1 引言

目前绿色切削主要指干切削和准干切削。目前，干切削的应用范围仍然有限，而完全湿切削存在许多缺点。如果把两者的优点结合起来，既能满足加工要求，又能把干切削的成本降到最低，达到完全干切削同样的效果。介于湿切削和干切削之间的加工技术被称为准干加工-NDM加工或最小量润滑剂-MQL。目前，全干式切削在铸铁材料的高速加工中应用较为广泛。近年来，几家欧洲公司在干切削高速加工灰铸铁铸件方面取得了巨大成功。但是，从目前的文献来看，还没有完全干切削用于钛合金高速铣削的先例。准干切削主要用于铸铁、钢和铝合金的加工，但对难加工材料的准干切削研究很少。日本一些公司在注氮切割技术的开发方面做了大量的工作，研制出了直接从空气中分离氮气并与机床配套的制氮装置。应用结果表明，用氮气代替切削液作为切削介质的最大优点包括：克服了切削液对环境的污染；(2)刀具磨损比干切削低得多；(3)加工精度高，表面粗糙度稳定；(4)减少摩擦和切削载荷；(5)镁合金的安全处理(镁粉遇水燃烧爆炸等安全问题)；(6)使用成本低于切削液。目前，钛合金高速铣削力的实验研究是在干磨、氮气油雾和空气油雾介质中进行的。本文旨在探索上述条件下铣削力的变化规律。图1端铣刀结构及铣削示意图

2 试验方案

刀具为沃尔特硬质合金端铣刀，牌号为ZDGT150416R-K85 WMG40，无涂层，直径25mm，圆角半径1.6mm，两齿，如图1所示。分别在干磨、空气油雾和氮气油雾中进行了高速铣削TC4铁合金的单因素铣削力试验。

3试验结果分析

径向切削深度ae变化对枕头切削力影响的实验参数：vc=190m/min，ap=5mm，fz=0.1mm/z，分别测量ae=0.5，1，2，3，4，5mm时的铣削力，测试结果如图2所示。(a)x方向的最大铣削力(b)y方向的最大铣削力(c)z方向的最大铣削力(d)最大铣削力图2不同介质中铣削力随ae的变化曲线从图2中可以看出：三种介质中的Fxmax、Fymax、Fzmax、Fmax均随时间增加，其增加趋势基本呈线性，因为随着径向切削深度的增加，实验采用叶片铣削，刀具螺旋角为0。因此，随着径向切削深度ae的增加，X方向和Z方向的最大铣削力变化不明显，这与理论分析一致。曲线呈线性和指数拟合，相关系数R2均在0.91以上。图2(a)显示，Fxmax随ae在三种研磨介质中的增加趋势基本一致，但幅度不明显。干磨的Fxmax略大于空气油雾和氮气油雾。从图2(b)、(c)、(d)可以看出，Fymax、Fzmax、Fmax随ae的增加而大幅增加，在不同介质中的变化曲线相似；空气和氮气油雾中的Fymax、Fzmax和Fmax均小于干磨，干磨的铣削力分别比空气油雾中的大22.2%、15.07%、25.75%、5.98%、8.3%和5.45%，比氮气油雾中的大18.3%、16.6%、27.5%和5.45%。另外，空气油雾和氮气油雾下的铣削力大致相同。轴向切削深度ap对铣削力影响的实验参数：vc=190m/min，ae=1mm，FZ=0.1 mm/z，分别测量了ap=1，2，3，4，5mm时的铣削力，测试结果如图3所示。(a)x方向的最大铣削力(b)y方向的最大铣削力(c)z方向的最大铣削力(d)最大铣削力图3不同介质中铣削力随ap的变化曲线。从图3中可以看出，三种介质中的Fxmax、Fymax、Fzmax和Fmax都随着ap的增加而增加，并且它们的增加趋势

干磨时，铣削力和合力大于空气油雾和氮气油雾，结果与上一节相似。当ap大于5mm时，铣削力增大，这可能是由于铣削力随着ap的增大而增大，铣削时刀具系统的刚度降低，铣刀容易产生振动。每齿进给量fz变化对铣削力影响的试验参数分别为：vc=190m/min，ae=1mm，ap=5mm。测量fz=0.5，0.1，0.15，02，0.25mm/z时的铣削力，测试结果见图4。(a)x方向最大铣削力(b)y方向最大铣削力(c)z方向最大铣削力(d)最大铣削力图4不同介质中铣削力随fz变化的曲线。从图4可以看出，三种介质中的Fxmax、Fymax、Fzmax、Fmax都是随着fz的增大而增大。通过对曲线的线性和指数拟合，发现了两个拟合关系。

削时的理论不同。在低速时，随fz的增加，各向铣削力总体呈增大趋势，但铣削力的增加并不随进给量的增加成比例增加。因为进给量增大，切削厚度增大，所以切削面积增大，力会随之增大，但切削厚度增大的同时使变形系数减少，摩擦系数也降低，所以力的增加与进给量的增大并不成比例。高速时，由于铣削区的温度远远高于低速时，铣刀前刀面上的切屑和与铣刀后刀面相接触的已加工表面塑性非常高，因此切削厚度增大使变形系数减少的程度非常低，摩擦系数也降低的很小，所以力的增加与进给量的增大基本成比例。 　　从图4(d)可以看出，随着每齿进给(fz≥0.1mm/z)增大，氮气油雾下的铣削合力明显低于空气油雾。据国外的研究资料显示，在高进给下，铣削热增多，氮气下刀具与切屑以及工件之间更容易产生TiN层，因为TiN具有减摩作用，所以在铣削时，由于摩擦作用所产生的铣削力会减少。 铣削速度vc变化时铣削力的影响 　　试验参数：aae=1mm，ap=1mm，fz=0.1mm/z，分别测量vc=190，250，275和300m/min时的铣削力，试验结果见图5。

(a)x方向最大铣削分力

(b)y方向最大铣削分力

(c)z方向最大铣削分力

(d)最大铣削合力

图5 不同介质下铣削力随vc变化的曲线　　图5表明 ：三种介质下的Fxmax，Fymax，Fzmax，和Fmax都随vc增大而增大，波动不大，这与传统的切削理论不同。传统的切削理论认为，切削力一般随着切削速度的增加而减少，这主要是因为，vc增大，将使切削温度提高，摩擦系数µ下降，从而使变形系数x减小的原因。对于高速切削时切削力随切削速度变化的规律，国外一些学者也曾做过相关的实验研究。Amdt认为超高速切削时由于高频冲击力的存在，切削力的变化是传统切削力和高频冲击力双重作用的结果，Kusnetsov和Sutter在高速干铣削铝合金AA7075和合金钢AISI1045时，根据试验结果，他们得出了在高速铣削中也存在高频冲击力的结论，该结论与Amdt的理论相吻合。     高速铣削钛合金时，速度的增加虽然也会使x减小，但铣削是断续切削，因冲击而产生的力在整个铣削力中占有相当大的比重，速度越高，冲击越大。高速冲击产生的铣削力增加，远大于因变形系数x减小而造成的铣削力减少，因此在高速铣削钛合金时，铣削力会随vc增大而增加。 　　从图5(a)和(d)可以看出，Fxmax和Fmax的变化规律与上节相似。当铣削速度超过200m/min时，空气油雾下的Fmax大于氮气油雾。特别是当铣削速度达到300mm/min时，空气油雾下的Fmax比氮气油雾大了32%。造成这种结果的原因除了因为TiN减摩作用外，还因为在高速下氮气油雾下切屑里的TiN增多，从而使切屑易于脆断，切屑对刀具的摩擦和冲击减少的缘故。

4 小结

空气油雾和氮气油雾介质下的铣削力明显低于干铣削，在高速、高进给时氮气油雾下的铣削力低于空气油雾。 铣削力在钛合金高速铣削时会随径向切深、轴向切深、每齿进给增加而增大。 铣削力在钛合金高速铣削时会随铣削速度的增加而增大，这有别于铁合金低速铣削时的情况。