ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０１８.０４.０５４
∗
孙富建１ꎬ２ꎬ苏㊀飞１ꎬ２
(１.湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室ꎬ湖南湘潭㊀４１１２０１ꎻ２.湖南科技大学智能制造研究院ꎬ湖南湘潭㊀４１１２０１)
摘㊀要：根据粉末冶金材料残余微孔隙对锯齿状切屑形成的影响ꎬ对比了致密度９９.４％和９５.０４％Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末冶金材料切屑的剪切方向角Φｓｅｇ㊁突起角ρｓｅｇ和剪切带处的平均剪应变γｓｅｇꎬ提出粉末冶金材料的残余微孔隙不仅能够改善切屑剪切带的塑性不稳定程度ꎬ而且能够作为破坏剪切的裂纹源ꎬ对切屑的形成产生影响ꎮ关键词：粉末冶金材料ꎻ残余微孔隙ꎻ剪切方向角ꎻ突起角ꎻ平均剪应变 中图分类号:ＴＦ１２５㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０１８)０４－０１６０－０３
ＦｏｒｍｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆＴｉ－６Ａｌ－４ＶＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ
ＳＵＮＦｕ－ｊｉａｎ１ꎬ２ꎬＳＵ㊀Ｆｅｉ１ꎬ２
(１.ＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭａｃｈｉｎｉｎｇｏｆＤｉｆｆｉｃｕｌｔ－ｔｏ－ＣｕｔＭａｔｅｒｉａｌꎬＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉａｎｇｔａｎＨｕｎａｎ㊀４１１２０１ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨＮＵＳＴꎬＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉａｎｇｔａｎＨｕｎａｎ㊀４１１２０１ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｍｉｃｒｏ－ｖｏｉｄｓｏｆｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｍａｔｅｒｉａｌｏｎｓｅｒｒａｔｅｄｃｈｉｐｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｔｈｅｃｈｉｐｓｈｅａｒａｎｇｌｅΦｓｅｇꎬｔｈｅｂｕｌｇｅａｎｇｌｅρｓｅｇａｎｄｔｈｅｍｅａｎｓｈｅａｒｓｔｒａｉｎγｓｅｇｏｆｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｉｅｓｏｆ
led箱体９９.４％ａｎｄ９５.０４％ｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ.Ｔｈｅｔｈｅｏｒｙｗａｓｐｒｏｐｏｓｅ
ｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｍｉｃｒｏ－ｖｏｉｄｏｆｔｈｅｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｍａｔｅｒｉａｌｓｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｈｉｐｓｈｅａｒｂａｎｄꎬｂｕｔａｌｓｏａｃｔａｓｔｈｅｃｒａｃｋｓｏｕｒｃｅｆｏｒｓｈｅａｒｉｎｇꎻａｎｄｉｔｗｏｕｌｄｉｎ￣ｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ.
爬梯安全装置Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｍａｔｅｒｉａｌꎻｒｅｓｉｄｕａｌｍｉｃｒｏ－ｖｏｉｄꎻｓｈｅａｒａｎｇｌｅꎻｂｕｌｇｅａｎｇｌｅꎻｍｅａｎｓｈｅａｒｓｔｒａｉｎ
麻元友０㊀引㊀言
钛合金材料优异的物理化学属性使其成为极具吸引力的结构材料ꎬ但是其强度高㊁热导率系数小等引起的难加工特性限制了材料的推广应用ꎮ粉末冶金技术ꎬ作为一种近净成形工艺ꎬ能够明显减少ꎬ甚至避免钛合金毛坯的制造加工工序ꎬ因此粉末冶金技术在钛合金零件中的应用能够提高钛合金零件的制造效率ꎮ
随着粉末冶金技术的发展ꎬ粉末冶金材料的致密度已经可以达到近似完全致密化的程度ꎬ但是其内部却依旧存在着一定的残余微孔隙[１]ꎮ锯齿状切屑作为钛合金材料切削过程的典型特征之一ꎬ在较低的切削速度下就已经出现[２]ꎮ大量的学者对钛合金材料锯齿状切屑的形成机理进行了研究ꎬ提出绝热剪切 和破坏剪切两种理论来解释锯齿状切屑的形成机理ꎮＳｕｎ等[３－４]在研究粉末冶金材料残余微孔隙对锯齿状切屑的影响中ꎬ指出钛合金材料锯齿状切屑的形成机理为破坏剪切ꎬ并且其残余微孔隙能够缓解切屑剪切带的塑性不稳定程度ꎬ改善切屑的锯齿状结构ꎮ
此研究为了能够进一步研究粉末冶金材料残余
微孔隙对钛合金锯齿状切屑形成机理的影响ꎬ制备了两种具有不同致密度的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末冶金材料ꎬ对比了它们的剪切方向角Φｓｅｇ㊁突起角ρｓｅｇ和剪切带处的平均剪应变γｓｅｇꎮ
１㊀锯齿状切屑形成模型
在钛合金材料切削过程中ꎬ锯齿状切屑的形成可以分为两个阶段ꎬ第一个阶段切削层在刀具的推挤作用下凸起ꎻ第二个阶段为剪切带处的材料发生剪切滑移变形ꎮ如此形成的锯齿状切屑的形貌如图１所示ꎮ由发生剪切滑移的剪切带分来的锯齿状结构组成[５－６]ꎮ
如图１所示ꎬ可以通过ＮａｎｏＭｅａｓｒｕｅｒ软件测量
剪切方向角ϕｓｅｇ和突起角ρｓｅｇꎬ并根据下式计算出剪切带处的平均剪应变γｓｅｇ:
γｓｅｇ＝
ｓｉｎρｓｅｇ
ｓｉｎϕｓｅｇｓｉｎ(ϕｓｅｇ＋ρｓｅｇ)
２㊀试验材料及方案
２.１㊀试验材料与切削刀具
采用超声气体雾化法制备Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ预合金粉末ꎮ热等静压工艺ꎬ作为一种粉末冶金技术ꎬ通过中
０６１ 材料加工㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
２０１８年第４期(第３１卷ꎬ总第１５６期) 机械研究与应用
∗收稿日期:２０１８－０５－３０
基金项目：湖南省教育厅科研项目资助：基于材料组装方式的ＴＡ７钛合金切屑形成机理研究(编号:１７Ｃ０６３９)ꎮ作者简介：孙富建(１９８６－)ꎬ男ꎬ山东聊城人ꎬ讲师ꎬ主要从事难加工高效精密加工方面的研究ꎮ
间介质从各个方向对预合金粉末均匀施加温度和压力ꎬ因此可以制备密度均匀㊁形状复杂的大型粉末冶金材料ꎮ采用同时升温升压的热等静压工艺ꎬ在热等静压参数８９０ħ/９０ＭＰａ/３ｈ㊁７５０ħ/５０ＭＰａ/３ｈ下分别制备了致密度为９９.４％和９５.０４％的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末冶金材料ꎬ其机械性能与微观组织分别如表１和图２所示
旗袍花扣
ꎮ
图１㊀锯齿状切屑形成示意图[５－６]
表１㊀Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末冶金材料的机械性能
热等静压参数致密度/％
抗拉强度/ＭＰａ屈服强度/ＭＰａ伸长率/％
硬度/ＨＶ
８９０ħ/９０ＭＰａ/３ｈ
９９.４９６５８８８１４.５３２２.３７５０ħ/５０ＭＰａ/３ｈ９５.０４８０９
７７４
－
３１７.５
图２㊀Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末冶金材料的微观组织
㊀
㊀
选用超细硬质合金颗粒制备的㊁型号ＣＮＭＧ１２０４０４－ＭＡＶＰ１５ＴＦ的带断屑槽的硬质合金刀具作为车削用刀具ꎬ刀具基体表面选用化学气体沉积法制备了(ＡｌＴｉ)Ｎ涂层ꎮ所选用的刀杆型号为ＭＣＬＮＲ２０２０Ｋ１２ꎬ硬质合金刀具采用机夹式方式固定在刀杆上ꎬ车削过程中的工作角度为前角－６ʎ㊁后角天燃气燃烧机
５ʎ㊁主偏角９５ʎ㊁副偏角５ʎꎮ２.２㊀试验方案
在ＣＫＡ６１５０ｉ数控车床上进行Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末冶金材料的干切削实验ꎬ收集切削产生的锯齿状切屑ꎬ利用金相试样镶嵌粉制备切屑横截面试样ꎬ通过机械研磨㊁抛光和酸性腐蚀等处理试样ꎬ在光学显微
镜下观察切屑的横截面形貌ꎬ利用ＮａｎｏＭｅａｓｕｒｅｒＳｏｆｔｗａｒｅ软件测量切屑的剪切方向角ϕｓｅｇ和突起角
ρｓｅｇꎬ并计算出剪切带处的平均剪应变γｓｅｇꎮ
３㊀试验结果与讨论
３.１㊀剪切方向角ϕｓｅｇ
在锯齿状切屑的形成过程中ꎬ切削层从开始发生
剪切滑移开始到剪切角达到剪切方向角ϕｓｅｇꎬ破坏剪切带从而形成ꎬ所以剪切方向角ϕｓｅｇ能够用来表示切屑剪切带的滑移程度[７]ꎮ
在切削致密度９５.０４％和９９.４％的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉
末冶金材料的剪切方向角ϕｓｅｇ随着切削速度的变化规律如图３所示ꎮ在切削致密度９９.４％的粉末冶金材料时ꎬ剪切方向角ϕｓｅｇ随着切削速度的增加而减小ꎮ这种现象主要归因于粉末冶金材料内部的残余微孔隙能够明显改善切削层剪切带的塑性不稳定程
度ꎬ同时由于在切削速度５０ｍ/ｍｉｎ时ꎬ刀具前刀面工件材料粘结层高度的下降能够加剧刀具－切屑间的摩擦磨损ꎬ从而提高了切屑剪切带的滑移程度
ꎮ
图３㊀切削速度对剪切方向角ϕｓｅｇ的影响
㊀㊀切削致密度９５.０４％粉末冶金材料时ꎬ剪切方向角ϕｓｅｇ随切削速度增加而逐步增加ꎮ这种与９９.４％
粉末冶金材料相反的变化规律ꎬ是由于９５.０４％粉末冶金材料残余微孔隙尺寸的增加虽然能够更大程度改善剪切带的塑性不稳定程度ꎬ但是同时也可以作为破坏剪切开始发生的裂纹源ꎬ降低剪切带发生塑性滑移的程度ꎮ
线性排水沟尺寸
３.２㊀突起角ρｓｅｇ
切屑的突出角ρｓｅｇ的作用是表征切削层材料开始发生剪切滑移的临界应力[５]ꎮ在切削两种致密度Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末冶金材料时ꎬ切削速度对切屑突出角ρｓｅｇ的影响如图４所示ꎮ致密度９９.４％粉末冶金材料的突出角ρｓｅｇ随着切削速度的增加而减小ꎬ这说明粉末冶金材料尺寸较小的残余微孔隙能够作为破坏剪切的裂纹源ꎬ引起随着切削速度的提高ꎬ切削层材料发生剪切滑移所需的临界应力的下降ꎮ
１６１ 机械研究与应用 ２０１８年第４期(第３１卷ꎬ总第１５６期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
㊀㊀㊀㊀㊀材料加工
致密度９５.０４％粉末冶金材料的突出角ρｓｅｇ随着
切削速度的增加而升高ꎬ虽然切削速度６０ｍ/ｍｉｎ时切削温度的增加降低了刀具前刀面积屑瘤的高度引起切屑突出角ρｓｅｇ突然出现下降趋势ꎮ这种现象主要是由于粉末冶金材料尺寸较大的残余微孔隙能够更大程度改善剪切带的塑性不稳定程度ꎬ从而增加了切屑剪切带发生剪切滑移的临界应力值
ꎮ
图４㊀切削速度对切屑突出角ρｓｅｇ的影响
３.３㊀平均剪应变γｓｅｇ
在切削两种Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末冶金材料时ꎬ切屑剪切带的平均剪应变随着切削速度的变化规律如图
５所示ꎮ当致密度９９.４％的粉末冶金材料被切削时ꎬ切屑剪切带的平均剪应变随着切削速度的增加而增加ꎬ此种现象说明虽然粉末冶金材料的残余微孔隙虽然能够改善剪切带的塑性不稳定程度ꎬ但是剪切带的剪切应变依旧有增加的趋势[８]ꎮ同时从图５中观察到９９.４％粉末冶金材料剪切带处的平均剪应变在５０ｍ/ｍｉｎ时ꎬ由于刀具积屑瘤高度的下降出现了急剧下降的趋势
ꎮ
图５㊀切削速度对切屑平均剪应变γｓｅｇ的影响
㊀㊀当致密度９５.０４％的粉末冶金材料被切削时ꎬ随着切削速度的增加切屑剪切带处的平均应变先增加后减小ꎮ其成因为较大尺寸的残余空隙在低切削速度下能够提高空隙处切屑的剪应变ꎮ随着切削速度的提升ꎬ残余空隙反而能够起到减缓切屑剪切带残余空隙处的塑性不稳定程度ꎬ从而引起了平均剪应变随着切削速度的减小ꎮ
４㊀结㊀论
通过对比致密度９９.４％和９５.０４％粉末冶金材料
切屑的剪切方向角ϕｓｅｇ㊁突起角ρｓｅｇ和剪切带处的平均剪应变γｓｅｇꎬ可以得到以下结论:
(１)在切削致密度９９.４％的粉末冶金材料时ꎬ随
着切削速度的增加ꎬ剪切方向角ϕｓｅｇ和突起角ρｓｅｇ均减小ꎬ切屑剪切带的平均剪应变γｓｅｇ则出现增大的趋势ꎮ
(２)在切削致密度９５.０４％的粉末冶金材料时ꎬ
随着切削速度的增加ꎬ剪切方向角ϕｓｅｇ和突出角ρｓｅｇ均升高ꎬ剪切带的平均剪应变γｓｅｇ则呈现先增加后减
小的变化规律ꎮ
(３)粉末冶金材料的残余微孔隙不仅能够改善
切屑剪切带的塑性不稳定程度ꎬ而且也可以作为破坏剪切的裂纹源ꎬ从而对锯齿状切屑的形成产生影响ꎮ参考文献:
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[４]㊀ＳｕｎＦＪꎬＱｕＳＧꎬＳｕＦꎬｅｔａｌ.Ｓｈｅａｒｂａｎｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｗｅａｒｍｅｃｈａ￣
ｎｉｓｍｓｏｆＴｉ－６Ａｌ－４Ｖｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｎ￣ｓｉｔｉｅｓ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ
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ｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００８(１):８１－８５.[６]㊀ＣｏｔｔｅｒｅｌｌＭꎬＢｙｒｎｅＧ.Ｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｃｈｉｐｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ
ｃｕｔｔｉｎｇｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ[Ｊ].ＣＩＲＰＡｎｎａｌｓ－Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ￣ｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００８(５７):９３－９６.
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ａｌｌｏｙ－ｃｈａｎｇｅｉｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｈｉｐｆｏ
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３７－４３.
[８]㊀ＶｅｎｕｇｏｐａｌＫＡꎬＰａｕｌＳꎬＣｈａｔｔｏｐａｄｈｙａｙ.Ｇｒｏｗｔｈｏｆｔｏｏｌｗｅａｒｉｎｔｕｒｎ￣
ｉｎｇｏｆＴｉ－６Ａｌ－４Ｖａｌｌｏｙｕｎｄｅｒｃｒｙｏｇｅｎｉｃｃｏｏｌｉｎｇ[Ｊ].Ｗｅａｒꎬ２００７ꎬ
２６２(９－１０):１０７１－１０７８.
２６１ 材料加工㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第４期(第３１卷ꎬ总第１５６期) 机械研究与应用
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