王明海，周冬亮，劉 娜，張志勇，邵晨峰

（1.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司技術(shù)中心，沈陽 110000）

0 引言

鈦合金具有比強(qiáng)度大，耐腐蝕，耐高溫，良好的低溫性、生物融合性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)學(xué)、造船、核電等行業(yè)。然而鈦合金卻是一種典型的難加工材料，具體表現(xiàn)為切削變形系數(shù)小，切削溫度高，刀具易磨損，冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，單位面積上壓力大。在實(shí)際生產(chǎn)中，鈦合金材料需要大量去除，刀具消耗多，因此研究鈦合金銑削刀具磨損具有重要的意義。在鈦合金銑削過程中，刀具磨損是一個(gè)突出的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)加工鈦合金多數(shù)圍繞硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行。刀具磨損是熱力耦合作用的結(jié)果，在切削中不可避免。刀具磨損不僅和銑削參數(shù)有關(guān)，還和物理、化學(xué)等因素有關(guān)。Nouari等對(duì)未涂層硬質(zhì)合金刀具在干切削下端銑鈦合金時(shí)的刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析，研究發(fā)現(xiàn)刀具的磨損機(jī)理包括粘結(jié)和擴(kuò)散磨損兩個(gè)方面；當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時(shí)，刀具會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂、塑性變形以及涂層剝落等現(xiàn)象，刀具產(chǎn)生劇烈磨損[1]。最新研宄表明，鈦合金在低速條件下干切削時(shí)的磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損，在高速干切削時(shí)以擴(kuò)散磨損為主。耿國(guó)盛等人通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在低速干切削時(shí)，銑刀和工件的接觸時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，切屑在溫度和應(yīng)力的作用下粘附在前刀面上，由于粘附物周期性的脫落和熱沖擊的影響，刀刃上形成微裂紋，微裂紋擴(kuò)展交錯(cuò)形成鍋底型裂紋，引起刀刃附近的材料不斷脫落，使刀刃強(qiáng)度降低；高速干切削時(shí)，刀具與工件的接觸溫度高且溫度梯度大，刀具中元Co向工件擴(kuò)散，造成WC顆粒物之間的結(jié)合力降低，導(dǎo)致表層脆化，引起WC顆粒物脫落。而且研宄表明，鈦合金中的Ti、Al、Co、V等元素向硬質(zhì)刀具方向的擴(kuò)散比較困難[6]。N Corduna等人認(rèn)為涂層硬質(zhì)合金刀具低速車削鈦合金時(shí)刀具磨損形態(tài)主要為前刀面月牙洼磨損以及后刀面磨損，失效機(jī)理主要為涂層剝落和基體擴(kuò)散磨損[2]。大連理工大學(xué)的秦龍、董海等人研究了硬質(zhì)合金刀具在低速加工時(shí)主要為粘結(jié)磨損，在高速加工時(shí)主要為氧化、粘結(jié)、擴(kuò)散磨損[4]。吳欣等人通過對(duì)鈦合金高速銑削試驗(yàn)，研究了刀具磨損特性, 認(rèn)為刀具的粘結(jié)相（Co）在高溫下喪失對(duì)WC顆粒的結(jié)合強(qiáng)度, 磨損機(jī)理以高溫下的粘結(jié)層撕裂磨損為主[5]。沈航的王奔，印文典等人通過鉆削鈦合金試驗(yàn)，認(rèn)為隨著鉆削的進(jìn)行，在熱/力共同作用下，粘焊物與刀具材料一起脫落，所以造成了刀具粘焊磨損，即導(dǎo)致WC顆粒物在正壓力下發(fā)生脫落現(xiàn)象，因此磨損及其所導(dǎo)致的崩刃現(xiàn)象，在鈦合金切削過程中均容易出現(xiàn)[3]。綜上所述，切削鈦合金時(shí)硬質(zhì)合金刀具失效機(jī)理為粘結(jié)磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損、磨粒磨損，在銑削鈦合金時(shí)，已加工表面對(duì)刀具的回彈摩擦、崩刃失效機(jī)理研究較少，本文著重對(duì)鈦合金回彈摩擦、刀具磨損機(jī)理、崩刃失效展開研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

1.1 工件材料

本次試驗(yàn)采用TA15鈦合金，TA15鈦合金屬于高鋁含量的近α型鈦合金，既具有α型鈦合金良好的可焊接性、熱強(qiáng)性，又具有α-β型鈦合金良好地工藝塑性。試驗(yàn)采用方塊材料，長(zhǎng)160mm，寬120mm，高110mm。鈦合金TA15在200℃時(shí)力學(xué)性能如表1所示。

其化學(xué)成分如表2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)機(jī)床：VMC850B立式加工中心。

試驗(yàn)刀具：本次試驗(yàn)刀具采用株洲刀具公司生產(chǎn)的涂層硬質(zhì)合金刀具，屬于W-Co類硬質(zhì)合金刀具，鈷含量為6%，硬質(zhì)合金刀具直徑10mm，總長(zhǎng)75mm，4齒平底立刀，加工硬度45度、4刃、刀刃長(zhǎng)25mm、刀徑長(zhǎng)50mm。

測(cè)力儀：Kistler9257B三向壓電陶瓷測(cè)力儀，可測(cè)量三向切削力，由陶瓷壓力探頭、數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器、電腦等組成。

顯微鏡：基恩士超景深光學(xué)三維顯微鏡，觀察和測(cè)量刀具磨損形貌。

圖1 4刃平底立銑刀

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用三把硬質(zhì)合金平底立銑刀進(jìn)行切削加工試驗(yàn)，加冷卻液，1號(hào)刀切削速度60m/min、軸向切深2mm、徑向切寬4mm、每齒進(jìn)給量0.075mm，2號(hào)刀切削速度60m/min、軸向切深2mm、徑向切寬0.05mm、每齒進(jìn)給量0.075mm。每次加工640mm，卸下刀具，測(cè)量一次刀具后刀面的磨損形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 刀具磨損形貌

隨著切削距離的不斷增加，1號(hào)刀具磨損形貌變化情況如圖2所示，當(dāng)切削距離達(dá)到1.92m時(shí)，后刀面的磨損情況如圖2(a)所示，主后刀面開始磨損，稍微有粘鈦現(xiàn)象，后刀面粘結(jié)有大量雜物，副后刀面摩擦磨損比較明顯，刀刃上微崩刃現(xiàn)象不明顯。當(dāng)切削距離達(dá)到3.84m時(shí)，刀具后刀面磨損情況如圖2(b)所示，后刀面粘結(jié)大量的鈦。微崩刃現(xiàn)象較明顯。當(dāng)切削距離為5.76m時(shí)，主后刀面切削刃微崩刃情況嚴(yán)重，刀面上粘結(jié)的雜物幾乎不變，副后刀面出現(xiàn)連續(xù)的摩擦磨損微崩刃現(xiàn)象明顯，刀具磨損情況如圖2(c)所示。當(dāng)切削距離為7.68m時(shí)，刀尖崩刃，并且粘結(jié)大量的鈦，主后刀面上粘結(jié)雜物消失，微崩刃現(xiàn)象十分明顯。副后刀面同樣出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。前刀面在整個(gè)加工過程中，幾乎沒有磨損，沒有出現(xiàn)月牙洼磨損，前刀面上僅涂層掉落。鈦合金材料的彈性模量小，切削時(shí)已加工表面回彈大，副后刀面與工件已加工表面的實(shí)際接觸面積較大，導(dǎo)致刀具的副后刀面磨損通常比主后刀面磨損更為嚴(yán)重。

表1 鈦合金TA15物理性能表

表2 鈦合金TA15化學(xué)成分能表

2號(hào)刀具主要研究鈦合金已加工表面的回彈摩擦作用對(duì)硬質(zhì)合金刀具磨損的影響，銑削寬度0.05mm，其余加工參數(shù)和1號(hào)刀具一樣。銑刀在順銑的過程中，切屑由厚變薄，然后和已加工鈦合金表面摩擦，由于鈦合金的回彈作用，摩擦力較大，具體磨損形貌情況如圖3所示，當(dāng)加工距離為1.92m和3.84m時(shí)，后刀面基本無磨損，僅刀刃倆側(cè)的涂層開始脫落，后刀面基本沒有粘鈦現(xiàn)象，當(dāng)加工距離為5.76m時(shí)，后刀面刀刃出現(xiàn)輕微磨粒磨損，當(dāng)加工距離為7.68m時(shí)，刀刃輕微磨損，出現(xiàn)微崩刃現(xiàn)象。1號(hào)刀具加工7.68m時(shí)，刀尖崩刃，崩刃寬度大于0.3mm，刀具達(dá)到加工壽命。通過1號(hào)、2號(hào)刀具的對(duì)比可知，鈦合金件已加工面的回彈摩擦對(duì)刀具磨損影響甚微。

圖3 2號(hào)刀磨損情況圖

2.2 磨損機(jī)理

如圖4所示，刀刃上粘結(jié)大量的鈦，在切削鈦合金的過程中，銑刀和工件之間劇烈摩擦，切削區(qū)域溫度、壓強(qiáng)很高，刀刃附近區(qū)域的表層金屬發(fā)生軟化，硬度降低，刀具和鈦合金之間必然產(chǎn)生相互吸合作用，鈦合金材料便粘焊在刀刃上。在刀具不斷地銑削過程中，粘結(jié)物由于摩擦或者擠壓作用，不停的脫落，同時(shí)帶走部分刀具材料，因此刀具發(fā)生粘結(jié)磨損。

如圖5(a)所示，刀面上有大量的劃痕。在切削的過程中，刀具和鈦合金之間快速相對(duì)移動(dòng)，刀具不停的受到鈦合金工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)、硬質(zhì)層以及高硬度粘結(jié)物沖擊，這些硬質(zhì)物便在刀具表面留下大量劃痕，同時(shí)粘結(jié)在刀刃上的鈦脫落后擠壓在已加工表面上和未加工表面上，因此刀具表面產(chǎn)生劃痕，在不斷地切削中，刀具由于劃痕作用發(fā)生磨粒磨損。當(dāng)?shù)度幸蚰チＤp磨頓時(shí)，刀刃上剪切應(yīng)力變大，達(dá)到一定程度，刀尖便發(fā)生崩刃。

圖4 粘結(jié)磨損圖

圖5 磨粒磨損圖

根據(jù)研究表明，在高溫下（600℃），硬質(zhì)合金中的C、W容易和空氣中的O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化物，鈦合金在高溫下十分活潑，容易和空氣中的O、N生成氧化物，從而生成冷硬層，刀具在不斷地銑削過程中，受到冷硬層沖擊，以及自身氧化物的脫落，刀具發(fā)生氧化磨損。而本次試驗(yàn)切削鈦合金試驗(yàn)，加冷卻液冷卻，銑削溫度很低，遠(yuǎn)小于600℃，達(dá)不到發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的條件，因此本試驗(yàn)氧化磨損不是刀具磨損主要因素。在低溫下，擴(kuò)散磨損也不是刀具磨損主要因素。

2.3 崩刃研究

在熱/力共同作用下，鈦合金與刀具材料發(fā)生強(qiáng)烈地化學(xué)反應(yīng)，生成的物質(zhì)以積屑瘤的形式粘結(jié)在刀具材料上，隨著切削的不斷進(jìn)行，積屑瘤會(huì)與刀具材料間斷性地從刀具基體上脫落，從而造成刀具粘結(jié)磨損，甚至導(dǎo)致崩刃失效。因此粘結(jié)磨損是導(dǎo)致刀具崩刃失效的關(guān)鍵因素。

如圖5(b)圖所示，1號(hào)刀銑削鈦合金TA15材料第8.32米時(shí)后刀面形貌，后刀面崩刃不整齊，毫無規(guī)律性，整個(gè)崩刃區(qū)呈現(xiàn)出不 連續(xù)的凹凸不平的且粗糙度較大的平面。如圖6所示，在銑削第5.92米時(shí)，硬質(zhì)合金刀具兩個(gè)后刀面突然斷刀，兩個(gè)未斷刀的后刀面粘結(jié)大量的鈦，粘結(jié)磨損首先導(dǎo)致微崩刃，進(jìn)而導(dǎo)致崩刃，甚至引起斷刀現(xiàn)象。

圖6 3號(hào)刀斷刀圖

根據(jù)研究，硬質(zhì)合金刀具的硬質(zhì)相WC顆粒物多是一些不規(guī)則立方體結(jié)構(gòu)，中間存在一定量粘結(jié)劑，刀具在較高溫度下，較大外力作用下，粘結(jié)相的力學(xué)性能下降速度比硬質(zhì)相要快，同時(shí)鈦合金與刀具材料中的WC 以及Co發(fā)生強(qiáng)烈地親和作用，生成物粘結(jié)在WC顆粒物上，隨著切削的不斷進(jìn)行，在熱/力共同作用下，粘結(jié)物和刀具材料一起脫落，即導(dǎo)致WC顆粒物脫落，一處WC顆粒物脫落后，相鄰的WC顆粒物群在銑削過程中產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，造成臨近的WC顆粒群大量脫落，最后導(dǎo)致崩刃。本次硬質(zhì)合金銑削鈦合金不是連續(xù)進(jìn)行（每次切削長(zhǎng)度160mm），當(dāng)溫度和應(yīng)力達(dá)到一定條件下，粘結(jié)磨損才能繼續(xù)進(jìn)行，根據(jù)斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展條件，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于刀具材料臨近斷裂韌性值，裂紋撕裂才可繼續(xù)進(jìn)展。在硬質(zhì)合金切削鈦合金的過程中，粘結(jié)磨損，WC顆粒物脫落是導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具崩刃失效主要因素。

3 結(jié)論

根據(jù)兩把相同的硬質(zhì)刀具切削鈦合金試驗(yàn)，在切削寬度不同的條件下，分析了硬質(zhì)合金刀具磨損形貌的演變過程，磨損機(jī)理，以及回彈摩擦對(duì)刀具磨損的影響。

1）切削過程中，兩把刀具都出現(xiàn)了粘鈦和微崩刃現(xiàn)象，1號(hào)刀具在整個(gè)切削加工中，始終存在粘鈦、和微崩刃現(xiàn)象，2號(hào)刀具切削加工一定時(shí)間后，出現(xiàn)粘鈦和微崩刃現(xiàn)象；

2）已加工面的回彈摩擦對(duì)硬質(zhì)合金刀具磨損影響不大；

3）在低速切削、加冷卻液條件下，粘結(jié)磨損，微崩刃是硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金主要失效機(jī)理；

4）粘結(jié)磨損是導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金崩刃失效主要原因。

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