細晶硬質(zhì)合金刀具銑削TC4鈦合金的磨損機理與特性*

吳燕，姜增輝，于海鷗

(沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽110159)

摘要：為研究細晶硬質(zhì)合金刀具銑削TC4鈦合金的磨損機理及特性，在切削速度為100m/min的條件下采用涂層細晶硬質(zhì)合金刀片進行了干式銑削鈦合金試驗。試驗前通過SEM照片得到了試驗用刀片材料的原始顯微結(jié)構。通過銑削試驗，得到了銑削TC4鈦合金后刀片的磨損特點，分析了刀片的主要磨損機理，并得出了刀片的磨損曲線。結(jié)果表明：在100m/min的切削速度下，涂層細晶硬質(zhì)合金YBG202刀片的磨損，主要發(fā)生在后刀面，磨損位置接近刀尖圓?。坏毒叩哪p形式主要以粘結(jié)磨損為主，且磨損速度較快。

關鍵詞：細晶硬質(zhì)合金刀具；TC4鈦合金；磨損特性

文章編號：1001-2265(2015)09-0122-03

收稿日期：2014-12-21；修回日期：2014-11-21

基金項目：*國家科技重大專項資助(2012ZX04003-061)

作者簡介：吳燕(1989—)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，沈陽理工大學碩士研究生，研究方向為高速切削及數(shù)控裝備技術，(E-mail)chifengwuyan@163.com。

中圖分類號：TH142;TG506

Wear Mechanism and the Characteristic of Fine Grain Cemented Carbide Tool

Milling TC4 Titanium Alloy

WU Yan,JIANG Zeng-hui,YU Hai-ou

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159,China)

Abstract：In order to study wear mechanism and the characteristic of fine grain cemented carbide tool in milling TC4 titanium alloy, the tests of dry milling titanium alloy used coating fine grain cemented carbide blade was carried out under the condition of the cutting speed of 100 m/min. The original microstructure of blade material was obtained through the SEM photos before the experiment. Through the milling test, wear characteristics of the blade was obtained, the main wear mechanism of the blade was analyzed, and the blade wear curve was drawn. The results show that: at the speed of 100m/min, the blade wear of coating fine grain cemented carbide YBG202 mainly occurs in the flank face, and wear location close to corner of knife nose; Form of tool wear is mainly adhesion wear, and the wear is faster.

Key words： fine grain carbide tools;TC4 titanium alloy;wear characteristic

0引言

鈦合金以其優(yōu)良的特性被廣泛應用于各個行業(yè)[1]，但是由于它彈性模量和導熱系數(shù)小、高溫化學活性高,是一種難加工材料[2]。目前切削鈦合金常用的刀具材料是硬質(zhì)合金，在銑削過程中其刀具壽命較短，致使鈦合金切削效率較低，加工成本大幅增加。

王曉琴等[3]對硬質(zhì)合金刀具加工TC4的磨損特性和切削力進行了研究,當使用硬質(zhì)合金刀具高速加工TC4時，刀具的磨損主要表現(xiàn)為擴散磨損、粘結(jié)磨損和氧化磨損。 Ezugwul等[4-8]分別用涂層硬質(zhì)刀具和非涂層硬質(zhì)合金刀具銑削鈦合金,得出切削速度在60～150m/min范圍內(nèi)涂層和非涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損主要是后刀面溝槽磨損及微崩刃。兩種硬質(zhì)合金刀具的磨損機理主要表現(xiàn)為擴散磨損和粘結(jié)磨損。

近年來，WC顆粒小于1μm的細晶硬質(zhì)合金材料發(fā)展較快，以其制成的刀具在切削各種材料時切削性能均得到了較大提升。本文采用細晶硬質(zhì)合金刀具YBG202在較高切削速度下對TC4鈦合金進行順銑干切試驗，研究了刀具磨損的特征，并對其磨損機理進行了分析，為同類刀具的使用提供了參考依據(jù)。

1試驗條件

1.1試驗工件、刀具與裝備

(1)工件材料：試驗材料為TC4鈦合金厚板，TC4的主要化學成份和物理力學性能分別如表1和表2所示。

表1　鈦合金TC4的化學成份構成(%)

表2　TC4的物理力學性能

(2)試驗刀具：試驗選用株洲鉆石的3齒立銑刀，銑刀直徑為25mm(如圖1),刀桿和刀片型號如表3。

圖1　試驗用刀桿及刀片

刀桿型號刀片型號刀片牌號EMP01-025-G25-AP11-03APKT11T308-PFYBG202

試驗用YBG202刀片為株洲鉆石近幾年開發(fā)的涂層細晶硬質(zhì)合金刀片。圖2為刀片的SEM照片，照片顯示基體的WC顆粒尺寸基本都小于1μm，基體的表面涂覆了一層厚度約3μm的TiAlN涂層。

圖2　YBG202刀片的SEM照片

(3)試驗機床：日本森精機立式加工中心，機床型號為DuraVertical 635 eco(如圖3所示)。機床的工作臺面積尺寸為790mm×560mm，主軸的最高轉(zhuǎn)速為8000rpm，功率為11kW。

圖3　試驗用立式加工中心

(4)測量裝置：試驗通過VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察磨損刀具前刀面和后刀面的磨損形貌，對后刀面的磨損量進行測量。

1.2試驗方案及切削參數(shù)

試驗通過順銑干切削銑削平面來研究銑刀的磨損情況。銑削參數(shù)如表4。在銑削過程中切削一定行程后取下刀片，對刀片的磨損形貌使用基恩士VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察，測量并記錄后刀面磨損量。

表4　試驗切削參數(shù)

2試驗結(jié)果與分析

2.1刀具的磨損形貌

圖4為YBG202刀片在使用初期前刀面和后刀面磨損形貌。圖中顯示，在刀尖的刃口處有少量粘結(jié)物。由于切削路程較短(L=0.6mm)，前刀面沒有出現(xiàn)明顯磨損，只在刃口附近出現(xiàn)一條磨擦產(chǎn)生的狹長亮帶，后刀面并未出現(xiàn)明顯磨損痕跡。

(a)前刀面　　　　　　　　(b)后刀面

圖5為YBG202刀片在使用末期的前刀面和后刀面磨損形貌。圖中顯示，此時刀尖刃口已經(jīng)被嚴重損壞，且刀尖附近有明顯的粘結(jié)物。在前刀面上未出現(xiàn)明顯月牙洼，這是由于鈦合金切屑收縮系數(shù)小，切屑經(jīng)主切削刃切離后，立即向上翻卷，使切屑與前刀面間僅有一極窄的接觸區(qū)域，且位置十分靠近刃口。因此切屑流出時與前刀面磨擦產(chǎn)生的高溫、高壓對刃口影響更大，常常在月牙洼還未形成時就使刃口產(chǎn)生了損傷、破壞，而不能在前刀面靠近刃口附近形成明顯的月牙洼。后刀面出現(xiàn)了明顯的磨損溝槽，由于銑削深度不大，且被切削后鈦合金材料回彈較大，對刀尖圓弧位置擠壓嚴重，因此后刀面磨損較大區(qū)域并不在主后刀面上，而是出現(xiàn)在刀尖圓弧位置。

(a)前刀面　　　　　　　　(b)后刀面

2.2刀具的磨損機理

圖6為刀片在磨損末期刀尖刃口區(qū)域的SEM照片和能譜圖，表5是由能譜分析得到的刀片磨損區(qū)域中各元素質(zhì)量分數(shù)。SEM照片顯示刀尖部位磨損嚴重，刀尖圓弧已經(jīng)鈍化，刀尖區(qū)域有明顯粘結(jié)物。從能譜圖以及各元素質(zhì)量分數(shù)可看出，在磨損區(qū)域含有大量的Ti元素。由于刀尖磨損嚴重，刀片上原有的TiAlN涂層早已脫落，大量的Ti元素只可能來自刀具上粘結(jié)的工件材料，同時磨損區(qū)域存在的V元素也只能來自于工件材料—Ti6Al4V，由此可知刀尖的粘結(jié)物為工件材料。

在銑刀切削鈦合金的過程中切屑在與工件分離時，在切削區(qū)的高溫、高壓作用下會有少量切屑從切屑整體上被撕扯下來，粘結(jié)在刀尖上。隨著銑削的進行粘結(jié)物在摩擦、擠壓及銑削產(chǎn)生的沖擊載荷的作用下會從刀片上脫落下來，同時會有少量刀具材料被粘結(jié)物帶走，此過程不斷反復，刀片磨損發(fā)生。隨著刀片不斷磨損，每次被粘結(jié)物帶走的刀具材料不斷增加，刀具磨損加劇。如磨損初期每次被粘結(jié)物帶走的刀具材料增加較慢，則刀片會有一段較長的正常磨損區(qū)間，刀片會有較長的使用壽命。否則，刀片沒有正常磨損區(qū)間，刀片的磨損速率會很快。

(a)YB202刀具刃口的SEM照片

(b)刀具YB202磨損區(qū)域能譜圖

刀具牌號元素質(zhì)量分數(shù)(%)AlTiVYBG2028.09286.2755.633

2.3刀具耐用度

圖7為YBG202刀片的磨損曲線，可以看出在100m/min的銑削速度下，即使選用較小的銑削寬度、銑削深度和每齒進給量，刀片的磨損速度依然很快。隨著切削路程的增加，后刀面磨損量幾乎成正比增加，磨損過程中沒有明顯正常磨損階段，當切削路程為13.2m時磨損量已超過0.22mm。因此，在此銑削速度下順銑干切削鈦合金，YBG202涂層細晶硬質(zhì)合金刀具的耐用度較差。

( v=100m/min　 f z=0.1mm/z　 a p=0.4mm　 a e=5mm)

3結(jié)論

(1)在100m/min切削速度下干式順銑TC4鈦合金，YBG202涂層細晶硬質(zhì)合金刀具磨損的形貌特征主要為刀尖刃口的破壞及后刀面的磨損溝槽，前刀面未見月牙洼。

(2)細晶硬質(zhì)合金刀具銑削鈦合金時的磨損形式主要為粘結(jié)磨損。

(3)在實際生產(chǎn)中，YBG202涂層細晶硬質(zhì)合金刀片不適用于以100m/min及其以上的切削速度干式銑削TC4鈦合金。

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(編輯李秀敏)