高速車削TC4 鈦合金硬質合金刀片槽型對刀具磨損的影響*

姜增輝 舒蓓蓓 王曉亮 吳月穎

(①沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽110159;②東方藍天鈦金科技有限公司，山東 煙臺264003)

TC4 鈦合金具有比強度高、高溫熱強性和耐熱性能高、抗腐蝕性好等優(yōu)良性能，因此成為航空航天工業(yè)中應用前景極其廣闊的材料［1-2］。同時，由于化學活性大、變形系數(shù)小、熱傳導率低等特點又使其成為一種典型的難加工材料［3-4］。目前，硬質合金是切削TC4鈦合金的主要刀具材料，且可轉位硬質合金刀片的使用越來越廣泛。在加工過程中，可轉位刀片的槽型對切削過程有很大影響，國內外學者對刀片槽型對切削加工的影響進行了深入的研究，波蘭學者Grzesik 對三維槽型刀具切削鋼材的切屑折斷機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)對接觸面的控制是影響切屑折斷的一個重要因素［5］。中山一雄認為:切屑受擠壓而卷曲是由于斷屑槽施加彎矩作用的結果，并認為斷屑槽型的不同會導致斷屑性能的不同［6］。Worthington 等人研究了棱帶寬度在切削過程中的斷屑作用，并給出棱帶的寬度范圍，同時給出了切屑卷曲半徑［7-8］。方寧研究了刀片槽型對斷屑性能的影響，并應用多重線性衰退方法，建立了兩種預測新型刀片斷屑性能的數(shù)學模型［9］。

綜上所述，目前對切削加工中槽型對切削影響的研究主要集中在斷屑方向。事實上，刀片的槽型對刀片本身的磨損也有很大影響，特別是高速切削TC4 鈦合金時刀具磨損很快，此時，槽型對刀片磨損的影響就顯得更為突出。本文選用山特維克可樂滿CNMG120408 刀片的SM 和QM 兩種槽型進行研究，通過試驗來對比分析不同切削速度下兩種槽型刀片的磨損特點。

1 試驗設備及條件

1.1 試驗設備

試驗選用的是沈陽第一機床廠生產(chǎn)的數(shù)控車床CAK6150(如圖1)，其主軸最大轉速為1800 r/min。

刀片磨損的觀測采用基恩士VHX -1000C 型超景深三維顯微系統(tǒng)(如圖2)。

1.2 刀片的幾何參數(shù)及槽型特征

試驗選用刀片的牌號為H13A，它是山特維克可樂滿公司針對鈦合金及耐熱合金切削開發(fā)的一種新型細晶硬質合金刀具牌號，具有良好的耐磨粒磨損性和韌性，適用于鈦合金的車削加工。

刀片型號為CNMG120408，其安裝后的刀具幾何參數(shù)如表1。

試驗選用了CNMG120408 的兩種槽型，即QM 槽型和SM 槽型刀片進行對比研究。兩種刀片槽型的結構特征如圖3 所示，它們的前角均為15°，QM 槽型采用波浪形槽背，同時它具有較大的棱帶寬度，寬深比較小。SM 槽型的棱帶寬度較小，基本可以忽略，因而刀刃比較鋒利，槽型較平緩，寬深比較大。

表1 刀具的幾何參數(shù)

1.3 試驗方案

TC4 鈦合金常用切削速度為40～50 m/min，為深入研究高速車削時刀片槽型對刀具磨損的影響規(guī)律，試驗選擇兩種不同的切削速度進行對比分析，其切削速度分別為:95 m/min、139 m/min。具體切削條件如表2 所示。

表2 切削條件

2 試驗結果及分析

2.1 切削速度為95 m/min 時刀具磨損的形態(tài)

圖4 為切削速度95 m/min 時兩種槽型刀片的磨損情況。在前刀面上，兩種槽型刀片的磨損形貌主要是月牙洼磨損，QM 槽型刀片磨損更為嚴重，可觀察到刀具材料由于高溫發(fā)生了塑性變形。在后刀面上，由于鈦合金的回彈較大，后刀面和工件的接觸應力增大，切削區(qū)的溫度升高，因此刀具后刀面的磨損比切削其他材料時要相對嚴重一些。由圖4 可知，兩種槽型刀片中QM 槽型刀片后刀面磨損比SM 槽型刀片嚴重得多，能夠明顯觀察到刀具材料高溫軟化后工件材料中的硬質點在刀具上劃擦產(chǎn)生的犁溝，同時可見由于高溫使刀具材料產(chǎn)生塑性變形引起的粘結磨損。SM 槽型刀片的后刀面磨損較輕，僅產(chǎn)生了較小的機械磨損，未見明顯犁溝。

圖5 為兩種槽型刀片在切削速度95 m/min 時的磨損曲線，可以看出，在切削初始階段QM 槽型刀片磨損稍大，隨著切削的持續(xù)，SM 槽型刀片有很長的一段正常磨損階段，切削路程達到1400 m 后，后刀面磨損量仍小于0.15 mm。QM 槽型刀片的正常磨損階段要短得多，后刀面磨損量在切削路程為1300 m 時達到0.25 mm，此后刀具磨損加劇，進入急劇磨損階段，切削路程達到1400 m 時后刀面磨損量已超過0.5 mm。在切削速度為95 m/min 時SM 槽型刀片的磨損明顯小于QM 槽型刀片，SM 槽型刀片具有更好的切削性能。

2.2 切削速度為139 m/min 時刀具磨損的形態(tài)

圖6 為切削速度為139 m/min 時兩種槽型刀片的磨損情況。兩種槽型刀片在前刀面上的月牙洼磨損均較為嚴重，且均可觀察到高溫引起的塑性變形。在后刀面上，兩種槽型刀片均能明顯觀察到由于高溫產(chǎn)生的粘結磨損和刀具材料高溫軟化后產(chǎn)生的犁溝磨損，且SM 槽型刀片的后刀面磨損較重。

圖7 為兩種槽型刀片在切削速度為139 m/min 時的磨損曲線，可以看出，在切削初始階段，兩種槽型刀片磨損大致相同，隨著切削的持續(xù)，兩種槽型刀片的磨損均較快，主要原因是高速切削時刀具與工件接觸頻率增大，刀尖的散熱時間縮短，導致切削區(qū)的溫度急劇增加，刀具磨損速度加快。與切削速度為95 m/min 時不同，此時QM 槽型刀片磨損相對較小，切削路程達到300 m 以前刀具的磨損都比較平穩(wěn)，為正常磨損階段，而SM 槽型刀片在切削路程達到250 m 時就進入了急劇磨損階段，正常磨損階段較短。與切削速度為95 m/min 時相比，兩種槽型刀片的磨損均迅速得多。SM槽型刀片的后刀面磨損量達到0.3 mm 時，切削路程不足450 m，刀具使用壽命比切削速度為95 m/min 時大幅降低。QM 槽型刀片的后刀面磨損量達到0.3 mm時，切削路程約為500 m，刀具使用壽命不及切削速度為95 m/min 時的一半。在整個磨損過程中QM 槽型刀片的磨損小于SM 槽型刀片，此時QM 槽型刀片具有更好的切削性能。

2.3 兩種切削速度下兩種槽型刀片性能差異的分析

比較圖5 和圖7 不難發(fā)現(xiàn)，兩種槽型刀片在兩種切削速度下的切削性能表現(xiàn)恰好相反。在相對較低的95 m/min 切削條件下，SM 槽型要比QM 槽型刀片的切削性能好，而在相對較高的139 m/min 切削條件下，結果相反，QM 槽型刀片的磨損一直小于SM 槽型刀片。

如圖3 所示，分析SM 槽型與QM 槽型的區(qū)別可知，SM 槽型刀片刃口鋒利，刀尖體積較小，QM 槽型刀片刃口粗鈍，刀尖體積較大。在切削過程中切削區(qū)的溫度是影響刀具磨損機理與速率的決定性因素，而切削區(qū)的溫度又由切削時切削熱的產(chǎn)生速率與散出速率共同決定。換言之，切削時單位時間產(chǎn)生的熱量經(jīng)切屑、刀具、工件和周圍介質散出后，留存在切削區(qū)內的熱量決定了其切削溫度，進而決定了刀具的磨損機理與速率。

采用95 m/min 的切削速度時，由于SM 槽型刀片刃口鋒利，切屑從前刀面流出更順暢，摩擦熱產(chǎn)生較少，切削區(qū)內刀尖處的溫度相對較低，因此SM 槽型刀片磨損較少。

當采用139 m/min 的切削速度時，高速切削條件下兩種槽型刀片產(chǎn)生切削熱的速率均遠高于較低的95 m/min 速度時的切削加工，此時切削區(qū)的散熱條件對切削區(qū)溫度的影響作用凸顯出來。在干切削時切削熱的傳出途徑除去切屑和工件散熱外，刀具散熱是切削熱傳出的重要途徑，特別是對于導熱性不好的鈦合金零件，其工件散熱較慢，刀具散熱就顯得更為重要。此時，SM 槽型刀片雖然產(chǎn)熱較少，但其散熱條件相對更差，QM 槽型刀片雖然產(chǎn)熱較多，但其粗鈍的刃口和較大的刀尖體積大大改善了散熱條件，這樣，在切削熱的產(chǎn)生與散出這對矛盾中，QM 槽型刀片勝出，QM 槽型刀片在切削區(qū)內刀尖處的溫度低于SM 槽型。同時，此時兩種槽型刀片的切削溫度都遠高于95 m/min時的切削溫度，粘接磨損成為此時刀具的主要磨損形式。QM 槽形刀片刃口粗鈍，更有利于抵抗工件材料的粘接，從而減小刀具的磨損。因此，在切削速度為139 m/min 時，QM 槽形刀片表現(xiàn)出更好的切削性能。

3 結語

本文研究了高速車削TC4 鈦合金時刀片槽型對其磨損的影響，得到如下結論:

(1)H13 牌號硬質合金刀具干式車削TC4 鈦合金時主要的磨損形式為機械磨損和粘接磨損。

(2)采用95 m/min 的切削速度時，兩種槽型刀片的主要磨損形式為機械磨損，QM 槽型刀片的后刀面上可觀察到明顯犁溝，且刀尖處發(fā)生了粘接磨損，QM槽型刀片比SM 槽型刀片嚴重得多。

(3)采用139 m/min 的切削速度時，機械磨損與粘接磨損均稱為兩種槽型刀片的重要磨損形式，QM槽型刀片磨損較慢，切削性能更好。

(4)對于可轉位硬質合金車削刀片，刃口是否鋒利與刀片的磨損速率沒有必然聯(lián)系，刀尖粗鈍產(chǎn)生的切削熱較多，但同時散熱能力也較強，切削溫度可能反而較低。因此，高速切削鈦合金時刃口槽型的選擇應結合切削速度，綜合考慮切削區(qū)產(chǎn)熱和散熱條件進行選擇。

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