趙 敏，李 嫚，王風(fēng)奇

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116081)

0 引言

鈦合金由于具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性與優(yōu)良的高溫性能等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而，這些優(yōu)良特點(diǎn)在鈦合金的加工中造成了一些問(wèn)題，如加工硬化嚴(yán)重、刀具使用壽命短等，這不利于它的推廣和使用[2]。因此，如何高效高質(zhì)加工鈦合金成為亟待解決的實(shí)際問(wèn)題。聚晶金剛石(PCD)與聚晶立方氮化硼(PCBN)兩種超硬刀具，由于其硬度高、導(dǎo)熱性好及摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)，在鈦合金的高效高質(zhì)加工中非常具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，高速切削加工能夠很大程度上提高生產(chǎn)效率，使被加工工件表面質(zhì)量提高1～2級(jí)，加工費(fèi)用可降低20%～50%[3]。因此，在高速切削機(jī)床日益普及的今天，使用超硬刀具高速切削鈦合金是實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)切削鈦合金的有效方法。然而，鈦合金的高速切削一般會(huì)產(chǎn)生有別于傳統(tǒng)切屑的鋸齒形切屑，其產(chǎn)生過(guò)程會(huì)引起切削力高頻波動(dòng)，加劇機(jī)床系統(tǒng)振動(dòng)，因而影響切削力、工件表面粗糙度和刀具使用壽命[4]。由鋸齒形切屑的微觀形貌可知，鋸齒形切屑由變形很大的絕熱剪切滑移帶和變形很小的基塊組成，說(shuō)明切削層材料的變形極不均勻。所以，在形成鋸齒形切屑的切削過(guò)程中，切削層材料的變形程度就不能直接采用傳統(tǒng)切削理論的剪切角φ、相對(duì)滑移ε及變形系數(shù)ξ指標(biāo)來(lái)衡量，而應(yīng)采用鋸齒形切屑的各種幾何表征和物理表征，從不同角度反映切削過(guò)程中變形程度和特點(diǎn)。因此，形成鋸齒形切屑時(shí)刀具切削性能的研究應(yīng)依據(jù)鋸齒形切屑相關(guān)理論進(jìn)行分析。鋸齒形切屑相關(guān)理論主要包括鋸齒形切屑的形成機(jī)理及過(guò)程、變形程度的衡量指標(biāo)即鋸齒形切屑幾何和物理表征。所以，超硬刀具高速切削鈦合金鋸齒形切屑幾何表征研究具有理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，學(xué)者們對(duì)超硬刀具加工鈦合金的研究主要集中在切削力、表面質(zhì)量、刀具壽命等方面，并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析大多是基于傳統(tǒng)切削理論。李飛等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)，在切削鈦合金TC4時(shí)，PCD刀具相對(duì)于傳統(tǒng)刀具有使用壽命長(zhǎng)、加工質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。王曉琴等[7-8]對(duì)比研究了PCBN刀具和硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金TC4指出，PCBN刀具切削性能更好。華翔對(duì)PCD與PCBN刀具的切削性能進(jìn)行了對(duì)比研究和分析[9]，結(jié)果表明PCBN刀具的加工質(zhì)量高于PCD刀具，但其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析仍主要基于傳統(tǒng)切削理論。

總之，目前關(guān)于鈦合金的高速切削加工研究，主要集中在某一種超硬刀具的切削性能上，很少對(duì)兩種超硬刀具的切削性能進(jìn)行對(duì)比研究；尤其是高速切削鈦合金形成鋸齒形切屑時(shí)，更鮮少有基于鋸齒形切屑相關(guān)理論對(duì)兩種超硬刀具的切削性能進(jìn)行對(duì)比分析。本文對(duì)兩種超硬刀具高速切削鈦合金鋸齒形切屑幾何表征進(jìn)行了對(duì)比研究，可以為兩種刀具的切削性能對(duì)比分析提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)使用普通退火的TC4鈦合金棒料，尺寸為Φ117×300 mm。鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+β)型鈦合金[10]。鈦合金TC4的化學(xué)成分、物理性能分別如表1、表2所示。

表1 鈦合金TC4的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2 鈦合金TC4常溫下的物理性能

1.2 刀具材料及幾何參數(shù)

試驗(yàn)選用的PCD與PCBN刀具，其復(fù)合片牌號(hào)分別為英國(guó)元素六公司生產(chǎn)的加工鈦合金常用的SYNDITE CTB010和DBW85，具體組成如表3所示；刀具的幾何參數(shù)如表4所示。因PCD與PCBN刀具脆性大韌性小，為有效抑制切削過(guò)程中刀具產(chǎn)生早期崩刃現(xiàn)象，采用尼龍刷對(duì)刀具進(jìn)行刃口鈍化處理；為了保障兩種刀具鈍圓半徑一致，PCD刀具鈍化時(shí)間為8 min，PCBN刀具鈍化時(shí)間為3 min，最終刀具的鈍圓半徑為20 μm左右。

表3 試驗(yàn)刀具材料

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及切削參數(shù)

車削試驗(yàn)在CA6140車床進(jìn)行，試驗(yàn)為三因素四水平正交試驗(yàn)，因素水平如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平

1.4 鋸齒形切屑金相樣本及幾何表征測(cè)量

對(duì)獲得的切屑進(jìn)行冷鑲嵌并磨樣處理，使用ZQ-603光學(xué)工業(yè)顯微鏡觀察金相樣本并拍照；用Digimizer軟件測(cè)量鋸齒形切屑各幾何參數(shù)，據(jù)此得到或計(jì)算出鋸齒形切屑的幾何表征數(shù)據(jù)。本文主要研究分析以下三個(gè)最常用的鋸齒形切屑幾何表征：齒距Pc、鋸齒化程度Gs及鋸齒化頻率ft。兩種刀具切削鈦合金TC4時(shí)所獲得的鋸齒形切屑的金相顯微圖如圖1圖2所示。

圖1 PCD刀具切削鈦合金獲得的鋸齒形切屑的形貌

圖2 PCBN刀具切削鈦金獲得的鋸齒形切屑的形貌

齒距Pc是指相鄰齒尖的水平距離[11]，齒距的測(cè)量方式，如圖3所示。

圖3 齒距的測(cè)量方式

鋸齒化程度Gs是衡量鋸齒形切屑變形程度的指標(biāo)，其表達(dá)式如式(1)所示[12]：

(1)

式中，h1為齒頂高；h2為齒底高。h1與h2的測(cè)量方法如圖4所示。

圖4 鋸齒化程度的測(cè)量方式

鋸齒化頻率ft用來(lái)表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生絕熱剪切滑移的次數(shù)，其表達(dá)式如式(2)所示[13]：

(2)

式中，v為切削速度(m/min)；Pc為鋸齒形切屑齒距(mm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削用量對(duì)齒距的影響

PCD與PCBN刀具切削鈦合金TC4時(shí)鋸齒形切屑齒距Pc隨切削用量變化的規(guī)律如圖5所示。

圖5 切削用量對(duì)齒距的影響

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時(shí)，鋸齒形切屑的齒距都隨切削速度的增加而減小。隨著切削速度的增加，切削產(chǎn)生的熱量大幅增加，同時(shí)由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較小，切削產(chǎn)生的熱量更不易及時(shí)散發(fā)，因此切削區(qū)溫度將明顯升高。又因靠近刀尖處切削底層區(qū)域的散熱條件最差，所以靠近刀尖處的切削底層材料溫度將急劇升高，該區(qū)域材料軟化效應(yīng)大幅增強(qiáng)。因此，隨著切削速度的增加，靠近刀尖處的切削底層材料軟化效應(yīng)更易超過(guò)應(yīng)變和應(yīng)變率強(qiáng)化作用，易使該區(qū)域材料的本構(gòu)關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而產(chǎn)生熱塑剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，形成鋸齒形切屑。另外，切削速度增加，切削單元被賦予的動(dòng)能增加，導(dǎo)致該區(qū)域更容易發(fā)生剪切失穩(wěn)。因此，隨著切削速度的增大，靠近刀尖處單位切削寬度上的切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)，所需的切削路程就會(huì)隨之減小，而該處材料每產(chǎn)生一次熱塑剪切失穩(wěn)就會(huì)對(duì)應(yīng)地形成一節(jié)鋸齒形切屑。所以，齒距隨切削速度的增加而減小。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時(shí)，鋸齒形切屑的齒距都隨進(jìn)給量的增加而總體呈增加趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)給量增加時(shí)，切削厚度增加，形成的鋸齒形切屑絕熱剪切滑移帶長(zhǎng)度將隨之增加，為此切削過(guò)程中靠近刀尖處單位切削寬度上發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)的切削底層材料體積就必須隨之增加，故需要更長(zhǎng)的切削路程來(lái)積累更多的能量，而切削路程越長(zhǎng)所產(chǎn)生的鋸齒形切屑齒距就會(huì)增加。因此，進(jìn)給量增加時(shí)，齒距總體上呈增加趨勢(shì)。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時(shí)，鋸齒形切屑齒距都隨背吃刀量增加而增加。當(dāng)背吃刀量增加時(shí)，切削層材料發(fā)生側(cè)流的比例將減小，這將使切削過(guò)程中切削厚度有增加的趨勢(shì)。為此，背吃刀量對(duì)齒距影響規(guī)律與進(jìn)給量對(duì)齒距影響規(guī)律是相同的，即齒距隨背吃刀量增加而增加。

此外，觀察圖5我們可以發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具切削鈦合金時(shí)產(chǎn)生的鋸齒形切屑的齒距整體小于PCD刀具。這是因?yàn)镻CBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)小于PCD刀具，使得PCBN刀具切削鈦合金的切削溫度更高，靠近刀尖處的切削底層材料的熱軟化作用效應(yīng)更強(qiáng)，在較短的切削路程內(nèi)就會(huì)使該區(qū)域材料發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)，因此PCBN刀具切削鈦合金時(shí)產(chǎn)生的鋸齒形切屑的齒距更小。

2.2 切削用量對(duì)鋸齒化程度的影響

由圖4鋸齒化程度測(cè)量方法可知，鋸齒化程度Gs的大小主要取決于一節(jié)鋸齒切屑相對(duì)于后續(xù)鋸齒切屑所產(chǎn)生的向外滑移的距離L，總滑移長(zhǎng)度L如圖4所示。筆者認(rèn)為總滑移長(zhǎng)度L由兩部分組成：一是在第一變形區(qū)內(nèi)，當(dāng)靠近刀尖處切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)時(shí)，已形成的鋸齒節(jié)塊沿剪切滑移線方向相對(duì)于后續(xù)切削層材料所產(chǎn)生的向外滑移量L1；二是鋸齒節(jié)塊進(jìn)入第二變形區(qū)之后，因切削過(guò)程中賦予了該節(jié)塊沿剪切滑移方向的動(dòng)能，該節(jié)塊將繼續(xù)沿著已形成的絕熱剪切滑移帶相對(duì)于后續(xù)節(jié)塊產(chǎn)生向外滑移量L2。同時(shí)筆者還認(rèn)為，第一變形區(qū)向外滑移量L1主要取決于單位切削寬度上靠近刀尖處切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)體積大小；第二變形區(qū)向外滑移量L2主要取決于切削過(guò)程中賦予鋸齒節(jié)塊動(dòng)能的大小以及形成的絕熱剪切帶內(nèi)溫度的高低。

PCD與PCBN刀具切削鈦合金TC4時(shí)鋸齒形切屑的鋸齒化程度Gs隨切削用量變化的規(guī)律如圖6所示。

圖6 切削用量對(duì)鋸齒化程度的影響

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時(shí)，鋸齒形切屑鋸齒化程度都隨切削速度的增加而增加。當(dāng)切削速度增加時(shí)，靠近刀尖處的切削底層材料熱軟化效應(yīng)更易超過(guò)應(yīng)變和應(yīng)變率強(qiáng)化作用，該區(qū)域材料易在較短的切削路程內(nèi)產(chǎn)生熱塑剪切失穩(wěn)而形成鋸齒形切屑，故單位切削寬度上靠近刀尖處切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)體積呈減小趨勢(shì)，因此第一變形區(qū)中已形成的鋸齒節(jié)塊沿剪切滑移線方向相對(duì)于后續(xù)切削層材料的向外滑移量L1呈減小趨勢(shì)。但隨著切削速度的增加，切削過(guò)程中賦予鋸齒節(jié)塊的動(dòng)能大幅增加；同時(shí)已形成的絕熱剪切滑移帶內(nèi)的溫度隨切削速度增加而升高，使鋸齒節(jié)塊的滑移阻力減小。因此，該鋸齒節(jié)塊在第二變形區(qū)內(nèi)，沿絕熱剪切滑移帶方向相對(duì)于后續(xù)節(jié)塊的向外滑移量L2呈顯著增大趨勢(shì)。所以，隨著切削速度增加，一節(jié)鋸齒切屑相對(duì)于后續(xù)鋸齒切屑所產(chǎn)生的向外滑移的距離L總體呈增加趨勢(shì)，即鋸齒化程度隨切削速度增加而增加。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時(shí)，鋸齒形切屑的鋸齒化程度都隨進(jìn)給量的增加而增加。當(dāng)進(jìn)給量增加時(shí)，切削厚度增加，絕熱剪切滑移帶長(zhǎng)度將隨之增長(zhǎng)，為此切削過(guò)程中靠近刀尖處單位切削寬度上發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)的切削底層材料體積隨之增加。同時(shí)，因進(jìn)給量增加齒距會(huì)增加，使鋸齒節(jié)塊質(zhì)量增加，為此切削過(guò)程中賦予鋸齒節(jié)塊的動(dòng)能也有一定程度增加；而且已形成的絕熱剪切滑移帶內(nèi)的溫度也將隨進(jìn)給量增加而有所升高。因此，無(wú)論是第一變形區(qū)內(nèi)已形成的鋸齒節(jié)塊沿剪切滑移線方向相對(duì)于后續(xù)切削層材料所產(chǎn)生的向外滑移量L1，還是第二變形區(qū)中鋸齒節(jié)塊沿絕熱剪切滑移帶方向相對(duì)于后續(xù)節(jié)塊的向外滑移量L2，都隨進(jìn)給量的增加而增加。所以鋸齒化程度會(huì)隨著進(jìn)給量的增加而增加。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時(shí)，鋸齒形切屑的鋸齒化程度都隨背吃刀量的增加而增加。當(dāng)背吃刀量增加時(shí)，切削層材料發(fā)生側(cè)流的比例減小，使得切削厚度同樣有增大的趨勢(shì)，為此，背吃刀量對(duì)鋸齒化程度的影響規(guī)律與進(jìn)給量是相同的，即鋸齒化程度會(huì)隨背吃刀量的增加而增加。

此外，觀察圖6我們可以發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具切削鈦合金時(shí)產(chǎn)生的鋸齒形切屑的鋸齒化程度整體高于PCD刀具。由于PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)低于PCD刀具的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)致PCBN刀具切削鈦合金時(shí)的溫度更高，已形成的絕熱剪切帶內(nèi)材料的熱軟化作用更大，鋸齒節(jié)塊在第二變形區(qū)的滑移阻力更小，所以鋸齒節(jié)塊在第二變形區(qū)中沿剪切滑移帶方向相對(duì)于后續(xù)節(jié)塊的向外滑移量L2會(huì)增加。因此，PCBN刀具切削鈦合金TC4時(shí)鋸齒形切屑的鋸齒化程度較高。

2.3 切削用量對(duì)鋸齒化頻率的影響

PCD與PCBN刀具切削鈦合金TC4時(shí)鋸齒形切屑的鋸齒化頻率ft隨切削用量變化的規(guī)律如圖7所示。

圖7 切削用量對(duì)鋸齒化頻率的影響

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時(shí)，鋸齒形切屑的鋸齒化頻率都隨切削速度的增加而增加。由上文鋸齒化頻率的計(jì)算公式可知，切削速度增加時(shí)鋸齒化頻率將成比例增加；同時(shí)，切削速度增加使齒距呈不成比例的小幅減小趨勢(shì)，使得鋸齒化頻率再次小幅增大。所以，鋸齒化頻率隨切削速度的增加而增加。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時(shí)，鋸齒形切屑的鋸齒化頻率都隨進(jìn)給量與背吃刀量的增加而整體呈減小趨勢(shì)。同樣由上文鋸齒化頻率的定義公式可知，當(dāng)切削速度一定時(shí)，鋸齒化頻率與對(duì)應(yīng)的齒距成反比，而齒距隨進(jìn)給量與背吃刀量的增加而增加，所以鋸齒化頻率隨進(jìn)給量與背吃刀量的增加而整體呈減小趨勢(shì)。

通過(guò)觀察圖7，我們可以發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具切削鈦合金時(shí)產(chǎn)生的鋸齒形切屑的鋸齒化頻率整體高于PCD刀具的鋸齒化頻率。這是因?yàn)镻CBN刀具切削鈦合金時(shí)的鋸齒形切屑的齒距整體小于PCD刀具，所以PCBN刀具切削鈦合金時(shí)產(chǎn)生的鋸齒形切屑的鋸齒化頻率更高。

3 結(jié)論

本文選用兩種超硬刀具高速切削加工鈦合金TC4，對(duì)所產(chǎn)生的鋸齒形切屑的幾何表征進(jìn)行了對(duì)比研究和分析。結(jié)論如下：

(1)鋸齒形切屑的齒距Pc大小取決于靠近刀尖處的切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)所需切削路程長(zhǎng)短。

(2)兩種超硬刀具的鋸齒形切屑齒距Pc都隨切削速度增加而減小，而隨進(jìn)給量、背吃刀量增加而增加；PCBN刀具的鋸齒形切屑齒距Pc整體小于PCD刀具。

(3)鋸齒形切屑的鋸齒化程度Gs取決于一節(jié)鋸齒切屑相對(duì)于后續(xù)鋸齒切屑所產(chǎn)生的向外滑移的距離；兩種超硬刀具的鋸齒形切屑鋸齒化程度Gs都隨著切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的增加而增加；PCBN刀具的鋸齒形切屑鋸齒化程度Gs整體高于PCD刀具。

(4)兩種超硬刀具的鋸齒形切屑鋸齒化頻率ft都隨切削速度的增加而增加，隨進(jìn)給量和背吃刀量的增加而減??；PCBN刀具的鋸齒形切屑的鋸齒化頻率ft整體高于PCD刀具。