第1章 绪论1.1 课题背景机械制造业是一个国家综合实力的重要标志，同时也是社会发展和国防建设的技术基础随着生产的发展，当今世界制造业逐步向着高效能、高精度和绿色化发展，但影响着机械制造业发展的主要因素还是效率问题，因此高效切削加工技术将成为未来机械制造业的发展主流[1]高效率切削加工技术主要包括高速切削、大切深、大进给、干（准干）切削和复合切削等，当然提高加工效率提高切削速度是必不可少的目前，钢铁和铝合金等材料已经广泛使用了高效切削加工技术，如表1.1所示表1.1 高效切削加工技术的应用[2]材料切削速度m/min铝合金2000-5000（最高7500）铸铁800-1500（最高2200）钢350-700高速切削加工具有可以提高生产效率、表面质量和改善加工精度等优点[3]，同时还可以降低加工生产的成本，有时还可以省略后续加工工序，因此高速切削已经在航空航天、模具和汽车等行业得到广泛应用高速切削加工的特点主要包括：进给量随着切削速度的增加而相应的提高，这样做的效果是，材料在单位时间内的切除效率增加了加工时由于切屑会快速的被排出而带走大量的切削热，使得切削热来不急传到工件，有助于提高工件的加工精度。
切削力将随着切削速度的提高而降低，切削力降低的同时可以减小加工工件时所产生的振动然而，高速切削加工技术在加工一些材料的时候还是有很多问题需要解决的，例如：难加工材料钛合金，应用高速切削加工技术来加工钛合金时主要存在的问题就是切削温度和刀具磨损，表面完整性的研究和切削机理的研究等，都需要进一步的发展和完善，使得高速切削技术能够的到进一步的发挥从20世纪中期以来，随着化工、造船、冶金、医疗和航天航空技术发展的迫切需要，钛合金由于其具有比强度高、耐热性好和良好的耐腐蚀性等优点而被广泛应用[4]，钛工业的到了迅猛的发展对钛合金需求量增加同时也对加工钛合金的效率有了更高的要求，而钛合金由于其硬度大、强度高、摩擦系数大、弹性模量低和高温下化学活性高等特点使钛合金成为了难加工材料之一现阶段钛合金的加工方面，在国内由于受到刀具性能的影响和缺乏加工钛合金的基础理论支持，车削钛合金的切深速度在40-70m/min，铣削30-50m/min，在国外加工钛合金的速度可以达到100-200m/min因此虽然钛合金在航天航天工业以及其它工业都有广泛的应用前景，但仍然受到了加工效率的制约[3]1.2 钛合金简介1.2.1钛合金的分类及应用钛属于同素异构体，根据钛在不同温度下的结构不同可以把钛分为α、β和α+β钛。
通过添加一些适当的合金元素，在结合一下钛合金的结构特点，让其相变温度和相分含量得到改变，这样就可以得到不同组织的钛合金⑴ α相钛合金α相钛合金是由α相固溶体组成的单相合金，主要向α加入稳定元素，例如Al、Ca和Ge等和O、C稳定的间隙性元素α钛合金的优点是组织稳定、抗氧化性好、焊接性能好、耐腐蚀性和切削加工性好，但α钛合金的缺点也是很明显的，塑性低冲压性能差α钛合金的牌号用TA表示，最常见的是TA7，一般可用作飞机蒙皮、骨架零件和叶片等[5,6]⑵ β相钛合金和α相钛合金相似，是由β相固溶体组成的单相合金，加入β的稳定元素V、Mo和Nb等β型钛合金具有较高的强度，缺点是热稳定差，一般不适合在高温下使用β型钛合金的牌号用TB表示，主要应用于压气机叶片、轴类和飞机构件等⑶ α+β相钛合金α+β型钛合金是一种双相合金，包含了α和β两项的稳定元素因此α+β型钛合金的综合性能非常的好，组织稳定、韧性和塑性好，高温下强度高，还具有低温韧性良好和良好的抗腐蚀能力α+β型钛合金被广泛应用于航空航天、造船、化工和医疗等工业上，可以用来制造飞机发动机、飞机结构件、起落支架和导弹发动机外壳等α+β型钛合金的牌号用TC表示，常见的有TC1、TC4等。
钛合金在航空航天方面的应用主要是在涡轮盘、叶片一级喷气发动机，同时也被用来制造成转向梁、机身后段，并代替铝用于制造飞机的蒙皮如表1.2所示为国外的以往和当前战斗机中使用的材料对比，从表中可以看出钛合金在近些年的使用量在逐步增加，而铝的使用量在减少，美国拥有“全钛飞机”高空侦察机SR-71中钛合金的使用量达到了重质量的93%这主要是是由于钛合金的优良性能当然钛合金的应用不止于航空航天上，在其它军事方面、航海和精密机械方面也很受欢迎例如：导弹壳体、火箭壳体和装甲车上的防护装甲等，航海中可用于泵、阀门以及推进器等需要在腐蚀环境中进行工作的零件表1.2 美国战斗机中材料质量分数/%[7]所用材料CY-27F-14F-15F-117F22铝合金6039362011钛合金1724272541钢1017655复合材料-1210251.2.2 钛合金的特性与加工性工件材料的加工性是指，加工该材料时是否容易加工，加工时的难易程度是否很高衡量一个材料是否是难加工材料可以从其断屑情况、加工时刀具耐用度、加工后的表面质量以及切削力和切削效率等来判断由于钛合金具有很高的强度，但密度却是钢的60%左右，所以钛合金具有很高的比强度。
钛合金在常温下（20℃）的比强度为230MPa·cm3/g，结构钢为140MPa·cm3/g、铝合金为155MPa·cm3/g和镁合金150MPa·cm3/g，从这里面可以看出来钛合金和其它金属材料相比在强度方面有很大的优势[8]由于钛合金的这个性质，可以保证使用钛合金的时候既保证了强度够的情况下又能减轻了这个结构的重量，因此这一个性质对于航空航天和造船工业都有重要意义钛合金的其它主要物理性质如表1.2所示，除此之外钛合金无论是在高温还是低温下都具有良好的性能，在高温下钛合金可以保持良好的机械性能；在低温下钛合金的强度要比常温时候的强度有所增加，同时还具有良好的韧性由于钛合金对氧具有极大的亲和力，可以在含氧的环境下产生坚固的氧化物保护膜，因此钛合金还具有良好的耐腐蚀性由于钛合金有如上述的这些特性使得在加工钛合金时与加工其它材料有很大的不同，首先在设备上，因为钛合金的强度高、硬度大，所以加工钛合金的设备功率要大、刀具应具有较高的强度和硬度，加工钛合金时刀具切削刃所承受的应力要远大于加工45号钢时的应力，因此加工钛合金时刀具的刀尖或者是切削刃更容易磨损另外由于钛合金具有摩擦系数大，但导热系数又低，导致了加工钛合金时切削热积聚在切削刃附近的很小的面积上不容易散发，这就使得加工钛合金时的切削温度非常高，加速了刀具磨损进而影响了加工质量。
最后由于钛合金的弹性模量低、高温下化学活性高等特点导致加工钛合金时工件回弹大，在加工过程中容易和空气中的氧、氢等气体发生化学反应，产生硬化层，这些都将进一步的加剧了刀具的磨损[9,10]表1.2 钛合金物理性质表[11,12]材料名称物理性能比热J/kg·℃熔点℃硬度HB弹性模量105MPa密度g/cm3线膨胀系数10-6/℃导热系数W/m·℃钛金金545-5861720200-2951.0784.5078.58.79-12.98如上所述，钛合金在具有优良的物理力学性能的同时受到了加工效率与加工成本等条件的制约，这些都是导致现在加工钛合金效率低的重要原因因此，提高钛合金的加工效率和加工质量将是我们研究的重要内容1.3 钛合金研究现状钛合金虽然是难加工材料，但由于其优良的特性，在航空航天、造船、化工和医疗等工业的广泛的，因此国内外的众多学者对于加工钛合金方面做出了多方面的研究例如，加工钛合金时的切削力、切削温度、表面完整性和刀具磨损特性等方面，而实验方法方面主要还是车削和铣削两种方式1.3.1切削力和切削温度的研究切削力和切削温度是切削加工过程中两个重要的现象，切削力直接决定着切削热得产生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精度等。
切削热和切屑温度是车削过程中除切削力外又一重要现象，切屑热和切屑温度不仅对工件的加工精度和表面质量有重要影响，还直接影响到刀具的寿命和刀具的磨损状况因此切屑热和切屑温度也是众多学者主要研究的对象之一，因此研究切削钛合金过程中切削力和切削温度是非常必要的对切削温度方面的研究，主要分为试验法和解析法，解析法就是通过建立解析模型来研究切削温度Norihiko Narutaki做的高速切削钛合金实验[13]，分别使了车削和铣削两种加工方法对切削钛合金时切削力和切削温度做了详细的研究实验表明：在车削方面，实验的切削速度选择为20-200m/min范围内变化，在切削力方面，结果表明切削力的大小随着切削速度的增加而变化微弱，并且与同样条件下车削45号钢做了对比，这一结果也证明了加工钛合金过程中刀具的磨损并不是由切削力所导致的，在切削温度方面，结果表明随着切削速度的增加切削温度剧增，因此可以知道车削钛合金时切削温度是刀具刀具磨损严重的主要原因在铣削方面，选择的铣削速度为157-400m/min的范围内，铣刀直径为2mm，结果表明铣削钛合金时的温度相对较低R.Komanduri等人研究刀具前角、刃倾角和切削速度的变化对切削力的影响，并通过使用三维仿真建立了切削过程[14]。
Haci Saglam等[15]采用不同的刀具前角（0°、6°、12°、20°），研究了不同的刀具角度对切屑力和切削温度的影响A.Gente研究了当切削速度达到150-960m/min时，切削力与切削速度的关系[16]E.O.Ezugwu等[17]人研究了在高压冷却条件下使用CBN刀具切削钛合金时的切削力变化规律，实验结果表明，由于钛合金的弹性模量小，在小切深时切削力将会产生波动，随着切深的增加切削力急剧增加同时E.O.Ezugwu还发现了当切削速度比较低的时候，冷却液能够起到很好的效果，使得切削区的切削温度相对较低，此时的冷却液具有润滑和减小摩擦系数，可以降低切削力但在切削速度较高时由于冷却液无法进入刀具工作接触区使得效果不明显国内的众多学者对切削钛合金的机理研究也取得了一定的成果，例如李登万[18]等人在常温采用干切削和-50°低温冷风条件下研究了切削钛合金时切削力的变化规律，总结建立了切削力的指数形式公式在切削力方面低温冷风的主切削力较大，但其表面质量要好于常温干切削山东大学的李甜甜做的PCBN高效切削钛合金实验[19]，实验采用单因素试验和正交试验研究了高速切削时切削钛合金的切削力和表面质量的变化规律。
南京航空航天大学的耿国盛[8]做的钛合金高速铣削技术的基础研究，对高速铣削钛合金是切削力、切削温度表面完整性和刀具磨损机理做了研究和总结山东大学的田刚对高速切削钛合金过程中的切削力进行了研究[20]，实验采用的是正交实验，分别讨论了切削深度、切削速度和进给量对切削力影响试验结果表明对切削力影响最大的是轴向切削深度，其次是径向切削深度，最小的是切削速度大连理工大学的曲迪做的PCD刀具加工钛合金实验研究[21]，研究了切削钛合金过程中的静、动态切削力的影响规律和利用正交实验研究了影响表面粗糙度的原因满忠雷等人对高速切削钛合金时的切削力做了研究[22]，分别在干切削、空气和氮气油雾情况下，径向和轴向切深一级铣削速度对切削力的影响苏州大学的解鹏和苏桂生做的TC4车削力的仿真与试验[23]，使用了DEFORM有限元分析软件对车削钛合金过程中的切削力做了研究王小琴等人使用两种不同的硬质合金刀具来研究了切削钛合金时的切削力变化[24]，试验中引用了切削路程这个概念，并指出其它切削用量不变的清苦下，切削力随着切削路程的增加而变大李亮等人对铣削钛合金过程中的温度进行了研究[25]，试验的切削速度选择为100-800m/min，主要测量了刀刃温度与工件表。