钛合金切屑变形的研究始于20世纪50年代，国外许多著名学者如M.C.Shaw、N.H.Cook、O.W.Boston、M.E.Merchant、M.Field、R.Komanduri、H.Schulz等人做了大量的研究工作。国内一些高校和科研院所，如西北工业大学、南京航空航天大学等也从事了相关研究。目前对切屑变形的研究大多集中在改变切削参数、刀具材料、刀具几何形状等方面。特别是对低速切削时切屑变形规律的研究。很少有关于高速切削时改变切削介质时切屑变形的实验研究，特别是使用干切削或无污染或少污染切削介质时。另外，切削变形规律的研究多是关于车削的，而高速铣削的研究较少。本文对钛合金在干磨、空气油雾和氮气油雾中高速铣削时的切屑变形规律进行了实验研究。图1试验刀片及铣削示意图表1铣削参数切削参数值铣削速度vc(m/min)190250275300轴向切削深度ap(mm)57径向切削深度ae(mm)1每齿进给量fz(mm/r)0.1刀具悬置长度L(mm)46(ap=7mm，vc=250m/min Rs=1.6mm)图2不同介质中的切屑状态(ap(ap=5mm，rs=0mm)图3空气和油雾中不同铣削速度下的切屑形态。
1 试验方案
钛合金高速铣削切屑变形试验所用的刀具和刀片如图1所示。刀片为K40硬质合金刀片。刀具的几何参数如下：直径25mm，齿数2；刀尖半径RS: 0mm和1.6mm，前角：25，后角：30，主偏角：90，修边刃长：1.2mm，刃口长：15mm。在干磨、空气油雾和氮气油雾中进行了高速铣削实验，分析了铣削速度和铣削介质对钛合金切屑变形的影响。铣削参数见表1。
2 试验结果分析
切屑变形的宏观分析在不同介质中高速铣削钛合金时，由于刀具与切屑之间的摩擦条件和散热条件不同，切屑的形状和表面状况也不同，如图2所示。与干磨相比，刀具与切屑之间的摩擦力更大，铣削区域的温度更高，切屑流经前刀面后的变形更大，切屑表面的条状褶皱更多，平整度差。在不同铣削速度下切屑形态的钛合金高速铣削实验中，分析发现不同铣削速度下产生的切屑形态差异很大，因此铣削速度对切屑宏观形态影响很大。图3是不同铣削速度下的切屑照片。由上图分析可以得出，随着铣削速度的提高，切屑的形状变得越来越规则，尤其是当铣削速度达到300m/mim时。经过计算和测量，切屑的长度和宽度都非常接近理论值(钛合金的变形系数很小，几乎等于1，甚至小于1)。切屑不规则主要是由于转速越低，切屑与刀具的接触时间越长，切屑与刀具的摩擦时间越长，所以转速越低切屑变形越明显，而转速越高，切屑与刀具的摩擦时间越短，切屑变形越不明显。另外，随着铣削速度的提高，铣削温度会逐渐升高，摩擦系数会降低，对切屑的摩擦力会变小，因此切屑的变形也会变小。通过实验发现，高速铣削钛合金时，在干磨和氮气油雾介质中的切屑形态具有相同的规律，这里不再分析。(ap=7mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)图4不同切削介质中切屑局部前沿的SEM照片(AP (5 mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)图5氮气油雾介质中切屑裂纹区的SEM照片(AP (7 mm，VC=36 mm) Rs=1.6mm)图6不同介质中切屑的金相照片对切屑变形的显微分析。从图4可以看出，不同介质中芯片的表面微观形貌也是不同的。在氮气油雾介质中，芯片上有一些微裂纹(图4(c))。这些微裂纹主要分布在切屑的边缘和端部，并且大部分与切屑的滑动方向一致
氮气油雾介质中切屑微裂纹产生的原因可能是：一是氮气油雾喷入切削区域，瞬间带走大量热量，产生切屑热应力和热裂纹；其次，氮气油雾中氮气与切屑中的钛发生化学反应，生成脆性的氮化钛，分布在切屑的表面和内部，使切屑在强烈的挤压和摩擦下易脆。由于空气油雾在切削过程中也带走了大量的热量，但其切屑中没有微裂纹(图4(a))，第一种可能性不成立，因此可以认为微裂纹是由于氮气的存在造成的。切屑容易开裂，会降低流过前刀面的切屑对铣刀的冲击，从而在一定程度上降低铣削力。切屑的金相分析金相照片对比钛合金切屑成形过程中，材料的塑性变形较大，切屑在剪切滑移面上产生的应力在加工硬化过程中增大，局部达到材料的强度极限。此时切屑仅在上部被压碎，下部仍是相连的，即靠近前刀面的一侧是光滑的，另一侧呈锯齿状，形成集中的剪切滑移切屑。图6显示，氮气油雾下芯片结瘤的趋势非常明显，芯片底部的连接已经变得很少，有时芯片节点几乎相互分离。油雾中切屑结瘤趋势虽比干磨明显，但不如氮气油雾中好。氮气油雾和空气油雾造成的切屑结瘤高于干磨。
明显的原因， 是因为油雾的冷却作用使切屑剪切滑移面的钛合金塑性降低， 切屑易于在沿滑移面处剪裂。氮气油雾下由于氮与钛在剪切滑移面上生成了脆的TiN，在高速下，高的剪切力使切屑的集中剪切滑移作用加强，从而使切屑的节状特征更加突出。图7 铣削速度对剪切角的影响(r=1.6)
剪切角f的比较 图7为剪切角f随速度变化的曲线。该图表明，随着铣削速度的增加，空气油雾、氮气油雾和干铣削条件的钛合金切屑剪切角都有增加的趋势，也即切屑变形减小的趋势， 特别是铣削速度超过275m/min 时，这种趋势更加明显。产生这种结果的主要原因有两方面，一方面是因为变形时间缩短，钛合金的变形减小； 另一方面是因为切屑速度对前刀面平均摩擦系数有影响， 高速切削时， 切削速度越大，前刀面平均摩擦系数越小。当切削速度很大时，由于切削温度很高，切屑底层软化，形成薄薄的微溶层，在这种情况下，切削速度的变化对切屑变形的影响已很小。 此外，在相同速度下，氮气油雾下切屑的剪切角大于空气油雾。其原因是由于氮气介质下的切屑的剪切滑移面上有氮化钛存在， 剪切滑移面的塑性降低， 切屑在集中剪切滑移过程中更容易发生塑性失稳，因而切屑的变形减少，剪切角f减小。3 结论
通过不同介质下钛合金切屑变形的高速铣削试验研究，可以得出以下几点结论：- 干铣削时，刀具与切屑之间的摩擦较大，铣削区温度高，切屑流经前刀面后的变形较大，切屑表面的条形褶皱较多、平整性差。 随着铣削速度的增加，切屑的形态越来越规则。 不同介质下切屑的表面微观形态也有不同，空气油雾下切屑的节状化比和干铣削时明显， 但不如氮气油雾。在氮气油雾介质下的切屑上存在着较多微裂纹、切屑更容易脆断。 在相同速度下， 氮气油雾和空气油雾下的切屑剪切角f大于干铣削和空气油雾，即切屑变形系数低于干铣削和空气油雾，空气油雾剪切角f大于干铣削。
