李慧玲　郝兆朋　范依航　王　東　姬芳芳

(①長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012；②吉林省東元精密機(jī)械有限公司，吉林 公主嶺 136100)

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高效切削鈦合金Ti-6Al-4V硬質(zhì)合金刀具擴(kuò)散磨損研究*

李慧玲①郝兆朋①范依航①王東②姬芳芳①

(①長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012；②吉林省東元精密機(jī)械有限公司，吉林 公主嶺 136100)

鈦合金化學(xué)活性高，在切削過程中與硬質(zhì)合金刀親和性大，導(dǎo)致刀具易于發(fā)生擴(kuò)散磨損。在使用硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V試驗(yàn)及切削仿真分析基礎(chǔ)上，采用SEM的EDAX研究刀具的擴(kuò)散磨損，通過研究切削溫度及刀-屑/工件接觸區(qū)壓力對(duì)擴(kuò)散磨損的影響，并借助相圖分析刀-工件之間的元素親和力，進(jìn)而研究擴(kuò)散磨損的形成機(jī)理。結(jié)果表明：鈦合金切削溫度高，并且隨著切削速度的增加，切削溫度上升；在刀-屑以及刀-工件接觸區(qū)，最高溫度處于刀尖部位靠前刀面的位置。鈦合金的加工回彈，造成刀-工件接觸面摩擦加劇，使得整個(gè)接觸區(qū)域的最高壓力位置位于刀尖附近靠近后刀面的位置。在接觸區(qū)的高溫高壓下，硬質(zhì)合金刀具前、后刀面均發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，且前刀面擴(kuò)散現(xiàn)象比后刀面較為嚴(yán)重；隨著切削速度的增加，加劇了擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。

鈦合金；硬質(zhì)合金刀具；擴(kuò)散磨損；切削溫度；接觸壓力；相圖

鈦合金因?yàn)閺?qiáng)度高、機(jī)械性能及抗蝕性良好在航空、航天、工業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)理想的制造材料。但由于其導(dǎo)熱性差、化學(xué)活潑性高等原因，它的切削加工性受到了極大的限制。特別是在高速高效切削過程中，隨著切削速度vc和進(jìn)給量f的提高，切削溫度逐漸升高，從而使得刀具磨損加劇[1-5]。這也導(dǎo)致鈦合金難于加工，工件成品率低。

鈦合金加工中刀具磨損一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。Venugopal等人采用無涂層硬質(zhì)合金刀具在干切、濕切、低溫冷卻環(huán)境下切削鈦合金，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在低溫冷卻環(huán)境下，刀具使用壽命得到明顯提高。在所有條件下，均發(fā)現(xiàn)切屑材料粘附于刀具上[6]。Armendia 等人比較了在采用無涂層硬質(zhì)合金刀具切削Ti-6Al-4V和Ti54M這兩種材料時(shí)的切削性能。他們認(rèn)為切削這兩種材料時(shí)均會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。但是切削Ti54M合金時(shí)的刀具磨損率較低，尤其是在高速條件下[7]。Liang 等人采用Ni3Al作為粘接劑、WC作為基體的硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金時(shí)，Ni3Al對(duì)刀具的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與WC-8Co硬質(zhì)合金刀具相比，WC-10 wt.% Ni3Al刀具的切削性能較好，尤其是在高速下。這主要是由于金屬間合金Ni3Al粘合劑引發(fā)的高溫化學(xué)惰性的高硬度[8]。

李友生、鄧建新等人發(fā)現(xiàn)在高速切削鈦合金過程中，刀具前后刀面的磨損邊緣發(fā)生了氧化反應(yīng)。由于前刀面上的切削溫度高于后刀面，前刀面上的氧化磨損、擴(kuò)散磨損較為嚴(yán)重。并且通過刀具-工件材料對(duì)偶擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，得出在溫度達(dá)到600 ℃之上的時(shí)候，W和Co元素開始發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致擴(kuò)散界面附近的刀具材料硬度降低[9-10]。

刀-屑/工件接觸面間的摩擦特性通過實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行研究，Halila等人建立了一個(gè)磨損模型，該模型假設(shè)將磨粒為嵌入刀-屑界面中，最后通過無涂層硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證了該模型的合理性[11]。

本文針對(duì)鈦合金加工過程中，化學(xué)活性高，擴(kuò)散磨損嚴(yán)重，重點(diǎn)研究Ti-6Al-4V在加工過程中的刀具擴(kuò)散磨損，在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步揭示刀具擴(kuò)散磨損機(jī)理。

1　材料與試驗(yàn)過程

工件材料選用直徑為150 mm的TC4(Ti-6Al-4V)棒料。刀具材料選用無涂層硬質(zhì)合金刀具(YG8，株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn))。刀具主偏角為75°，前角為15°，后角為11°。

試驗(yàn)采用CAK6150Di車床；刀具磨損VB值和刃口微觀結(jié)構(gòu)采用CCD觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析；使用帶有能譜分析(EDS)的掃描電鏡觀測(cè)刀具的磨損形態(tài)；采用紅外熱像儀測(cè)量溫度；切削力采用Kistler 9257B進(jìn)行測(cè)量。由于切削速度是影響刀具磨損和刀具使用壽命的主要因素，因此，在試驗(yàn)過程中，保持切深ap和進(jìn)給量f不變(ap=1 mm，f=1 mm/r)，改變切削速度v(v=40、60、80、100、120、140 m/min)進(jìn)行刀具磨損試驗(yàn)。

2　結(jié)果與討論

2.1試驗(yàn)結(jié)果

圖1給出了刀具前刀面能譜分析結(jié)果，通過圖1可以看出前刀面上A點(diǎn)處的元素分布狀態(tài)，在A點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)了Ti、V、Al元素，這表明切屑材料中的元素?cái)U(kuò)散到了刀具表面。對(duì)切削后的刀具采用電火花切割的方式截開刀具截面，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的能譜分析(線掃描)，結(jié)果如圖2所示。在接觸界面上也發(fā)現(xiàn)了Ti元素，而粘結(jié)物上含有C和Co元素，這進(jìn)一步說明了刀具與工件材料之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散。

根據(jù)圖1、2的分析結(jié)果，在刀具前刀面上發(fā)現(xiàn)了O元素，這還表明在高溫下，空氣中的氧與刀具材料中的C、WC、TiC等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化物。隨著切削的不斷進(jìn)行，這些氧化物發(fā)生脫落時(shí)，就會(huì)造成刀具的氧化磨損。

在切削Ti6Al4V過程中，擴(kuò)散不僅僅是在工件材料中的原子向刀具的直接轉(zhuǎn)移，發(fā)生擴(kuò)散以后，刀具表層內(nèi)的組織和結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變，引起刀具表層材料發(fā)生脆化或軟化，進(jìn)一步加劇工件材料與刀具材料的親和力，二者之間的擴(kuò)散程度不斷增加。擴(kuò)散發(fā)生引起的刀具材料削弱，導(dǎo)致刀具材料在切削過程中容易被剪切掉，并被切屑和工件材料帶走，造成了刀具的擴(kuò)散磨損。

2.2切削溫度的影響

通過采用紅外測(cè)溫的方法進(jìn)行鈦合金加工切削溫度試驗(yàn)研究，得到在不同切削條件下的切削溫度，結(jié)果如圖3所示。

鈦合金切削時(shí)切削溫度較高，在40 m/min時(shí)，切削溫度高于800 ℃，并且v對(duì)切削溫度影響顯著，如圖3b所示的v與切削溫度關(guān)系。隨著v增加，刀-屑之間摩擦劇烈，會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，由于鈦合金導(dǎo)熱性差，所產(chǎn)生的切削熱并不能很快被切屑帶走，集聚在切削區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致切削溫度上升。

鈦合金切削過程中，切削熱主要集中在刀刃附近區(qū)域。圖4給出了仿真切削鈦合金時(shí)，刀尖處、刀-屑接觸區(qū)域的切削溫度分布。從圖可以看出，刀尖部位是力和高溫主要集中區(qū)。通過提取如圖4所示的AB曲線上的溫度數(shù)值發(fā)現(xiàn)，最高溫度并不是正好位于刀尖處，而是位于刀尖靠前刀面的位置，如圖5所示。并且在刀尖附近區(qū)域，與后刀面相比，前刀面上溫度變化更為急劇。

圖6給出了前、后刀面的元素?cái)U(kuò)散對(duì)比分析，前刀面上Ti元素的含量明顯高于后刀面，Al元素含量也比后刀面上稍高一些。這主要是因?yàn)榈?屑摩擦作用下使得前刀面的切削溫度較高，進(jìn)而使得前刀面擴(kuò)散現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

2.3刀-屑/工件接觸壓力的影響

在切削鈦合金Ti6Al4V過程中，擴(kuò)散磨損的程度除了決定于刀具和工件材料的性能和切削溫度以外，接觸區(qū)較高的壓力，接觸表面層產(chǎn)生過大的塑性變形，這也是導(dǎo)致刀-屑/工件接觸區(qū)擴(kuò)散加劇的原因之一。

在切削刃附近的區(qū)域，除了承受高的切削溫度以外，還要承受較高的壓力，圖7給出了沿曲線AB的接觸壓力曲線圖?？梢钥闯觯诮佑|區(qū)，刀-工件接觸面上靠近刀尖處是壓力最大的位置，而且要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在靠近刀尖處的刀-屑接觸面。這主要是由于鈦合金彈性模量小，導(dǎo)致較大的加工回彈，進(jìn)而造成刀具的后刀面與已加工表面之間的摩擦較為劇烈。

2.4Ti與C、W、Co的親和力

Ti-6Al-4V屬于α-β型鈦合金，如圖8所示的Ti-W、Ti-Co二元相圖。根據(jù)圖8可以看出，當(dāng)溫度為882 ℃時(shí)，α-鈦向β-鈦轉(zhuǎn)變，并且W元素在β-Ti中是無限固溶的。在固態(tài)，也只有一種共析轉(zhuǎn)變發(fā)生：βα+β2，共析溫度為715 ℃，其共析點(diǎn)處的固溶度大約為28%，β2相是以W元素為基的固溶體。在715 ℃，W元素在α鈦中的固溶度達(dá)到最大值，為0.8%。而在1 020 ℃，Co在β-鈦中的固溶度達(dá)到最大，為17%。Co在α-鈦中的最大固溶度出現(xiàn)在685 ℃，為1.0%。

當(dāng)切削溫度升高到一定值時(shí)，就會(huì)引起鈦合金發(fā)生相變。α-相逐漸減少，而β-相逐漸增多，進(jìn)而促進(jìn)Co和W元素在鈦合金中的溶解度增加，進(jìn)一步加速鈦合金工件與硬質(zhì)合金刀具材料之間擴(kuò)散。

3　結(jié)語(yǔ)

通過使用無涂層硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V，研究硬質(zhì)合金刀具擴(kuò)散磨損，得到結(jié)論如下：

(1)鈦合金切削溫度高，并且隨著切削速度的增加，切削溫度數(shù)值呈非線性上升的趨勢(shì)；在刀-屑以及刀-工件接觸區(qū)，最高溫度位于刀尖靠近前刀面的位置。

(2)鈦合金的加工回彈，引起刀-工件接觸面摩擦加劇，使得刀尖附近的刀-工件接觸區(qū)是整個(gè)接觸區(qū)域中壓力最大的地方。在刀尖附近的刀具前、后刀面，一方面承受著較高的壓力，另一方面又與切屑、已加工表面發(fā)生劇烈摩擦。

(3)硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金Ti-6Al-4V時(shí)，在刀-屑、刀-工件接觸面產(chǎn)生高溫高壓下，硬質(zhì)合金刀具前、后刀面均發(fā)生擴(kuò)散，且前刀面擴(kuò)散現(xiàn)象比后刀面較為嚴(yán)重；隨著切削速度的增加，會(huì)加劇擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。利用Ti-W和Ti-Co合金相圖研究了刀具材料和工件材料的親和性，進(jìn)一步揭示刀具的擴(kuò)散磨損機(jī)理。

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Study of diffusion wear of carbide tool in high-efficiency cutting Ti-6Al-4V

LI Huiling①, HAO Zhaopeng①, FAN Yihang①, WANG Dong②, JI Fangfang①

(①School of Mechatronic Engineering, ChangChun University of Technology, Changchun 130012, CHN;②Dong Yuan Precision Mechanism Ltd of Jilin Province, Gongzhuling 136100, CHN)

Titanium alloy has high chemical activity and has great affinity with cemented carbide tool material, which leads to serious tool wear. Based on the cutting experiments using carbide tool and FEM, the present paper aims at studying the tool diffusion wear with SEM and EDAX. The effect of cutting temperature and the pressure of the tool-chip/workpiece on the diffusion wear is studied. Furthermore, the formation mechanism of diffusion wear is studied by means of the phase diagram. The results show that the cutting temperature is very high and it increases with cutting speeds. At the interface of tool-chip and tool-workpiece, the highest temperature is located on rake face near tool tip. The resilience of workpiece material leads to serious friction between the machined surface and tool flank face. The highest pressure is located in tool flank face close to tool tip. Under the condition of high cutting temperature and high pressure at tool-workpiece/chip interface, diffusion occurs both in tool rake and flank face. Due to the higher temperature at tool rake face diffusion in tool rake face is more severe than that in tool flank face. The increased cutting speed accelerates the diffusion.

titanium alloy; cemented carbide tool; diffusion wear; cutting temperature; contact pressure; phase diagram

TG501.3

A

(編輯汪藝)(2015-12-08)

160306

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505038)；吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20150204054GX)