引言
钛合金具有高硬度、低导热性、粘刀性等特点，在切削加工过程中面临诸多挑战，尤其是对加工精度要求极高的汽车关键零部件切削加工。连杆作为发动机的重要组成部分，连接着活塞和曲轴，承受着巨大的交变载荷，其加工精度和表面质量直接影响发动机的性能和寿命。钛合金连杆的加工难度远高于传统钢材连杆，在切削过程中钛合金高硬度和低导热性会导致切削温度过高，而其粘刀性则容易造成切屑粘连和表面质量问题，降低产品加工效率，因此制约钛合金连杆的推广应用。本研究围绕钛合金连杆切削加工的关键问题展开，分析钛合金切削加工特性，研究刀具材料、切削参数、冷却润滑等因素对加工效率的影响，探索新型加工技术和工艺优化方法。
1、试样材料制备
本文介绍了一种用于汽车钛合金连杆切削工艺试验的材料制备方法，通过真空电弧熔炼和锻造工艺，获得具有优良性能的钛合金试样。工作人员采用真空电弧熔炼方法熔炼钛合金：将钛合金原料置于真空熔炼炉中，通过电弧加热至高温，使钛合金完全熔化；熔炼过程中，真空环境有效减少杂质和气体的引入，提高钛合金的纯净度［1］。将熔炼后的钛合金铸造成尺寸为620mm×300mm的铸锭。为了进一步提高材料的均匀性，将铸锭再次熔炼并铸造，重复该过程3次，每次熔炼和铸造的过程控制温度在830℃，以细化钛合金的晶粒结构。经过3次熔炼和铸造后，获得的铸锭尺寸为450mm×300mm，为了降低铸造粗晶粒结构，进一步对铸锭进行锻造处理，通过多次加热和锻打，使钛合金的晶粒结构进一步细化，最终得到尺寸为180mm×300mm的锻件试样。经过上述工艺制备的钛合金试样，钛合金的晶粒结构均匀细化，显著提高了材料的强度和韧性；钛合金本身具有较低的密度，适合用于汽车轻量化设计；真空电弧熔炼过程中，减少杂质和气体引入，提高钛合金的耐腐蚀性能，如表1所示。
1.1 试验设备
为了优化钛合金连杆的切削工艺，确保其性能和质量，试验设备的选择和配置至关重要。试验设备主要包括机床、试样、切削刀具、力传感器、光纤激光束、高速红外摄像机。机床型号DMGMORINLX2500SY5AX，重复定位精度达到±0.005mm，满足钛合金连杆的高精度要求，实现复杂曲面的加工，提高加工效率。试样采用钛合金连杆试样，试样几何尺寸和表面质量均经过严格检测，保证试验结果的准确性；切削刀具型号SandvikCoromantCoroMill390，采用PVD涂层技术，提高刀具的耐磨性，多刃设计，增加切削刃数，提高切削效率。力传感器型号Kistler9257B，能实时数据采集，便于工艺参数的实时调整；光纤激光束型号IPGPhotonicsYLR-500-W，500W的激光功率，光束直径小，聚焦精度高，适用于微小区域的检测。高速红外摄像机型号FLIRA6750sc，640×512像素，高达200Hz的帧率，-40°C~+2000℃的温度测量范围，适用于各种切削条件［2］。
为了控制试验误差，30s为采样周期，每组切削力测量5次，计算测量值平均值，保证试验结果的准确性。在试验中，采用传感器标定系数，3个切削力分别为在利用激光辅助进行切削试验过程中，激光功率为3.0kW，通过光学透镜进行聚焦，纤维长度20m、焦距20mm［3］。
1.2 试验方法
为了系统地研究切削参数对钛合金连杆切削特性的影响，本研究设计四组不同的试验。第一组试验固定进给量为0.19mm/r，切削速度主要包括100m/min、150m/min、200m/min，判断不同速度给切削温度、切削力造成的影响；第二组试验与第一组试验固定进给量相同、切削速度相同，差别是采用激光辅助切削加工，分析不同切削速度对切削温度、切削力的影响；第三组试验固定切削速度为150m/min，进给量控制为0.15mm/r、0.19mm/r、0.23mm/r，研究其对切削温度、切削力的改变。第四组试验与第三组试验固定切削速度和进给量相同，采用激光辅助切削加工，探究进给量对切削温度、切削力的影响［4］。
2、试验结果与分析
2.1 第一、二组试验结果
将固定进给量控制为0.19mm/r，当切削速度增加同时，发现切削温度和切削力持续提升。具体数据如表2所示。
由表2可见，随着切削速度从100m/min增加到200m/min，机床切削的切削温度从250℃上升到350℃，激光辅助切削的切削温度从230℃上升到330℃，表明切削速度的增加会导致切削过程中产生大量热量，从而使切削温度上升。同样，切削速度增加也致使切削力持续上升，机床切削的切削力从350N增加到450N，激光辅助切削的切削力从320N增加到420N。主要原因是随着切削速度持续增加，刀具与工件之间的摩擦力增大，从而导致切削力的上升。通过本次实验，发现切削速度对切削温度产生明显影响，随着切削速度的增加，切削温度显著上升，主要是由于切削过程中产生的热量增加所致；切削速度增加同样让切削力上升，这和摩擦力增加、刀具与工件之间的相互作用增强有直接关联。在实际加工过程中，工作人员根据具体的加工要求和材料特性，合理选择切削速度，以平衡切削温度和切削力的影响，从而提高加工效率［5］。
2.2 第三、四组试验结果
在金属切削加工过程中，切削温度和切削力是两个关键的工艺参数，它们直接影响加工质量和刀具寿命［6］。本文通过实验研究了在固定切削速度为150m/min的条件下，进给量对切削温度和切削力的影响。实验结果揭示了进给量增加对切削温度和切削力的显著影响，如表3所示。
由表3可见，随着进给量持续增加，无论是机床切削还是激光辅助切削，切削温度和切削力均呈现上升趋势。在机床切削条件下，进给量从0.15mm/r增加到0.23mm/r时，切削温度从280℃上升到320℃，增加了40℃。在激光辅助切削条件下，进给量从0.15mm/r增加到0.23mm/r时，切削温度从260℃上升到300℃，其温度上升40℃。在机床切削条件下，进给量从0.15mm/r增加到0.23mm/r时，切削力从380N上升到420N，增加温度为40N；在激光辅助切削条件下，进给量从0.15mm/r增加到0.23mm/r时，切削力从350N上升到390N，增加了40N［7］。实验结果表明，在固定切削速度为150m/min的条件下，进给量的增加会导致切削温度和切削力的显著上升。进给量增加意味着每转的切削深度增加，切削力有效增大，进一步加剧切削过程中的摩擦和能量消耗，从而导致切削温度的上升；切削力增加会导致大量能量转化为热能，这些热能主要集中在切削区域，导致切削温度上升；尽管激光辅助切削在一定程度上降低切削温度和切削力，但仍然无法完全抵消进给量增加带来的影响。因此，在实际加工过程中，合理选择进给量对于控制切削温度和切削力至关重要，过高的进给量不仅会增加切削温度和切削力，还可能导致刀具磨损加剧，影响加工质量。因此，在实际操作中，工作人员需根据具体的加工要求和材料特性，选择合适的进给量，从而实现高效的加工过程［8］。
3、结论
本研究围绕汽车钛合金连杆切削工艺展开，分析了连杆结构特点，探讨了钛合金的切削性能，并提出了针对性的切削工艺参数优化方案。研究发现，钛合金连杆的切削加工具有一定的难度，钛合金的弹性模量较低，切削过程中易产生振动，影响加工精度；钛合金的切削热传导系数较小，容易产生热积累，导致刀具磨损加剧、工件变形等问题。因此，针对这些难点，本研究根据钛合金的切削性能，选择具有较高硬度、耐磨性及抗化学磨损性能的刀具材料，如硬质合金刀具、陶瓷刀具等，合理选择切削速度、进给量、切削深度等参数，降低切削过程中的振动；采用分层切削、逆序切削等方法，提高切削效率。
参考文献
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