梁 雄 杜 平 高黨尋 李雙壽

(①清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084；②清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

鈦合金因具有較高的比強(qiáng)度、良好的高溫性能以及優(yōu)異的耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-2]，其中Ti6Al4V為使用最多的一類α+β型鈦合金[3]。針對(duì)鈦合金的切削加工，常用的刀具材料是鎢鈷類硬質(zhì)合金(WC-Co)[4-5]。然而，作為一種典型的難加工材料，鈦合金的高切削溫度、強(qiáng)化學(xué)活性等特點(diǎn)使得加工過(guò)程中經(jīng)常遭遇嚴(yán)重的刀具磨損及切削刃的早期失效等問(wèn)題，這不但影響了零部件的加工質(zhì)量和效率，而且增加了成本[6]。雖然使用切削液進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻能夠一定程度上緩解刀具的磨損問(wèn)題，但出于對(duì)綠色制造的考量，采用干式切削將是著眼于制造過(guò)程可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性的最佳解決方案[7-8]。

針對(duì)鈦合金干切條件下刀具磨損過(guò)快的問(wèn)題，研究者從刀具磨損機(jī)理、工藝參數(shù)優(yōu)化等方面開(kāi)展了相關(guān)研究。Kim D等人[9]研究了使用硬質(zhì)合金鉆頭加工Ti6Al4V時(shí)的刀具磨損規(guī)律，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)刀具主要表現(xiàn)為后刀面磨損和微崩刃，磨損形式為黏著磨損和氧化磨損。Wang X等人[10]研究了涂層對(duì)刀具磨損的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，涂層對(duì)降低鈦合金干切時(shí)刀具的磨損能夠發(fā)揮有益作用，原因是涂層可以減少積屑瘤的形成，提高切削過(guò)程穩(wěn)定性從而降低刀具發(fā)生崩刃的風(fēng)險(xiǎn)。Iliescu D等人[11]研究了Ti6Al4V鉆削時(shí)切削速度和進(jìn)給量對(duì)刀具磨損的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了切削參數(shù)與刀具磨損量之間的回歸模型，可用于一定條件下刀具磨損的監(jiān)測(cè)。范依航等人[12]采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行Ti6Al4V外圓車削加工試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)刀具磨損區(qū)微觀形貌表征及能譜分析，給出了刀具材料從基體脫落的物理演變過(guò)程模型，結(jié)果表明在切削過(guò)程中刀-屑接觸面伴隨著嚴(yán)重的黏結(jié)、擴(kuò)散以及氧化現(xiàn)象，隨著切削速度的提高，加速了這種現(xiàn)象的發(fā)生。

從以上結(jié)果來(lái)看，已有研究大多是在切削實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這種研究方法能夠較好地反應(yīng)工況條件下的刀具磨損特征，但由于不能進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，因而缺失了磨損過(guò)程信息，導(dǎo)致在揭示刀具磨損機(jī)理方面仍然存在很大的局限性。從本質(zhì)上講，磨損是由兩個(gè)滑動(dòng)接觸面之間的相互作用引起的1個(gè)連續(xù)損傷過(guò)程，因此，摩擦副材料間的摩擦學(xué)行為對(duì)磨損過(guò)程起著決定性的作用，然而目前還少有此方面的研究。

本文針對(duì)鈦合金干切時(shí)刀具磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，通過(guò)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)來(lái)研究刀具材料(WC-Co)與工件材料(Ti6Al4V)在干摩擦條件下的摩擦學(xué)行為，探究不同因素對(duì)摩擦過(guò)程的影響，從而為揭示鈦合金切削時(shí)的刀具磨損機(jī)理、控制刀具磨損提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究中摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用上試樣為球、下試樣為盤(pán)的球-盤(pán)接觸形式。其中上試樣為直徑10 mm的YG8硬質(zhì)合金球(其Co含量為8%，其余為WC)，下試樣為T(mén)i6Al4V(TC4)，兩者的材料性能如表1～2所示。

表1 YG8硬質(zhì)合金材料性能

表2 Ti6Al4V材料性能

實(shí)驗(yàn)前需將鈦合金通過(guò)線切割成尺寸為13 mm×13 mm的矩形試樣。為避免表面機(jī)械加工時(shí)形成的氧化膜和污染對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，還需進(jìn)行拋光處理，即利用不同粒度的砂紙和拋光膏對(duì)其表面進(jìn)行打磨拋光，之后分別用丙酮、酒精和去離子水超聲清洗15 min，并用壓縮空氣吹干備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Optimal SRV-Ⅳ型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是一種廣泛用于摩擦磨損試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)前，上下試樣通過(guò)專用夾具進(jìn)行固定，其中下試樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持靜止，而上試樣在垂直懸臂的帶動(dòng)下作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)設(shè)備配套的軟件可以對(duì)實(shí)驗(yàn)外加法向載荷、摩擦運(yùn)動(dòng)行程和頻率以及實(shí)驗(yàn)溫度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，儀器會(huì)實(shí)時(shí)記錄摩擦副之間的摩擦系數(shù)及摩擦行程等信息。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)條件如表3所示，表中各參數(shù)均根據(jù)實(shí)際切削加工時(shí)的常規(guī)加工參數(shù)選取。

表3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦過(guò)程基本特點(diǎn)

圖2為T(mén)i6Al4V與WC-Co在干摩擦條件下，法向載荷為100 N、滑動(dòng)速度為2.4 m/min時(shí)的摩擦系數(shù)曲線?？梢钥吹剑麄€(gè)摩擦過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段摩擦系數(shù)大幅波動(dòng)，屬于跑合過(guò)程，之后摩擦系數(shù)的變化趨于平緩，但仍在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)，全程摩擦系數(shù)均高于0.5，且隨著時(shí)間的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以聽(tīng)到劇烈的、不均勻的噪聲。以上現(xiàn)象都說(shuō)明鈦合金與硬質(zhì)合金之間的摩擦非常劇烈，并且在以上實(shí)驗(yàn)參數(shù)下不能維持穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)。

從已有研究看，這種不穩(wěn)定是由于鈦合金強(qiáng)烈的黏附傾向和化學(xué)親和性造成的。從圖3中摩擦行程(往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)中摩擦副之間單向最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離)隨時(shí)間的變化曲線可以看到，在整個(gè)滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，摩擦行程的波動(dòng)非常大，而理想情況下摩擦行程應(yīng)該始終保持恒定。以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明在摩擦界面發(fā)生了顯著的黏滑與摩擦躍動(dòng)現(xiàn)象：起初，隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行，黏著結(jié)點(diǎn)隨之增長(zhǎng)，導(dǎo)致剪應(yīng)力增大，真實(shí)接觸面積也逐漸增大，摩擦界面之間保持黏著接觸；當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)黏著強(qiáng)度時(shí)，黏著結(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生斷裂造成兩表面迅速發(fā)生滑移，產(chǎn)生摩擦躍動(dòng)；黏滑過(guò)程不斷地重復(fù)發(fā)生，就會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)及滑動(dòng)行程出現(xiàn)波動(dòng)。

2.2 載荷的影響

不同載荷情況下Ti6Al4V/WC-Co的摩擦系數(shù)曲線如圖4。由于鈦合金自身摩擦性能差，黏著傾向顯著，因此無(wú)論在低載還是高載下均有嚴(yán)重的黏滑摩擦現(xiàn)象，表現(xiàn)為摩擦系數(shù)曲線的大幅度波動(dòng)，而隨著載荷的增加，黏滑現(xiàn)象愈加劇烈。此外，從整體的摩擦系數(shù)值來(lái)看，隨著載荷增加，摩擦系數(shù)呈波動(dòng)上升，并且在高載荷下摩擦系數(shù)出現(xiàn)大于1的情況。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是通過(guò)測(cè)量滑動(dòng)方向的摩擦阻力來(lái)計(jì)算摩擦系數(shù)的，而Ti6Al4V/WC-Co之間存在較為嚴(yán)重的黏著現(xiàn)象，因此會(huì)導(dǎo)致儀器測(cè)量的摩擦力數(shù)值中包含了接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)克服黏著結(jié)點(diǎn)而產(chǎn)生的剪切力，從而使一定條件下的表觀摩擦系數(shù)大于1。

2.3 溫度的影響

由于鈦合金變形系數(shù)小，在實(shí)際切削加工時(shí)切屑與前刀面的接觸面積小造成刀尖應(yīng)力集中而產(chǎn)生大量切削熱，加之鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)出去，造成切削區(qū)域溫度急劇上升。鈦合金切削加工時(shí)，切削區(qū)溫度通常會(huì)高達(dá)600 ℃左右，因此必須考慮溫度對(duì)摩擦過(guò)程造成的影響。

圖5為不同溫度條件下鈦合金與硬質(zhì)合金之間的摩擦系數(shù)曲線。室溫下，經(jīng)跑合過(guò)程后，摩擦系數(shù)曲線整體趨于平穩(wěn)，但由于黏滑效應(yīng)與摩擦躍動(dòng)，摩擦系數(shù)仍然表現(xiàn)出一定范圍內(nèi)的波動(dòng)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度升高至300 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)值有一定的增加，但變化較??；溫度進(jìn)一步增加至500 ℃、700 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)有較大幅度的增加。這是因?yàn)楫?dāng)溫度超過(guò)500 ℃時(shí)鈦合金的化學(xué)活性會(huì)突然增強(qiáng)，對(duì)硬質(zhì)合金的黏附更加劇烈，摩擦界面上黏著結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和面積都增加，使摩擦過(guò)程更加不穩(wěn)定，因而導(dǎo)致摩擦系數(shù)的快速上升以及波動(dòng)量的增大。由此可見(jiàn)，對(duì)于鈦合金加工，控制接觸區(qū)溫度對(duì)于控制刀具磨損具有重要意義。

2.4 速度的影響

速度對(duì)Ti6Al4V/WC-Co之間摩擦系數(shù)的影響如圖6所示。首先，摩擦系數(shù)隨著速度的增加而明顯增大，且波動(dòng)也越來(lái)越劇烈。此外，可以看出即使在低速下，摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)依然很大，這說(shuō)明鈦合金自身的材料特性導(dǎo)致其摩擦品質(zhì)非常差，無(wú)論是在低速還是高速下均不能維持穩(wěn)定的摩擦過(guò)程。

2.5 磨損機(jī)理分析

圖7顯示了磨損區(qū)域表面的微觀形貌。可以看出在鈦合金表面存在大塊的黏著點(diǎn)，而硬質(zhì)合金球表面也可見(jiàn)大量的黏附物，這是黏著磨損的典型特征。EDS分析表明硬質(zhì)合金球表面的黏著物含有Ti、Al、V等元素，這說(shuō)明摩擦過(guò)程中鈦合金通過(guò)物質(zhì)轉(zhuǎn)移粘附到了硬質(zhì)合金表面。以上現(xiàn)象均說(shuō)明在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的黏著磨損。此外觀察到鈦合金表面還存在很多較為規(guī)則排列的溝槽，這是由于硬質(zhì)合金的硬度遠(yuǎn)大于鈦合金，摩擦過(guò)程中表面粗糙峰嵌入較軟的鈦合金表面產(chǎn)生的犁溝作用造成的。

黏滑現(xiàn)象的產(chǎn)生與鈦合金自身極差的摩擦學(xué)特性有直接關(guān)系：鈦元素化學(xué)性質(zhì)活潑，與硬質(zhì)合金之間化學(xué)親和性強(qiáng)，同時(shí)鈦合金的彈性模量又不高，摩擦過(guò)程中易變形，因此容易發(fā)生黏著。另外鈦元素在溫度高于500 ℃時(shí)其化學(xué)活性大大增強(qiáng)，會(huì)與多數(shù)刀具材料發(fā)生強(qiáng)烈的親和作用，并會(huì)與空氣中的氧、氮和水蒸氣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬而脆的表面膜，也會(huì)加劇材料的磨損。

由以上結(jié)果可以看出鈦合金對(duì)硬質(zhì)合金的黏附作用在不同載荷、溫度和滑動(dòng)速度情況下都非常明顯，即使在較低的載荷和滑動(dòng)速度下，摩擦系數(shù)的波動(dòng)依然非常劇烈，因此在實(shí)際切削加工時(shí)，很難通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)完全避免鈦合金造成的黏著磨損。不僅如此，摩擦系數(shù)的大幅波動(dòng)導(dǎo)致刀具不能穩(wěn)定切削，這也是造成刀具出現(xiàn)早期失效的重要原因。同時(shí)切削溫度也是影響鈦合金切削中刀具磨損的關(guān)鍵因素。鈦合金由于導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性變形大及刀屑接觸面積小等原因，導(dǎo)致切削過(guò)程中切削熱不容易及時(shí)傳導(dǎo)出去而集中于切削刃附近，引起很高的切削溫度。根據(jù)圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著溫度的升高，Ti6Al4V/WC-Co之間的摩擦系數(shù)逐漸增加，尤其是當(dāng)溫度超過(guò)500 ℃之后摩擦系數(shù)會(huì)有較大幅度的升高，此時(shí)刀具的磨損也會(huì)變得更加嚴(yán)重，因此對(duì)于鈦合金切削，切削溫度的控制對(duì)于減小刀具磨損至關(guān)重要。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)黏滑與摩擦躍動(dòng)現(xiàn)象是Ti6Al4V與WC-Co干摩擦過(guò)程的基本特征，即使在較低的載荷或滑動(dòng)速度下該特征依然不能消除。

(2)載荷、溫度和滑動(dòng)速度對(duì)Ti6Al4V/WC-Co干摩擦過(guò)程均有顯著影響。摩擦系數(shù)值隨載荷、溫度和滑動(dòng)速度的增加而明顯增大，其中滑動(dòng)速度的影響更加明顯；當(dāng)載荷超過(guò)100 N、溫度高于500 ℃時(shí)摩擦系數(shù)會(huì)有較大幅度的上升。

(3)黏著磨損是Ti6Al4V/WC-Co干摩擦?xí)r的主要磨損形式，但由于鈦合金硬度遠(yuǎn)小于硬質(zhì)合金，其磨損表面同時(shí)存在由犁溝效應(yīng)導(dǎo)致的溝槽。