引言

鈦合金具有高硬度、低導(dǎo)熱性、粘刀性等特點，在切削加工過程中面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是對加工精度要求極高的汽車關(guān)鍵零部件切削加工。連桿作為發(fā)動機的重要組成部分，連接著活塞和曲軸，承受著巨大的交變載荷，其加工精度和表面質(zhì)量直接影響發(fā)動機的性能和壽命。鈦合金連桿的加工難度遠高于傳統(tǒng)鋼材連桿，在切削過程中鈦合金高硬度和低導(dǎo)熱性會導(dǎo)致切削溫度過高，而其粘刀性則容易造成切屑粘連和表面質(zhì)量問題，降低產(chǎn)品加工效率，因此制約鈦合金連桿的推廣應(yīng)用。本研究圍繞鈦合金連桿切削加工的關(guān)鍵問題展開，分析鈦合金切削加工特性，研究刀具材料、切削參數(shù)、冷卻潤滑等因素對加工效率的影響，探索新型加工技術(shù)和工藝優(yōu)化方法。

1、試樣材料制備

本文介紹了一種用于汽車鈦合金連桿切削工藝試驗的材料制備方法，通過真空電弧熔煉和鍛造工藝，獲得具有優(yōu)良性能的鈦合金試樣。工作人員采用真空電弧熔煉方法熔煉鈦合金：將鈦合金原料置于真空熔煉爐中，通過電弧加熱至高溫，使鈦合金完全熔化；熔煉過程中，真空環(huán)境有效減少雜質(zhì)和氣體的引入，提高鈦合金的純凈度［1］。將熔煉后的鈦合金鑄造成尺寸為620mm×300mm的鑄錠。為了進一步提高材料的均勻性，將鑄錠再次熔煉并鑄造，重復(fù)該過程3次，每次熔煉和鑄造的過程控制溫度在830℃，以細化鈦合金的晶粒結(jié)構(gòu)。經(jīng)過3次熔煉和鑄造后，獲得的鑄錠尺寸為450mm×300mm，為了降低鑄造粗晶粒結(jié)構(gòu)，進一步對鑄錠進行鍛造處理，通過多次加熱和鍛打，使鈦合金的晶粒結(jié)構(gòu)進一步細化，最終得到尺寸為180mm×300mm的鍛件試樣。經(jīng)過上述工藝制備的鈦合金試樣，鈦合金的晶粒結(jié)構(gòu)均勻細化，顯著提高了材料的強度和韌性；鈦合金本身具有較低的密度，適合用于汽車輕量化設(shè)計；真空電弧熔煉過程中，減少雜質(zhì)和氣體引入，提高鈦合金的耐腐蝕性能，如表1所示。

1.1　試驗設(shè)備

為了優(yōu)化鈦合金連桿的切削工藝，確保其性能和質(zhì)量，試驗設(shè)備的選擇和配置至關(guān)重要。試驗設(shè)備主要包括機床、試樣、切削刀具、力傳感器、光纖激光束、高速紅外攝像機。機床型號DMGMORINLX2500SY5AX，重復(fù)定位精度達到±0.005mm，滿足鈦合金連桿的高精度要求，實現(xiàn)復(fù)雜曲面的加工，提高加工效率。試樣采用鈦合金連桿試樣，試樣幾何尺寸和表面質(zhì)量均經(jīng)過嚴(yán)格檢測，保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性；切削刀具型號SandvikCoromantCoroMill390，采用PVD涂層技術(shù)，提高刀具的耐磨性，多刃設(shè)計，增加切削刃數(shù)，提高切削效率。力傳感器型號Kistler9257B，能實時數(shù)據(jù)采集，便于工藝參數(shù)的實時調(diào)整；光纖激光束型號IPGPhotonicsYLR-500-W，500W的激光功率，光束直徑小，聚焦精度高，適用于微小區(qū)域的檢測。高速紅外攝像機型號FLIRA6750sc，640×512像素，高達200Hz的幀率，-40°C~+2000℃的溫度測量范圍，適用于各種切削條件［2］。

為了控制試驗誤差，30s為采樣周期，每組切削力測量5次，計算測量值平均值，保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在試驗中，采用傳感器標(biāo)定系數(shù)，3個切削力分別為在利用激光輔助進行切削試驗過程中，激光功率為3.0kW，通過光學(xué)透鏡進行聚焦，纖維長度20m、焦距20mm［3］。

1.2　試驗方法

為了系統(tǒng)地研究切削參數(shù)對鈦合金連桿切削特性的影響，本研究設(shè)計四組不同的試驗。第一組試驗固定進給量為0.19mm/r，切削速度主要包括100m/min、150m/min、200m/min，判斷不同速度給切削溫度、切削力造成的影響；第二組試驗與第一組試驗固定進給量相同、切削速度相同，差別是采用激光輔助切削加工，分析不同切削速度對切削溫度、切削力的影響；第三組試驗固定切削速度為150m/min，進給量控制為0.15mm/r、0.19mm/r、0.23mm/r，研究其對切削溫度、切削力的改變。第四組試驗與第三組試驗固定切削速度和進給量相同，采用激光輔助切削加工，探究進給量對切削溫度、切削力的影響［4］。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1　第一、二組試驗結(jié)果

將固定進給量控制為0.19mm/r，當(dāng)切削速度增加同時，發(fā)現(xiàn)切削溫度和切削力持續(xù)提升。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可見，隨著切削速度從100m/min增加到200m/min，機床切削的切削溫度從250℃上升到350℃，激光輔助切削的切削溫度從230℃上升到330℃，表明切削速度的增加會導(dǎo)致切削過程中產(chǎn)生大量熱量，從而使切削溫度上升。同樣，切削速度增加也致使切削力持續(xù)上升，機床切削的切削力從350N增加到450N，激光輔助切削的切削力從320N增加到420N。主要原因是隨著切削速度持續(xù)增加，刀具與工件之間的摩擦力增大，從而導(dǎo)致切削力的上升。通過本次實驗，發(fā)現(xiàn)切削速度對切削溫度產(chǎn)生明顯影響，隨著切削速度的增加，切削溫度顯著上升，主要是由于切削過程中產(chǎn)生的熱量增加所致；切削速度增加同樣讓切削力上升，這和摩擦力增加、刀具與工件之間的相互作用增強有直接關(guān)聯(lián)。在實際加工過程中，工作人員根據(jù)具體的加工要求和材料特性，合理選擇切削速度，以平衡切削溫度和切削力的影響，從而提高加工效率［5］。

2.2　第三、四組試驗結(jié)果

在金屬切削加工過程中，切削溫度和切削力是兩個關(guān)鍵的工藝參數(shù)，它們直接影響加工質(zhì)量和刀具壽命［6］。本文通過實驗研究了在固定切削速度為150m/min的條件下，進給量對切削溫度和切削力的影響。實驗結(jié)果揭示了進給量增加對切削溫度和切削力的顯著影響，如表3所示。

由表3可見，隨著進給量持續(xù)增加，無論是機床切削還是激光輔助切削，切削溫度和切削力均呈現(xiàn)上升趨勢。在機床切削條件下，進給量從0.15mm/r增加到0.23mm/r時，切削溫度從280℃上升到320℃，增加了40℃。在激光輔助切削條件下，進給量從0.15mm/r增加到0.23mm/r時，切削溫度從260℃上升到300℃，其溫度上升40℃。在機床切削條件下，進給量從0.15mm/r增加到0.23mm/r時，切削力從380N上升到420N，增加溫度為40N；在激光輔助切削條件下，進給量從0.15mm/r增加到0.23mm/r時，切削力從350N上升到390N，增加了40N［7］。實驗結(jié)果表明，在固定切削速度為150m/min的條件下，進給量的增加會導(dǎo)致切削溫度和切削力的顯著上升。進給量增加意味著每轉(zhuǎn)的切削深度增加，切削力有效增大，進一步加劇切削過程中的摩擦和能量消耗，從而導(dǎo)致切削溫度的上升；切削力增加會導(dǎo)致大量能量轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能主要集中在切削區(qū)域，導(dǎo)致切削溫度上升；盡管激光輔助切削在一定程度上降低切削溫度和切削力，但仍然無法完全抵消進給量增加帶來的影響。因此，在實際加工過程中，合理選擇進給量對于控制切削溫度和切削力至關(guān)重要，過高的進給量不僅會增加切削溫度和切削力，還可能導(dǎo)致刀具磨損加劇，影響加工質(zhì)量。因此，在實際操作中，工作人員需根據(jù)具體的加工要求和材料特性，選擇合適的進給量，從而實現(xiàn)高效的加工過程［8］。

3、結(jié)論

本研究圍繞汽車鈦合金連桿切削工藝展開，分析了連桿結(jié)構(gòu)特點，探討了鈦合金的切削性能，并提出了針對性的切削工藝參數(shù)優(yōu)化方案。研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金連桿的切削加工具有一定的難度，鈦合金的彈性模量較低，切削過程中易產(chǎn)生振動，影響加工精度；鈦合金的切削熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，容易產(chǎn)生熱積累，導(dǎo)致刀具磨損加劇、工件變形等問題。因此，針對這些難點，本研究根據(jù)鈦合金的切削性能，選擇具有較高硬度、耐磨性及抗化學(xué)磨損性能的刀具材料，如硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具等，合理選擇切削速度、進給量、切削深度等參數(shù)，降低切削過程中的振動；采用分層切削、逆序切削等方法，提高切削效率。

參考文獻

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