钛及钛合金的表面处理中得到了广泛的应用。
本文将就Ti6A14V钛合金的双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗技术展开研究。
二、Ti6A14V钛合金的基本性质及表面处理的重要性Ti6A14V钛合金是一种α+β型钛合金，具有优良的机械性能和生物相容性。
然而，其表面硬度较低，耐磨性和耐腐蚀性有待提高。
因此，对Ti6A14V进行表面处理，以提高其性能，对于扩大其应用领域具有重要意义。
三、双层辉光离子无氢渗碳技术双层辉光离子无氢渗碳技术是一种物理气相沉积技术，通过在真空环境中，利用辉光放电将碳源物质分解并渗入材料表面，形成一层碳化物膜。
该技术具有无氢、无污染、低能耗、易于控制等优点。
在Ti6A14V的表面处理中，该技术可以提高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
四、双层辉光离子无氢碳氮共渗技术双层辉光离子无氢碳氮共渗技术是在无氢渗碳技术的基础上，进一步引入氮元素，通过控制碳氮的比例和分布，形成碳氮共渗层。
该技术可以进一步提高Ti6A14V的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性，同时还可以改善材料的摩擦学性能和生物相容性。
五、实验研究本文通过实验研究了双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗技术在Ti6A14V钛合金表面的处理效果。
首先，通过制备不同比例的碳源和氮源，优化了处理工艺参数。
然后，通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等手段，对处理后的表面形貌、相组成和硬度进行了分析。
最后，通过摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验，评估了处理后材料的耐磨性和耐腐蚀性。
《钛及钛合金Ti6A14V双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗的研究》
《钛及钛合金Ti6A14V双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗的研究》篇一一、引言钛及其合金因其卓越的物理和化学性能，如高强度、轻质、耐腐蚀等，在航空、医疗、海洋工程等多个领域中有着广泛的应用。
然而，其表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性在某些应用场合中仍需进一步增强。
为了解决这一问题，针对钛及钛合金Ti6A14V 进行表面强化处理的技术手段尤为重要。
本文重点探讨一种双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗的表面处理技术，该技术的核心目标是在保证钛基材料原有的优异性能基础上，进一步提高其表面的物理化学性质。
二、钛及钛合金Ti6A14V的特点及需求分析钛合金Ti6A14V是一种常见的钛合金，具有优良的力学性能和良好的加工性能。
然而，其表面硬度相对较低，耐磨性和耐腐蚀性有待提高。
因此，对其进行表面强化处理是必要的。
三、双层辉光离子无氢渗碳技术双层辉光离子无氢渗碳技术是一种新型的表面处理技术，其核心原理是在无氢环境下，通过双层辉光放电，使碳原子渗入材料表面，从而形成一层致密的碳化物层。
这种技术具有处理温度低、处理时间短、无污染等优点。
四、无氢碳氮共渗技术无氢碳氮共渗技术是在无氢渗碳技术的基础上，进一步引入氮元素，使碳氮元素共同渗入材料表面，形成碳氮化合物层。
这种技术可以进一步提高材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
五、钛及钛合金Ti6A14V的双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗处理针对钛及钛合金Ti6A14V，采用双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗技术进行处理，可以有效地提高其表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
处理过程中，通过控制辉光放电的参数，如放电电压、放电电流、处理时间等，可以调控渗碳和碳氮共渗的深度和厚度。
六、实验结果与分析通过实验，我们发现采用双层辉光离子无氢渗碳及无氢碳氮共渗技术处理的钛及钛合金Ti6A14V表面形成了致密的碳化物层和碳氮化合物层。
这些化合物层的存在显著提高了材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
同时，我们还发现处理过程中辉光放电的参数对渗碳和碳氮共渗的深度和厚度有着重要的影响。
无涂层硬质合金刀具车削钛合金Ti-6Al-4V实验研究
关键词 ： 钛合金 Ｔ－ Ａ－ Ｖ ｉ６ Ｉ４ ；正交实验 ；回归分析 ；切削力；表面粗糙度 中图分类号：Ｔ ５ １ Ｇ０ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ９ １ ４ ２ ０ ） ９ ０ ７ ０ １ ０ －０ （ ０ ７０ —０ ０ － ５ ０ ３
Ｅ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌ ｔ ｄ ｈ ｅ ｆ ｍ ａ ｃ ｆＭＲ ｃ ｔ ｄ ｃ ｂ ｄ ｏ ｓ ｗ ｈ ｎ ｘｐ ｒｍ ｎ ａ ｕ ｙ ｏｎ ｔ ｅ ｐ ｒ ｏｒ ｎ ｅ ｏ － ｏａ ｅ ａｒ ｉ ｅ ｔ ｏｌ ｅ ｓ
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无涂层硬质合金 刀具车 削钛合 金 Ｔ一Ａ１ Ｖ实验研究 ｉ — ６ ４
刘 东 ，陈 五 一
（ 京航 空航 天大学 机械工程及 自动化学院 ，北京 １ ０ ８ ） 北 ０ ０ ３
摘 要 钛合金是航空航天工业中应用广泛的一种难加工材料。 本文研究了无涂层硬质合金刀具干切削
Ａ ｔ ｎ ｕｉ ， ｅ ｉｇ １ ０ ８ ， ｉａ ｓｒ ａ ｔ ｓ Ｂ ｉｎ ０ ３ Ｃｈ ） ｏ ｃ ｊ ０ ｎ
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硬质合金刀具和涂层刀具车削加工Ti_6Al_4V的性能研究
硬质合金刀具和涂层刀具车削加工Ti-6Al-4V 的性能研究冯鸿钦（闽西职业技术学院福建龙岩364021）摘要：采用硬质合金刀具和硬质合金涂层刀具在低速和高速两种切削状态下进行Ti-6Al-4V的车削对比试验，通过对两种刀具的刀具寿命和刀具的磨损形貌进行观察分析，研究硬质合金刀具和涂层刀具在不同切削状态下的切削性能。
关键词：刀具材料；Ti-6Al-4V ；刀具寿命；磨损机理中图分类号：TG71文献标识码：A文章编号：1673－4629(2010)02－0029－03收稿日期：2009-12-21作者简介：冯鸿钦，男，福建龙岩人，高级讲师，主要研究方向：机械制造工艺。
龙岩学院学报JOURNAL OF LONGYAN UNIVERSITY2010年4月第28卷第2期April 2010Vol．28No．21引言Ti-6Al-4V 是典型α+β钛合金，具有比强度高、热强度高、抗腐蚀性好等优良特性[1,2]，在航天、汽车、化工、体育等领域获得广泛的应用。
但同时它本身还具有导热系数小、高温化学活性大、弹性模量低、与其它金属材料摩擦系数大等特性，使得Ti-6Al-4V 材料又是一种典型的难加工材料[3,4]。
在实际生产应用中，钛合金的切削加工通常都在低速、低效和使用大量冷却液的条件下进行。
如何高速、高效、绿色切削加工钛合金已成为当前加工领域研究的热点和难点。
目前普遍认为在切削加工钛合金时，当切削速度大于60m/min 即为高速切削[5]。
国内外许多学者对钛合金材料的高速切削加工进行了研究探讨。
本文中，作者采用硬质合金刀具和硬质合金涂层刀具在低速和高速两种切削状态下进行Ti-6Al-4V 的车削对比试验，通过对两种刀具的刀具使用寿命和刀具的磨损形貌进行观察分析，从而研究硬质合金刀具和涂层刀具在不同切削状态下的切削性能。
2实验方案在C6140车床上使用型号均为SNMG120408MS的硬质合金刀具和硬质合金涂层刀具，配合型号为DSSNR2020K12KC04的刀杆进行干车削加工钛合金棒料试验。
钛合金Ti6A14V铣削有限元仿真分析
结 果 的 准确 性 具 有 至 关 重 要 的影 响作 用 ，为 此 建
立 了 更接 近 实 际 的铣 刀 结构 模 型 以及 三 维 铣 削 模 型 。 由于 钛 合 金 的铣 削 伴 随 着 大 的变 形 及 应 变 ， 在 加 工 过 程 中涉 及 高 温 、高 应变 速 率 耦 合 的大 变 形 和 断裂 ，为 此 在 进 行 网格 划 分 时 ，刀 具 和 工 件
２ 材料失效模型
在铣 削加 工 过 程 中 ，切 屑 的形 状 发 生 较 大 的 变 形 ， 应 力与 时 间 的 并 不 是单 值 关 系 ，为 此 切 屑
的 分 离 采 用 基 于 单 元 积 分 点 的 等 效 塑 性 应 变 准
收稿 日期：２ ０ １ ３ － ０ ７ － ２ ５ 基金项 目：中航产学研创新基金项 目 （ Ｃ ＸＹ２ ０ １ ０ Ｓ Ｈ２ ９ ） 作者简介：王 明海 （ １ ９ ７ １ 一），男，黑龙江人 ，教授，博士后，研究方向为精 密高效数控加 工技 术。 【 ４ ２ 】 第３ ５ 卷 第１ １ 期 ２ ０ １ ３ — １ １ （ 下）
ｌ
匐 化
钛合金Ｔ ｉ ６ Ａ１ ４ Ｖ 铣 削有 限元仿真分析
Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ａｎａｌ ｙｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎｇ ｔ ｉ ｔ ａｎｉ ｕｍ ａｌ ｌ ｏ ｙ Ｔｉ ６Ａ Ｉ ４Ｖ
王明海 ，王 京 刚 ，郑 耀辉 ，李世 永 ，高 蕾
０ 引言
钛 合 金 材 料 以 比强 度 高 、 耐 高温 、 耐 腐 蚀 等 优 异 特 性 ， 在 航 空 和 航 天 等 领 域 得 到 了 广 泛 应 用 ，但 由于化 学 活性 大 、导 热 系数 小 等 特 点 致使 钛 合 金 的切 削加 工 性 较 差 、切 削 温 度 较 高 。 在切 削 加 工 过程 中 ，切 屑 的形 成 及 切 削 温 度 的 高 低均 对 刀 具 的使 用 寿 命 和 工 件 的 表 面 加 工 质量 有 着重
硬质合金刀具铣削Ti6Al4V时刀具磨损及切削力研究
磨 损及 寿命 有 至关 重 要 的影 响 。因 此 ， 用 切 削力 在 利 切削 过程 中 的变 化 来 辅 助 分 析 刀 具 的 磨 损 规 律 及 机
理 ， 而 找 出力 、 度 、 削 方 式与 刀具 磨 损 之 间 的关 从 温 切
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工艺与检测 ｎｇａ Ｔ ０ｙｎ 酬 １ ｄ ０
硬 质 合 金 刀 具 铣 削 Ｔ６ ４ 时刀 具 磨 损 及 切 削 力研 究 ｉＡＩＶ
王 晓 琴① 艾 兴① 赵 军① 李 甜 甜 ① ②
（ 山东 大 学机械 工程 学 院 ， ① 山东 济 南 ２０６ ； 济南 大学机 械 工程 学院 ， ５０ １② 山东 济 南 ２０２ ） ５０２ 摘 要： 对硬 质 合金 刀具在 干切 削 状态 下 铣 削 Ｔ６ ＩＶ 磨 损 机 理和 切 削 力进 行 了试 验 研 究 ， 削 速 度分 别 ｉＡ４ 切
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ：Ｄｒ ｌ ｎ ｅ ｔｆ ｒｗｅ ｒｍｅ ｈ ｎｉｍ ｎ ｕｔ ｎ ｏ ｃ ｔ ｕｎ ｓｅ ａ ｂ ｄ ｏ ｌｈ ｖ ｅ ｏ ｅ ａ ｕｔ ｙ ｍｉ ｉ ｇ ｔ ｓ ｏ ａ ｃ ａ ｓ ａ ｄ ｃ ｔ ｇ ｆ ｒ ｅ ｗｉｈ ｔ ｇ ｔ ｎ ｃ ｒ ｉ ｅ ｔｏ ａ ｅ ｂｅ ｎ ｄ ｎ ｔｃ － ｌ ｉ ｔ ｐ ｅ ｉ ｓ ｅ ｄ ４０，８ ｎｇ Ｏ，１ ０，１ ０ｍ／ｍｉ ２ ６ ｎ，ｔ ｅ ｒ ｌｔｏ ｓ ｉ ｅｗｅ ｎ ｃ ｔｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ａ ｄ ｃ ｔｉ ｇ ｓ ｅ ｄ，ｃ ｔｉ ｈ ｅ ａｉ ｎ ｈ ｐ ｂ ｔ ｅ ｕ ｔｎ ｏ ｃ ｎ ｕ ｔｎ ｐ ｅ ｕｔ ｎｇ ｄ ｓａ ｃ ｓａ ａｙ ｅ Ｔ ｏ ｌｗｅ ｒａ ｄ ｗｅ ｒｍｅ ｈ ｎ ｃ ｒ ｎ ｅ ｔ ａｅ ｉｔｎ ｅ ｗａ ｎ ｌ ｚ ｄ． ｈｅ ｔｏ ａ ｎ ａ ｃ ａ ｉｓｗｅ ｅ ｉ ｖ ｓｉ ｔ ｄ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ｔｂ ｎ － ｇ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈａ ｏ ｄ ｉ ｇ ａ ｄ ｄ ｆ ｉｇ ａ ｅ ｔ ｅ ｍａｎ ｗｅ ｒｍｅ ｈ ｎ ｓ ｆｃ ｒ ｉ ｅ ｃ ｔ ｎｇ ｔｏ ｓ ｎ ｎ ｉｆ ｎ ｒ ｈ ｉ ａ ｃ ａ ｉｍｓ ｏ ａ ｂ ｄ ｕ ｔ ｏ ｌ． ｕｓ ｉ Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｒ ｓ：Ｔｉ ４Ｖ ；Ｃｕｔ ｎ ｐｅ ｄ；Ｃｕｔｎ ｏ ｃ ６ＡＩ ｔ ｇＳ ｅ ｉ ｔ ｇ Ｆ ｒ ｅ；Ｔｏ ｌＷ ｅ ｒ ｉ ｏ ａ ；Ｗ ｅ ｒ Ｍｅ ｈ ｎｉｍ ａ ｃ ａ ｓ
AlCrSiN涂层刀具干车削Ti-6Al-4V钛合金的切削性能研究
doi: 10.12052/gdutxb.200110AlCrSiN涂层刀具干车削Ti-6Al-4V钛合金的切削性能研究刘杰1,2，朱水生1，肖晓兰1，邓欣1（1. 广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006；2. 广州番禺职业技术学院 智能制造学院，广东 广州 511483）摘要: 使用未涂层的和AlCrSiN涂层的硬质合金车刀片以3种切削速度干式车削Ti-6Al-4V钛合金。
研究发现AlCrSiN涂层刀片的切削寿命在各切削速度下都超过无涂层刀片, 而切削力、切削温度和工件表面粗糙度3项指标均低于无涂层刀具, 说明AlCrSiN涂层能够有效地保护基体从而维持刀具的锋利度。
2种刀具在切削过程中均出现切削力先上升后下降的现象, 这与二者高温下产生的润滑氧化物有关。
切削温度和工件粗糙度都与后刀面磨损量有正相关关系, 即随着后刀面磨损量的增加, 温度和粗糙度都随之增加, 但温度的增加还与前刀面第一变形区塑性变形增大, 热量增加有关。
另外, 2种刀具产生的切屑尺寸、颜色、锯齿频率也证明了AlCrSiN涂层刀具磨损较慢，切削温度较低。
关键词: AlCrSiN涂层；Ti-6Al-4V；切削力；切削温度；粗糙度；刀具磨损中图分类号: TG712 文献标志码: A 文章编号: 1007–7162(2021)02–0099–08Cutting Performance of AlCrSiN Coated Tool in DryTurning Ti-6Al-4V Titanium AlloyLiu Jie1,2, Zhu Shui-sheng1, Xiao Xiao-lan1, Deng Xin1(1. School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. School ofIntelligent Manufacturing, Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China) Abstract: Ti-6Al-4V titanium alloy was dry turned by uncoated and AlCrSiN coated carbide inserts at three cutting speeds. It was found that the cutting life of AlCrSiN coated inserts exceeds uncoated inserts at all three cutting speeds and meanwhile the three values of cutting force, cutting temperature and workpiece surface roughness are lower than that of uncoated tools, which shows that AlCrSiN coating can effectively protect the substrate and maintain the sharpness of the tool. During the cutting process, the cutting force of both tools increased first and then decreased, which is related to the lubricating oxides produced by the two tools at high temperatures. Both cutting temperature and workpiece roughness have a positive correlation with the wear of the flank, that is, as the wear of the flank increases, the temperature and roughness increase accordingly, and incidentally, the increase in temperature is also related to the increase in plastic deformation and heat in the first deformation zone of the rake face. In addition, the chip size, color, and sawtooth frequency produced by the two tools also prove that the AlCrSiN coated tool has lower wear rate and cutting temperature than the uncoated tool.Key words: AlCrSiN coating; Ti-6Al-4V; cutting force; cutting temperature; roughness; tool wear钛合金是公认的难加工材料，由于其低热导率、低弹性模量以及高强度、高化学活性使得刀具经受高温氧化、扩散、粘结、高回弹等一系列的考验，带来刀具寿命短、加工效率低以及工件的表面质量差等一系列问题[1]。
球头铣刀微切削Ti6Al4V合金仿真与试验研究
量对加工表面存在不同程度的切屑粘连现象，每齿进给量越大，其切屑粘连现象越严重。
关键词：微铣削；球头铣刀；切削温度;Deform-3D
中图分类号:TH162；TG506
文献标识码:A
Simulation and Experimeetal Study on Micro-dutting of Ti6A14V by Ball End MXling ZHANG Xin-qi1%2 %DONG Zhi-guo1%2 ,LIU Pei-lin1%2 %ZHU Xu-hul2
[X (+(” < 滑动区域)
，=< ,
(4)
I T ( ++” (粘结区域)
其中，+为摩擦系数;(”为接触区域法向压应力；，'为 剪切极限应力。
1.4材料失效准则
切削过程的有限元模拟的关键点与切屑的形成和 分离有关。在仿真分析过程中采用默认准则，当刀-屑 接触点应力大于0.1 MPa时切屑分离。在金属塑性变
较小，切屑层的温度在60'附近（图3a）。随着每齿 进给量的增大，接触面积也在增大，由于切削温度逐渐
本文利用Deform-D软件建立球头刀微铳削三维 有限元模型，通过考虑微观切削效应的应变梯度理论 来研究不同每齿进给量下加工TC4钛合金的铳削力 变化趋势以及不同时间下工件温度的变化规律，并通 过搭建微铳削试验平台验证模型的可行性，最后利用 超景深显微镜观察加工后工件表面的质量 ，进一步分 析影响加工表面质量的因素&
0 引言
钛合金由于比强度高、耐腐蚀性好及耐高温等优 良的性能,在航空发动机的曲面零件制造中应用十分 广泛。高效、精密且高性能的钛合金加工技术成为了 航空航天制造业的关键,而曲面常常作为零件关键的 部分,对其尺寸精度和表面粗糙度有很高的要求［1-2］ & 而球头铳刀在加工复杂曲面时具有突出优势 ,可以抑 制毛刺的产生从而达到很高的加工精度以及很小的表 面粗糙度⑶&由于钛合金弹性模量低，已加工表面容 易产生回弹，特别是曲面薄壁零件的加工回弹更为严 重,易引起后刀面与已加工表面产生强烈摩擦,从而影 响零件精度⑷&另一方面，钛合金导热系数小，球头微 铳刀加工时切削深度和进给量都很小,单位切削面积 上的切削力较大，会直接影响切削热的产生、刀具磨
《钛合金Ti-6A1-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究》范文
《钛合金Ti-6A1-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究》篇一钛合金Ti-6Al-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究一、引言钛合金Ti-6Al-4V因其出色的机械性能和耐腐蚀性，在航空、医疗和汽车制造等领域得到了广泛应用。
然而，由于钛合金的加工特性复杂，其高速铣削过程中的材料去除机制和切削力控制一直是研究的热点。
本构模型作为描述材料性能和加工过程的重要工具，其修正与优化对于提高加工效率和精度具有重要意义。
本文旨在研究钛合金Ti-6Al-4V修正本构模型在高速铣削中的应用，以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、钛合金Ti-6Al-4V的修正本构模型本构模型是描述材料在应力、应变等条件下的响应特性的数学模型。
针对钛合金Ti-6Al-4V，传统的本构模型在某些方面可能存在不足，如对材料在高应变率、高温度条件下的响应特性描述不够准确。
因此，需要对其修正，以提高模型精度和适用性。
在本研究中，通过对钛合金Ti-6Al-4V的高速铣削实验数据进行深入研究，结合材料的热力学性质和力学性质，建立了修正的本构模型。
该模型能够更准确地描述钛合金在高应变率、高温度条件下的材料去除机制和切削力变化。
三、修正本构模型在高速铣削中的应用1. 材料去除机制分析：通过修正本构模型，可以更准确地分析钛合金Ti-6Al-4V在高速铣削过程中的材料去除机制。
这有助于理解切削过程中的应力、应变和温度对材料性能的影响，为优化切削参数提供依据。
2. 切削力控制：修正本构模型可以用于预测和控制高速铣削过程中的切削力。
通过调整切削参数，如切削速度、进给量和切削深度等，可以实现对切削力的有效控制，从而提高加工效率和精度。
3. 工艺优化：基于修正本构模型，可以对钛合金Ti-6Al-4V 的高速铣削工艺进行优化。
例如，通过调整切削参数，可以降低切削过程中的温度和应力，减少材料变形和裂纹的产生，从而提高加工质量和延长刀具寿命。
四、实验验证与分析为了验证修正本构模型的准确性和有效性，我们进行了高速铣削实验。
硬质合金刀具切削钛合金Ti6Al4V界面摩擦特性研究
硬质合金刀具切削钛合金Ti6Al4V界面摩擦特性研究∗范依航;郝兆朋【摘要】Titanium alloys Ti6Al4V have superior properties,such as excellent strength⁃to⁃weight ratio,high corrosion resistance and good mechanical properties. However, due to its high chemical reaction and low thermal conductivity, tool wears seriously during cutting.In order to choose resonable cutting parameters so as to reduce tool wear,the frictioncharac⁃teristic of tool⁃chip/workpiece interface in machining Ti6Al4V with carbide tools were studied under different cutting speeds.The results show that,at rather low cutting speed,there are lots of adhesion materials in the close contact area in tool wear surface.At quite high cutting speed,the adhesion materials become unstable and diffusion occurs in thetool⁃work⁃piece interface.The peeling off of unstable adhesion material leads to tool micro⁃chipping and accelerates tool wear.When employing optimum cutting speed,the oxidation reaction occurs in tool⁃workpiece interface.The oxides generated in the cut⁃ting process acts as a boundary lubrication layer,which makes the chemical wear and adhesive wear to reach equilibrium, therefore,the high⁃temperature adhesion is inhibited and tool wear is reduced.%钛合金Ti6Al4V具有高的比强度、良好的机械性能和抗蚀性，但因其化学活性大、导热系数低，切削时刀具磨损严重。
《钛合金Ti-6A1-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究》
《钛合金Ti-6A1-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究》篇一钛合金Ti-6Al-4V修正本构模型在高速铣削中的应用研究一、引言随着制造业技术的快速发展，高速铣削已经成为加工钛合金材料，特别是钛合金Ti-6Al-4V的主要方式之一。
在此过程中，本构模型的应用起着关键的作用，它能准确预测材料在加工过程中的力学行为和变形特性。
然而，传统的本构模型在描述钛合金的高速铣削行为时，往往存在一定程度的误差和局限性。
因此，本研究旨在开发一种修正的Ti-6Al-4V本构模型，以更好地适应高速铣削过程中的材料行为。
二、钛合金Ti-6Al-4V修正本构模型的建立本部分主要介绍了修正的Ti-6Al-4V本构模型的建立过程。
首先，我们基于传统的本构模型理论框架，根据钛合金在高速铣削过程中的实验数据，进行了参数的优化和调整。
同时，我们考虑了诸如温度、应变率、晶粒大小等对材料行为的影响因素，以更全面地描述钛合金的力学行为。
三、修正本构模型在高速铣削中的应用（一）模型验证为了验证修正的Ti-6Al-4V本构模型的准确性，我们进行了大量的高速铣削实验。
通过比较实验结果和模型预测结果，我们发现修正后的本构模型能够更准确地预测钛合金在高速铣削过程中的力学行为和变形特性。
（二）优化加工参数基于修正的本构模型，我们可以更准确地预测不同加工参数对钛合金加工性能的影响。
这有助于我们选择最佳的加工参数，提高加工效率和加工质量。
例如，在一定的切削速度和进给率下，我们可以根据本构模型预测的结果，选择合适的切削深度和切削宽度，以获得最佳的加工效果。
四、结果与讨论（一）结果分析通过对比实验结果和修正本构模型的预测结果，我们发现修正后的本构模型能够更准确地描述钛合金在高速铣削过程中的力学行为和变形特性。
此外，我们还发现，在某些特定的加工条件下，如高切削速度和低进给率的情况下，修正的模型具有更高的预测精度。
（二）讨论虽然修正的Ti-6Al-4V本构模型在高速铣削中取得了良好的应用效果，但仍存在一些局限性。
钛合金Ti6Al4V高效切削刀具摩擦磨损特性及刀具寿命研究的开题报告
钛合金Ti6Al4V高效切削刀具摩擦磨损特性及刀具寿命研究的开题报告一、选题背景钛合金具有高比强度、较高的抗腐蚀性和生物相容性等优点，因此广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、医疗器械等领域。
然而，由于其高硬度、高热弹性模量、低导热性等特性，钛合金加工难度较大，对切削刀具的要求也较高。
因此，对钛合金Ti6Al4V高效切削刀具的磨损特性及其影响因素进行深入研究，有助于提高刀具的使用性能和延长刀具寿命，为钛合金加工提供技术支持和保障。
二、研究内容1.研究钛合金Ti6Al4V高效切削刀具的摩擦磨损特性，包括切削力、切削温度、加工表面质量等指标的变化规律和相互关系。
2.探究刀具磨损的主要因素，包括钨钛合金刀片的含量、切削速度、切削深度、切削润滑剂等因素对刀具磨损的影响。
3.研究钛合金Ti6Al4V高效切削刀具的寿命，通过实验和计算，确定刀具的寿命与切削参数、刀具材料等因素之间的关系。
三、研究意义1.钛合金Ti6Al4V材料是一种广泛应用的高性能材料，研究其切削刀具的摩擦磨损特性及寿命，可以提高加工效率和产品质量，为工业生产提供技术支持。
2.通过研究刀具磨损的主要因素，可以制定科学合理的生产工艺和刀具选择方案，降低生产成本。
3.针对钛合金加工难度大的问题，提高刀具的使用性能和延长刀具寿命，对于推动刀具行业技术创新和发展具有重要意义。
四、研究方法1.设计采用不同切削参数的钛合金Ti6Al4V高效切削试验，测量并分析切削力、切削温度、加工表面质量等指标。
2.采用扫描电镜、显微硬度计等分析测试方法，观察刀具的磨损状态和刀口的微细结构和硬度变化。
3.根据实验和测试数据，运用数学统计和机器学习等方法，建立钛合金Ti6Al4V高效切削刀具磨损模型，预测和优化刀具寿命。
五、研究预期成果1.系统分析钛合金Ti6Al4V高效切削刀具的摩擦磨损特性及其影响因素，提出优化刀具寿命的技术方案。
2.建立刀具磨损模型，预测和优化刀具的寿命，提高钛合金加工的效率和产品质量。
细晶粒硬质合金刀具铣削钛合金损坏机理的研究
密度 !( kg/ m3)
4. 4
抗拉强度 ∀( MPa)
1012
弹性模量 E ( GPa)
113
伸长率 # ( % )
15
冲击韧性 ( J/ cm2)
40
热导率 ∃( W m- 1 K- 1)
7. 955
表 2 加工 用量及方式 切削速度 V( m/ min) 轴向切深 ap( mm) 径向切深 ae( mm) 刀具寿命 T ( 小时)
近年来, 国内外学者对钛合金的加工及刀具问 题进行了各种研究。例如: E O Ezugwu, Z M Wang 和 其他一些研究者[ 2~ 6] 对钛合金加工中的刀具磨损与 破损进行了研究, 并对热裂纹现象进行了深入分析; L Reissig 等[ 7] 对切削加工过程中加工表面结构随温 度的变化规律进行了试验与分析; 南京航空航天大
Keywords: cemented carbide tool, high speed milling, titanium alloy, failure mechanism
1 引言
钛合金具有良好的强度、高温稳定性和耐腐蚀 性等优异特性, 在核工业、航空航天、潜艇工业、化工 等行业得到了越来越广泛的应用[ 1] 。特别是 型钛合金中的 T i6Al4V( TC4) , 其用量占到目前所用 钛合金的一半以上。这种钛合 金材料强度和 硬度 高、弹性模量低、热导率小, 且在高温下化学活性强, 因此加工难度较大。
高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究_李安海
DOI:10.16078/j.tribology.2012.01.007第32卷第1期摩擦学学报Vol32No1 2012年1月Tribology Jan，2012高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究李安海，赵军*，罗汉兵，裴志强（山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南250061）摘要：采用CVD涂层硬质合金可转位立铣刀对钛合金（Ti－6Al－4V）进行了高速干铣削试验，采用扫描电子显微镜（SEM）观察刀具的磨损形貌，通过能谱分析（EDS）分析失效刀具表面的元素分布，并对刀具的主要磨损机理进行了分析．研究结果表明：使用涂层硬质合金刀具高速干铣削Ti－6Al－4V时，刀具的失效机理主要为磨粒磨损、粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损和热－机械疲劳磨损的综合作用．刀具刚参与切削时，刀具后刀面会产生粘结和由于摩擦引起的擦伤，粘结层在断续冲击作用下的脱落过程还会造成后刀面涂层的剥落；随着刀具进一步的磨损，涂层剥落、粘结磨损及磨粒磨损伴随整个刀具失效过程，且还会出现氧化磨损、扩散磨损和疲劳裂纹等．切削速度越高，新产生的钛合金切屑就越容易燃烧，使刀具粘结、氧化和扩散以及热－机械疲劳等磨损加剧．关键词：高速铣削；刀具磨损；失效机理；Ti－6Al－4V中图分类号：TG506．1文献标志码：A文章编号：1004－0595（2012）01－0040－07Wear Mechanisms of Coated Carbide Tools in High－SpeedDry Milling of Titanium AlloyLI An－hai，ZHAO Jun*，LUO Han－bing，PEI Zhi－qiang（Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufactureof MOE，School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan250061，China）Abstract：A series of experiments was conducted in high speed dry milling of Ti－6Al－4V alloy with CVD coated carbideindexable cutters．The main tool wear mechanisms were discussed by observing tool wear morphology utilizing scanningelectron microscopy and detecting the element distribution of the worn tool surface using energy dipersive spectroscopy．Theexperimental results indicate that the tool failure mechanisms were synergistic interaction among abrasive wear，adhesive wear，oxidation wear，diffusion wear and thermal－mechanical fatigue wear．Just after the cutting tool was engaged into theworkpiece，adhesion and scratches caused by friction were observed on tool flank face，and the adhesive layer was subjected tocyclic impacts in the intermittent cutting process which would lead to delamination of coating．During the process of tooldegradation，coating delamination，adhesive wear and abrasive wear appeared in the process of tool failure．In addition，oxidation wear，diffusion wear and fatigue cracks were observed．With the increasing cutting speed，the newly produced chipscan burn more easily and the degree of adhesion，oxidation and diffusion and thermal－mechanical fatigue wear increased．Key words：high speed milling，tool wear，failure mechanism，Ti－6Al－4VReceived5July2011，revised29September2011，accepted10November2011，available online28January2012．*Corresponding author．E－mail：zhaojun@sdu．edu．cn，Tel：+86－531－88393904．The project was supported by the National Key Basic Research Program of China（973）（2009CB724402），the National Natural Science Foundation of China（51175310）and the Graduate Innovation Foundation of Shandong University（yyx10012）．国家重点基础研究发展规划项目（973）（2009CB724402）、国家自然科学基金项目（51175310）和山东大学优秀研究生科研创新基金项目（yyx10012）资助．钛合金Ti－6Al－4V具有较高的强度重量比和优异的抗蚀性能［1］，在机身的航空发动机零件如叶片应用的比例越来越大［2］．然而钛合金由于低的热传导性和高的化学活性，使其在切削加工过程中刀屑接触区小，切削温度高，高温下易与硬质合金刀具基体和涂层材料发生反应［3］．高速切削加工技术由于可以获得较高的金属切除率、高的加工精度和良好的加工表面质量，在现代制造生产中已受到普遍重视，且以较快速度发展［4－7］．然而，目前实际生产中钛合金切削加工普遍应用的切削速度仍未达到高速切削速度范围，切削加工效率低下．因此，研究钛合金高速切削速度范围下的刀具磨损及失效机理具有较高的理论意义和实用价值．高速铣削钛合金时刀具的失效形式也是磨损和破损［4］，失效形态和机理取决于工件材料、刀具材料的成份及微观结构、刀具几何参数、切削用量和冷却润滑条件等．由于钛合金导热系数很低，Ti6Al4V 仅为6．6W/（m·K），切削加工性差，高速切削时刀－屑接触区温度的局部升高，最终可能会引起钛合金切屑的燃烧，从而引起热磨损的进一步加强，切削速度和进给量是采用硬质合金涂层刀具干铣削加工钛合金时影响刀具寿命的主要因素［8－10］．研究表明：高速干切削条件下进行铣削钛合金时的刀具磨损机理研究将有助于揭示刀具失效过程，为刀具材料设计提供试验参考依据．本文中采用涂层硬质合金刀具对钛合金Ti－6Al－4V进行了高速干铣削试验，通过对不同切削参数下刀具的磨损形貌进行观察分析，针对钛合金工件材料的特殊性，加强刀具材料在热－力耦合强作用下磨损特性的检测及分析，系统揭示高速干铣削加工钛合金时涂层硬质合金刀具的磨损机理，以期为高效及高速、绿色切削加工钛合金的刀具材料设计提供抵抗并适应高速铣削条件的试验依据．1切削试验刀具磨损试验在三轴立式加工中心DAEWOO ACE V500上进行，机床功率为15kW，机床主轴转速可在80 10000r/min之间变化，数控系统为FANUC18M．刀具采用山高公司生产的可转位立铣刀，刀杆型号为R217．69－2525．0－09－3AN，刀片型号为XOMX090308TR－M08，MP2500，刀具涂层为CVD Ti（C，N）－Al2O3．工件材料为α+β钛合金Ti－6Al－4V块料，尺寸为100mmˑ75mmˑ20mm．钛合金Ti－6Al－4V的主要化学成份和物理力学性能分别如表1和表2所示．Ti－6Al－4V 的典型微观结构如图1所示，从图1中可以明显看表1钛合金Ti－6Al－4V的化学成份构成Table1Chemical composition of Ti－6Al－4V alloy% Ti Al V Fe Si C N H O Balance5．63．860．18＜0．010．020．023＜0．010．17表2钛合金Ti－6Al－4V的物理力学性能Table2Thermo－mechanicalproperties of Ti－6Al－4V alloyProperty SpecificationDensity/（kg·m－3）4430Hardness，HRC36Elastic modulus，E/GPa114Poisson＇s ratio，ν0．33Melting temperature/ħ1668 Thermal conductivity/［W·（mK）－1］6．7Yield strength/MPa834Tensile strength/MPa932Reduction in area/%36Elongation/%14出其α相（灰色）和β相（白色）．切削试验采用干切削方式，单齿切削，切削参数为切削速度v为150 500m/mi n，进给量fz为Fig．1Typical microstructure of the polishedsurface of Ti－6Al－4V alloy图1Ti－6Al－4V典型微观结构金相照片0．02 0．06mm/z，轴向切深ap为0．6 1．5mm，径向切深ae为5mm．试验时刀具磨钝标准采用后刀面平均磨损量（VB）0．3mm．试验过程中和刀具失14第1期李安海，等：高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究效后采用扫描电子显微镜（SEM ）观察刀具的磨损形貌，通过能谱分析（EDS ）分析失效刀具表面的元素分布．2结果与讨论2．1刀具失效形态图2和表3为硬质合金涂层刀具铣削钛合金时的刀具磨损SEM 照片及EDS 分析结果．从图2中可以明显看出：刀具刚开始切削时，切削刃较锋利，由于钛合金工件材料的黏滞性，刀具表面很容易粘结大量来自工件材料的元素［图2（a ）］，覆盖在刀具表面，起到一定的保护作用．后刀面与工件不断划擦，刀具涂层因连续摩擦表层产生明显的磨痕［图2（b ）］．另外，由于铣削为断续切削加工过程，刀具受到循环机械冲击载荷，粘结层在切削过程中不断脱落并重新形成，将刀具表面上元素或材料带走，从而加剧粘结的进行．粘结层的脱落过程中会使涂层表面出现部分区域的剥落现象［图2（c ）］．图3为高速铣削钛合金时的刀具失效SEM 照片，从图3中可以看出刀具主要失效形态为涂层剥落、后刀面磨损、切削刃崩刃和剥落以及裂纹等．刀具失效表面粘结现象严重，甚至会出现积屑瘤［图3（c ）］．由于高速铣削钛合金过程中刀具承受交变的机械应力和热应力，刀－屑接触区局部温度升高，切表3图2（a ）中1点的EDS 分析结果Table 3EDS results of point 1in Fig．2（a ）Element Energy /keV Mass /%At /%Al 1．4865．028．97Ti 4．50885．8686．46V 4．9493．193．02…………Total100．00100．0024摩擦学学报第32卷屑很容易燃烧，刀具上可以发现大量裂纹产生，这些裂纹可以产生于垂直于刀具切削刃的失效表面［图3（b ）］、前刀面（图4）以及刀具基体内部（图5）．断续切削钛合金材料时产生的高温会使刀具的切削刃与其他部分之间产生较大温差，促使裂纹快速产生，裂纹的扩展将导致崩刃及破损等失效．2．2刀具磨损机理2．2．1涂层剥落涂层硬质合金刀具中的涂层在切削加工过程中的主要作用为保护刀具基体，延缓刀具磨损量的增长．事实上，新刀片在刚开始切削不久由于粘结层的脱落就会产生剥落的现象［图2（c ）］，高速铣削加工过程中的断续冲击载荷也会加快涂层的剥落，待刀具有效切削部分的涂层都剥落掉之后，尽管刀具涂层可能在磨损量的增加过程中也会发生轻微的剥落（图3），刀具的磨损与破坏将主要发生在涂层剥落后的刀具基体上．铣削加工过程中涂层承受周期性机械载荷和热载荷产生的高应力是引起涂层断裂和脱落的主要原因．2．2．2磨粒磨损切削时，刀具和工件不断接触并摩擦使刀具表面上的温度升高，其表面硬度有所降低，工件材料中的硬质点连续滑擦刀具后刀面形成如图6所示的条Fig．6SEM micrograph of typical abrasive wear 图6典型磨粒磨损SEM 照片（v =150m /min ，f z =0．06mm /z ，a p =1．5mm ，a e =5mm ）纹状磨损带，这种磨损形式即为磨粒磨损．由于刀具和工件材料之间不断地循环接触并存在相互摩擦，磨粒磨损伴随着整个刀具失效过程．2．2．3粘结磨损EDS 元素定量分析结果（表3 4）表明刀具表面粘结来自Ti －6Al －4V 的主要元素．由于钛合金材料化学活性高，与刀具材料的亲和力强，在切削过表4图7中2点EDS 分析结果Table 4EDS results of point 2in Fig．7Element Energy /keV Mass /%At /%Al 1．4863．526．09Ti 4．50893．8391．48V 4．9492．652．43…………Total100．00100．00程中的高温和高压作用下，刀具表面很容易粘结大量的钛合金材料，形成一定的粘结层．随着切削的进行，粘结层在机械冲击作用下很容易与从刀具表面脱落，脱落过程中不可避免地从刀具材料表面撕下微粒并带走，造成刀具的粘结磨损．粘结层在断续切削过程中不断脱落且又重新形成，从而加剧了粘结磨损的进行．34第1期李安海，等：高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究Fig．7Adhesion on the cutting edge 图7切削刃粘结（v =450m /min ，f z =0．06mm /z ，a p =1．5mm ，a e =5mm ）2．2．4氧化磨损高速干铣削时，在高温环境下，刀具材料中的一些元素与空气中的氧等介质发生化学反应，生成质软而疏松的氧化产物，使硬质合金刀具材料中的硬质相颗粒易于被切屑或工件摩擦破坏掉并粘走，造成了刀具的氧化磨损．图8为不同切削速度下失效刀具前刀面附近裸露基体相似位置测试点氧元素原子数百分数的EDS 分析结果，从图8中可以看出：氧原子的原子百分数由150m /min 时的8．93%增至450m /min 时的12．25%．这说明刀具基体被氧化的程度随着切削速度的提高而增大，这主要是由于高的切削速度导致高的切削温度，高温加剧了刀具材料的氧化磨损．2．2．5扩散磨损通过失效刀具表面粘结层的纵截面上刀具基体与粘结层交界处的线扫描分析可以来实现刀具的扩散磨损研究．由于刀具后刀面的磨损为抛物线形状，首先使用工具磨床将刀具缓慢磨至后刀面最大磨损处，以获得刀具的纵截面．获得表面经研磨、抛光和清洗后对刀具基体与Ti －6Al －4V 切屑粘结层交界处进行EDS 线扫描分析．Fig．8Atomic concerntration of oxygen from EDS resultof exposed substratematerial of worn carbide tools vs cutting speed图8失效刀具裸露基体氧元素原子数百分数随切削速度的变化（f z =0．06mm /z ，a p =1mm ，a e =5mm ）图9为失效刀具后刀面最大磨损处垂直于前刀面的纵截面刀具基体与粘结层交界处SEM 照片［图9（a ）］及其白色实线处的EDS 线扫描分析结果［图9（b ）］．从图9（b ）中白色实线上Ti 、V 、W 和Co 元素的扩散曲线的原子数百分数分布情况可以看出：粘结层中的Ti 元素和V 元素向刀具基体中发生了扩散，扩散层深度接近10μm．由于Ti －6Al －4V 化学活性高，在高温高压下，其元素很容易扩散Fig．9SEM micrograph and line －profile of element distribution on the junction betweenthe worn tool substrate and adhesion layer图9失效刀具基体与粘结层交界的SEM 照片处EDS 线扫描分析结果44摩擦学学报第32卷到与其接触的刀具基体中去，这破坏了刀具原本的组织结构，并使得刀具材料和钛合金的亲和性更强，粘结更牢固，进一步促进了扩散的发生．在断续切削过程中，粘结层的脱落造成粘结磨损的进一步发生．与此同时，刀具材料中少量的W 、Co 元素向粘结层中发生了扩散．由于Co 的熔点较低，在高的切削温度及元素扩散作用下，还会造成刀具中Co 元素的流失［11］．在高温条件下，刀具基体、涂层和工件材料之间的元素会由于切屑、工件与刀具前后刀面之间的接触面相互扩散到对方中去，改变了材料的化学成份，直接影响刀具材料的硬度和韧性，在切削加工过程中会加快刀具的磨损．在高速切削加工钛合金时，刀具的粘结磨损和扩散磨损同时发生，并相互影响相互促进［11］．2．2．6疲劳磨损高速铣削加工时刀具承受高的切削温度、压应力和剪应力、化学反应及循环交变机械载荷和热载荷，刀具主要失效形式为破损．由于机械载荷引起的刀具剥落、崩刃和疲劳，以及由于切削温度波动变化引起的热疲劳，能够引起刀具的偶然性失效．①机械疲劳．从图10所示为切削速度为150m /min 时失效硬质合金刀具剥落后的裸露基体中发现的平行于刀具前刀面的横向裂纹（一般认定Fig．10Mechanical fatigue crack图10机械疲劳裂纹（v =150m /min ，f z =0．06mm /z ，a p =1mm ，a e =5mm ）为主要由断续切削循环机械载荷作用引起的机械疲劳裂纹［12］）．在断续切削加工时，刀具承受循环机械载荷，刀具性能如硬度、断裂韧度、横向断裂强度、晶粒尺寸，刀具几何参数、切削参数以及刀具切入切出工件都是影响刀具产生机械疲劳破坏的重要变量．②热疲劳．图11所示为450m /min 条件下铣削钛合金材料时硬质合金刀具中产生的垂直于刀具前刀面的纵向裂纹（一般认定为主要由于断续切削循环热载荷作用引起的热疲劳裂纹［12］）．铣削过程中刀具周期性切入和切出工件材料，造成刀具升温和空冷的循环变化，切削温度的交变变化引起热疲劳裂纹的产生．切削速度的提高，加剧了热冲击的循环变化，使热裂纹的产生速度加快，数量增多，从而刀具达到失效所需要的时间就越短，刀具寿命就越低．高速铣削时，切削速度越高，切削区的摩擦越剧烈，产生的切削温度就越高，刀具切削刃承受更高的交变机械应力和热应力，刀具基体和涂层在热－力耦合场强作用下很容易产生大量的热－机械疲劳裂纹，这导致刀具严重磨损、脆性破损等失效的演变过程加快．因此，高速铣削对刀具材质和涂层材料提出Fig．11Thermal fatigue crack图11热疲劳裂纹（v =450m /min ，f z =0．06mm /z ，a p =1mm ，a e =5mm ）了更高的要求，刀具材料在具有良好的热硬性和抗粘结、扩散和氧化能力的前提下还应该具有更好的热－机械疲劳性能，涂层材料应具有更好的高温耐磨性和界面结合效果，这为进一步研制新型优质刀具材料并开发选择涂层材料提供了方向性指导．3结论a．采用涂层硬质合金刀具对钛合金Ti －6Al －4V 的高速干铣削加工时刀具磨损机理进行了研究．失效刀具磨损机理以涂层剥落、磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损和热－机械疲劳磨损为主，且为各种磨损机理的综合作用．高速下钛合金切屑的燃烧会使刀具承受的热载荷加强，粘结、氧化、扩散和热裂纹等现象加剧．54第1期李安海，等：高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究b．断续切削钛合金材料时产生的高温会使刀具的切削刃承受交变的热－机械应力，促使切削刃产生裂纹，裂纹的扩展将导致切削刃破裂及破损等失效．参考文献：［1］Mao X N，Zhao Y Q，Yang G J．Development situation of the overseas titanium alloys 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（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ Ｖｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｗｅ ｉ ｆ ａ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｗｅ ｉ ｆ ａ ｎ ｇ Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ
第 ５期
床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏ ｄｕｌ ａｒ Ｍ ａ ｃ ｈｉ ｎ ｅ Ｔｏ ｏ ｌ＆ Ａｕｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｍａ ｎｕｆ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｉ ｎｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｉ ｑ ｕｅ
Ｎｏ ． ５
Ｍ ａｙ ２ ０１ ３
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｃ ａ ｒ ｂ ｉ ｄ ｅ ｔ ｏ ｏ ｌ ；Ｔｉ ６Ａ１ ４ Ｖ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｉ ｕｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ；ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｓ
０ 引 言
钛合金 Ｔ ｉ ６ Ａ １ ４ Ｖ作 为 一 种综 合 性 能 优 良的轻 合 金 材料 ， 具 有强度 高 、 耐腐蚀、 耐 热等 优 良特 性 ， 在 航 空航 天 、 汽 车、 化工、 医疗 等 领 域 得 到 日益 广 泛 的 应 用 。但 是 ， 由于钛合 金 同 时还 具 有 导热 性 差 、 高 温 化学 活性 大 、 弹性模 量 低 ， 与 其 它金 属 材 料摩 擦 系 数 大等 特性 ， 使其 在 切削 加 工 时 ， 存 在 刀 具 前 刀 面单 位 面积 承 受 切 削 力 大 、 切 削 温度 高 、 粘刀现象严重、 工 件表 面粗 糙 度 差 、 易 造 成 刀 具 快 速 磨 损 或 破 损 等 缺 陷 。在 实际 加 工 中 ， 钛合 金通常是在低 速、 低 效 和 大量使 用 冷 却 液 的条 件 下 进 行 加 工 。如 何 提 高钛 合金 加 工 刀 具 的切 削 性 能 ， 已成 为 实 现 钛 合 金 高速、 高效、 绿色加 工 的关键 。 国内外许 多学 者 对钛 合 金 材 料 的高 速 切 削 加 工 进 行 了研 究 探 讨 。本 文 中 ， 作 者 用 未 涂 层 硬 质 合 金 刀 具和 涂层 硬质 合 金 刀 具对 Ｔ ｉ ６ Ａ １ ４ Ｖ钛 合 金 进 行 了 车削 对 比试 验 ， 通过对刀具寿命、 切削力 、 切 削 温 度 以及加 工表 面粗 糙 度 的 分 析 ， 从 而 研 究 了 两 种 刀 具 车削钛 合金 的切 削性 能 。
２ ６ １ ０ ６ １ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ：Ｔｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐｅ ｒ ｕｓ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ｆ ｏ ｒ Ｔｉ ６Ａ１ ４Ｖ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｉ —
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文章编号 ： １ ０ ０ １ — ２ ２ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５— ０ ０ ３ ６— ０ ３
硬质合金刀具车削 Ｔ ｉ ６ Ａ １ ４ Ｖ钛 合 金 试 验 研 究
杜 国 臣 （ 潍坊 学 院 机 电与车辆 工程 学 院 ， 山东 潍坊 ２ ６ １ ０ ６ １ ）
摘要 ： 文章 采 用单 因素试验 法 ， 用 未涂层硬 质合 金 刀具 和 Ｔ ｉ Ａ １ Ｎ涂 层硬 质合金 刀具对 Ｔ ｉ ６ Ａ １ ４ Ｖ钛 合金 进 行 了车 削试验 ， 通 过对切 削过 程 中刀具 寿 命 、 切削力、 切 削温 度 以及 加 工 表 面粗 糙 度 的 分 析 ， 得出
了 两种 刀 具 车 削 钛 合 金 的切 削 性 能 ， 为 钛 合 金 车 削 试 验 提 供 了依 据 。
关 键词 ： 硬 质合金 刀具 ； Ｔ ｉ ６ Ａ１ ４ Ｖ钛合 金 ； 切 削 性 能
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｔ Ｇ ６ ５
文献标 识码 ： Ａ
Ｅｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ａ ｌ Ｓｔ ｕｄ ｙ ｏ ｎ Ｔｕｒ ｎ ｉ ｎｇ Ｔｉ ６ＡＩ ４Ｖ Ｔｉ ｔ ａ ｎ ｉ ｕｍ Ａｌ ｌ ｏ ｙ Ｗ ｉ ｔ ｈ Ｃｅ ｍｅ ｎｔ ｅ ｄ Ｃａ ｒ ｂｉ ｄ ｅ Ｔｏ ｏ ｌ ｓ ＤＵ Ｇｎｏ ． ｃ ｈ ｅ ｎ