南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 史 琦 李 亮 何 寧 趙 威

鈦合金因其優(yōu)越的綜合使用性能而被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[1]。TC21是我國(guó)自主研發(fā)的一種高強(qiáng)度鈦合金，具有很好的高溫性能（高溫靜強(qiáng)度、持久性能），同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)鈦合金很好的服役性能，如疲勞強(qiáng)度、腐蝕環(huán)境疲勞、腐蝕環(huán)境裂紋擴(kuò)展、應(yīng)力和溫度負(fù)載疲勞及裂紋擴(kuò)展等性能達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求。因此，TC21鈦合金適用于制造飛機(jī)的中后機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)附近、起落架等對(duì)強(qiáng)度及耐久性要求高的重要或關(guān)鍵承力部件，其典型應(yīng)用有承力框梁、發(fā)動(dòng)機(jī)框架、水平安定面旋轉(zhuǎn)體等重要部件[2-3]。

目前，對(duì)于鈦合金零件的生產(chǎn)主要是通過(guò)切削加工方式實(shí)現(xiàn)的，而切削加工中最為活躍的因素莫過(guò)于刀具。大進(jìn)給銑削作為近年來(lái)興起的一種高效去除材料的加工方式越來(lái)越受關(guān)注，而在大進(jìn)給銑削中刀具磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致刀具的使用壽命短，制約了大進(jìn)給銑削在生產(chǎn)中的應(yīng)用。目前對(duì)大進(jìn)給銑削的研究較少，對(duì)于在大進(jìn)給銑削中的刀具磨損形態(tài)及磨損機(jī)理的研究就更少見。鑒于此，本文著重研究大進(jìn)給銑削TC21時(shí)的刀具磨損形態(tài)及磨損機(jī)理，進(jìn)而為在大進(jìn)給銑削TC21鈦合金及其他鈦合金時(shí)延長(zhǎng)刀具的使用壽命提供指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)條件及方案

1.1 試驗(yàn)條件

（1）工件材料：TC21是一種高強(qiáng)度的α+β型兩相鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-3Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1Cr（具體化學(xué)成分組成見表1）。TC21鈦合金具有高強(qiáng)度、高韌性、高損傷容限性能、優(yōu)良的疲勞性能（優(yōu)于TC4、TA15等中強(qiáng)度鈦合金）和焊接性能（電子束焊接接頭綜合性能達(dá)到與母材相當(dāng)?shù)乃剑┑染C合性能，是目前我國(guó)高強(qiáng)韌鈦合金綜合力學(xué)性能匹配優(yōu)異的鈦合金材料。TC21鈦合金與美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-22上應(yīng)用的Ti-6-22-22s同屬高強(qiáng)損傷容限型鈦合金，但TC21鈦合金在化學(xué)成分和工藝控制上均有自己的特色，主要體現(xiàn)在具有非常優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和簡(jiǎn)單可行的工藝性能。

表1 TC21化學(xué)成分 %

（2）刀具：TC21的強(qiáng)度、硬度高，導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)致切削加工時(shí)力和溫度都很高，所以使用的刀具材料必須具有較高的熱硬性和高溫強(qiáng)度；加之銑削加工是斷續(xù)切削，刀具承受著周期性的沖擊載荷而極易破損，因此要求刀具具有較高的沖擊韌性。目前，硬質(zhì)合金刀具在鈦合金的切削加工中使用廣泛，據(jù)此本試驗(yàn)選用德國(guó)Walter公司提供的Tiger·Tec Silver系列高性能硬質(zhì)合金涂層刀片WKP35S，刀片型號(hào)為P23696-1.0，其刀具前角為16°，刀具主偏角為0～15°，刀具直徑為25mm，軸向最大切深為1mm，每齒進(jìn)給量最高可達(dá)3.5mm。

（3）機(jī)床：Mikron UCP 710五坐標(biāo)高速加工中心。

（4）刀具磨損測(cè)量工具：JSM-5610LV型掃描電鏡。

1.2 試驗(yàn)方案

采用順銑方式進(jìn)行單齒大進(jìn)給銑削，試驗(yàn)中使用乳化液進(jìn)行冷卻，并固定銑削用量如下：ν=100m/min，fz=1.00mm/Z，ae=12.5mm，ap=0.7mm。

通過(guò)大進(jìn)給銑削TC21鈦合金試驗(yàn)觀察刀具磨損狀態(tài)，預(yù)先設(shè)定刀具后刀面的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.6mm，此時(shí)停止大進(jìn)給銑削試驗(yàn)，進(jìn)而采用掃描電鏡觀察試驗(yàn)中刀片的磨損圖片并進(jìn)行分析。通常試驗(yàn)后的刀片上粘附有鈦合金材料而無(wú)法清晰地看到刀具的實(shí)際磨損情況，因此需要將粘附的鈦合金材料腐蝕掉再觀察。

圖1 銑削長(zhǎng)度對(duì)刀具磨損的影響Fig.1 Effect of cutting length on tool wear

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損的宏觀分析

刀具后刀面磨損是銑削時(shí)最常發(fā)生的磨損狀態(tài)，所以通常以后刀面磨損量來(lái)判定刀具是否磨鈍而失效。圖1為大進(jìn)給銑削TC21時(shí)銑削長(zhǎng)度對(duì)刀具磨損的影響。可見，隨著銑削長(zhǎng)度的增加，刀具后刀面磨損量總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)銑削長(zhǎng)度小于600mm時(shí)（即初期磨損階段），后刀面磨損量迅速增加；隨著銑削長(zhǎng)度的進(jìn)一步增長(zhǎng)（即正常磨損階段），后刀面磨損量的增加相對(duì)平緩；當(dāng)銑削長(zhǎng)度超過(guò)3000mm后，刀具開始急劇磨損，很快達(dá)到預(yù)先設(shè)定的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)觀察刀具的宏觀磨損形態(tài)發(fā)現(xiàn)，刀具后刀面的磨損并不均勻，與圖2所示的大進(jìn)給銑削示意圖對(duì)比可以看出，后刀面磨損最嚴(yán)重處在最大切深apmax附近；同理，前刀面磨損與后刀面磨損相對(duì)應(yīng)，也發(fā)生在最大切深附近，可見此處為刀具的薄弱部位，最易發(fā)生磨損而導(dǎo)致刀具失效。

圖2 大進(jìn)給銑削示意圖Fig.2 Diagram of high feed milling

2.2 刀具磨損的微觀分析

為了能夠清楚地展現(xiàn)刀具磨損的形式，研究刀具磨損的微觀形貌是一種行之有效的手段，并且刀具磨損的微觀相貌可以預(yù)示將來(lái)可能會(huì)發(fā)生的磨損形態(tài)。本試驗(yàn)采用掃描電鏡分別在兩種不同的狀態(tài)下采集刀具的微觀形貌，一種是采集刀具微觀形貌的原始狀態(tài)；一種是通過(guò)腐蝕液去掉粘附在刀具上的鈦合金材料后采集刀具的微觀形貌。

圖3為大進(jìn)給銑削TC21時(shí)刀具微觀形貌的原始狀態(tài)。由圖可見，大進(jìn)給銑削鈦合金時(shí)，前刀面上有不規(guī)則的鈦合金粘附物和較大的層片塊狀崩落，后刀面被呈層疊狀的鈦合金覆蓋。鈦合金粘附物的存在以及這種粘附的無(wú)限量增加，必然會(huì)產(chǎn)生粘附物被帶走時(shí)而導(dǎo)致刀具發(fā)生粘結(jié)撕裂磨損[4]現(xiàn)象。

圖3 刀具微觀相貌的原始狀態(tài)Fig.3 Micro morphology of cutting tool at original state

圖4為腐蝕掉粘附的鈦合金后大進(jìn)給銑削TC21時(shí)的刀具微觀磨損形貌圖。由圖可見，前刀面磨損區(qū)表面凹凸不平，這是由不規(guī)整的層片塊狀剝落形成的；且前刀面上有垂直于切削刃并相互平行的裂紋，通常刀具上的這種裂紋被認(rèn)為是在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的相互沖擊作用以及刀具表面的塑性變形作用下而產(chǎn)生的，并稱為熱裂紋[5-6]。后刀面的磨損區(qū)較為平整，沒有明顯的摩擦刮痕，但可見垂直于切削刃的熱裂紋。與側(cè)銑刀具產(chǎn)生的熱裂紋相同的是，此處的熱裂紋也是由后刀面經(jīng)過(guò)刃口延伸至前刀面，且在這些熱裂紋上有很多不規(guī)則的小坑，這些小坑是由鈦合金粘附物撕裂硬質(zhì)合金顆粒而形成的，這些小坑的形成會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)寬裂紋，從而降低刀具的強(qiáng)度，最終導(dǎo)致切削刃的碎裂或斷裂而引起大塊剝落，使刀具失效；與側(cè)銑刀具產(chǎn)生的熱裂紋不同的是，此處熱裂紋不是均勻排布的，其間距大小不一致，且熱裂紋的間距在越靠近最大切深處越小，其最大的裂紋間距可達(dá)750μm，最小的裂紋間距則為250μm，然而即使是最小的裂紋間距也要比側(cè)銑的裂紋間距100μm[7]大很多。

圖4 腐蝕掉鈦合金后的刀具微觀形貌Fig.4 Micromorphology of cutting tool after eating off attached titanium alloy

刀具的失效除了由于逐漸磨損至失效外，還有突發(fā)的、隨機(jī)的破損而導(dǎo)致的失效。圖5為大進(jìn)給銑削TC21時(shí)的刀具破損形貌圖，其中圖5（a）所示為貝殼狀的片狀剝落。產(chǎn)生這種片狀剝落的主要原因是由于銑削是斷續(xù)切削，刀/屑接觸區(qū)有比較嚴(yán)重的熱應(yīng)力疲勞，在這種熱應(yīng)力疲勞和切屑的沖擊下，刀具表面容易產(chǎn)生平行于切削刃的裂紋，并不斷擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度就會(huì)使刀具表層發(fā)生脫落，并引起大面積的片狀剝落，如此反復(fù)就導(dǎo)致刀具失效。除此之外，還會(huì)出現(xiàn)一些如圖5（b）所示的微坑，這是由于粘附在刀具上的鈦合金移動(dòng)時(shí)造成的。當(dāng)?shù)毒卟牧系氖芾Υ笥谟操|(zhì)合金顆粒間的結(jié)合力時(shí)，切屑流動(dòng)會(huì)帶走粘附的鈦合金，并連同撕裂一些刀具材料而形成這些微坑，如此反復(fù)進(jìn)行下去，微坑就會(huì)變成大坑，最后大塊刀具材料的損耗致使刀具失效。

圖5 刀具破損形態(tài)Fig.5 Breakage morphology of cutting tool

3 結(jié)論

通過(guò)研究大進(jìn)給銑削TC21鈦合金時(shí)的刀具磨損形態(tài)，可以得到如下結(jié)論：（1）大進(jìn)給銑刀的磨損形態(tài)主要表現(xiàn)在前刀面磨損、后刀面磨損和破損。前、后刀面上的磨損并不均勻，磨損最嚴(yán)重的區(qū)域在最大切深附近，也即為刀具的最薄弱部位。（2）在進(jìn)行平面大進(jìn)給銑削TC21鈦合金時(shí)，大進(jìn)給銑刀前、后刀面上粘附的鈦合金會(huì)使刀具產(chǎn)生粘結(jié)，撕裂磨損；前、后面上熱裂紋的擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致刀具急劇磨損，越靠近最大切深處裂紋越密集，刀具磨損也越嚴(yán)重。另外，前刀面片狀剝落和微坑會(huì)使刀具大量消耗而破損失效。

[1]Ezugwu E O, Wang Z M. Titanium alloys and their machinability——a review. Journal of Materials Processing Technology,1997, 68： 262-274.

[2]Fei Y H, Zhou L, Qu H L, et al. The pahse and microstructure of TC21 alloy. Materials Science and Engineering, 2008A, 494(1/2)： 166-172.

[3]黃旭,朱知壽,王紅紅. 先進(jìn)航空鈦合金材料與應(yīng)用. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2012：157-178.

[4]劉戰(zhàn)強(qiáng),艾興. 高速切削刀具磨損表面形態(tài)研究. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào) ,2002, 22(6)： 468-471.

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[6]Su Y, He N, Li L, et al. An experimental investigation of effects of cooling / lubrication conditions on tool wear in high-speed end milling of Ti-6Al-4V. Wear, 2006, 261(7/8), 760-766.

[7]徐九華,耿國(guó)盛. 硬質(zhì)合金刀具高速銑削鈦合金技術(shù). 航空制造技術(shù) ,2010(11)：38-40.