陶瓷刀具車削TC4 鈦合金磨損特性的研究* ＊

劉 王文凱 王 旭 于海鷗 姜增輝 車延龍

(①沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng)110159;②沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng)110159)

鈦合金作為航空航天、航海、醫(yī)療等方面不可或缺的一種材料而逐漸發(fā)展起來(lái)，由于其具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐腐蝕性、比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用［1］。同時(shí)，鈦合金是一種典型的難加工材料，其彈性模量小、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)活性高等特性是導(dǎo)致鈦合金加工效率低、切削速度低、刀具磨損嚴(yán)重的主要因素［2-4］。目前在鈦合金的加工過程中，常用的刀具是硬質(zhì)合金刀具，但是硬質(zhì)合金刀具成本高，而且會(huì)消耗大量的稀有金屬元素，所以尋找一種新型的刀具材料來(lái)進(jìn)行鈦合金的切削加工是亟待解決的問題［5-8］。

陶瓷刀具是一種性能優(yōu)良的刀具［9］，其硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性較好、耐熱性好，且制造原材料成分中的Al、Si 等元素來(lái)源廣泛，目前在高速切削淬硬鋼和高溫合金中已得到廣泛應(yīng)用。但是由于它的導(dǎo)熱性差、脆性大，較少用于切削鈦合金，對(duì)其切削鈦合金時(shí)的磨損機(jī)理也認(rèn)識(shí)較少。當(dāng)前，各種陶瓷刀具材料得到了快速的發(fā)展，但依然沒有適于切削鈦合金的陶瓷刀具材料。為此本文深入研究了陶瓷刀具切削鈦合金時(shí)的磨損機(jī)理及特點(diǎn)，為切削鈦合金的高性能陶瓷刀具材料的研發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

1.1 工件材料

試驗(yàn)采用α+β 相的TC4 的鈦合金，其化學(xué)成分和物理力學(xué)性能如表1 和表2 所示。

表1 TC4 的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 TC4 的物理力學(xué)性能

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

(1)刀具幾何參數(shù)與材料:如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)刀具選用山特維克可樂滿車刀，刀桿型號(hào)為CCLNR 2525 -120，陶瓷刀片型號(hào)為CNGN 120708，牌號(hào)為CC6060。刀具幾何角度為:前角γ0= -6°，后角α0=0°，主偏角kr=95°，刃傾角λs= -6°，刀尖的圓弧半徑為r =0.8 mm，并且具有負(fù)前角刃帶，倒棱寬度為0.1 mm，倒棱角度為-20°。

為了解試驗(yàn)用陶瓷刀片材料的準(zhǔn)確成分，在試驗(yàn)前對(duì)刀片進(jìn)行了EDS 分析，得到構(gòu)成刀片材料的各元素成分如表3 所示。由表可知，陶瓷刀片CC6060 刀片是一種以Si3N4為硬質(zhì)相、Al2O3為耐磨相的賽隆陶瓷。

表3 刀片元素成分

(2)測(cè)量?jī)x器:試驗(yàn)采用基恩士VHX -1000C 型超景深三維顯微系統(tǒng)來(lái)測(cè)刀具磨損量和觀察其形貌，并通過SM-6360LA 掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)其能量和元素進(jìn)行分析，對(duì)比刀具使用前后的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況，研究刀具磨損機(jī)理。

1.3 切削試驗(yàn)方案

切削試驗(yàn)是在普通車床J1MK460 上進(jìn)行的，試驗(yàn)過程中切削一段路程后卸下刀片，采用VHX -1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)觀測(cè)刀具磨損量，并通過SM-6360LA 掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)刀片的磨損部位進(jìn)行成分分析。

試驗(yàn)采用單因素法，在切削深度ap=0.2 mm，進(jìn)給量f=0.1 mm/r 時(shí)，研究3 種切削速度下陶瓷刀具的磨損機(jī)理和特點(diǎn)的影響。試驗(yàn)切削參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)切削參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損形貌

在陶瓷刀具切削鈦合金過程中前刀面與切屑、后刀面與加工表面、已加工表面不斷產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓、摩擦，因此在切削區(qū)切削熱不斷積聚，切削溫度不斷升高。由于鈦合金的切屑變形系數(shù)相對(duì)較小，切屑底面與前刀面接觸的面積小，且靠近切削刃，使得切屑對(duì)前刀面的擠壓、摩擦損傷更為嚴(yán)重。同時(shí)，由于陶瓷刀具材料韌性較差，為保證陶瓷刀片在切削過程中抗沖擊性能，提高刀尖強(qiáng)度，刀片的后角一般較小，在切削回彈較大的鈦合金時(shí)，副后刀面會(huì)與已加工表面產(chǎn)生更為嚴(yán)重的摩擦，加劇后刀面磨損。另外，陶瓷材料導(dǎo)熱性差，切削熱經(jīng)刀具散出的能力大大降低，而鈦合金的導(dǎo)熱能力又較差，這進(jìn)一步導(dǎo)致了切削區(qū)溫度升高，加劇刀具的磨損。

如圖2 所示為在135 m/min 速度下CC6060 陶瓷刀具切削鈦合金后的磨損形貌。磨損形式主要包括前刀面月牙洼磨損、刀尖破損、后刀面溝槽磨損，切削過程中幾種磨損形式會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。

圖2a 為前刀面的磨損形貌，在前刀面上產(chǎn)生了月牙洼磨損，且月牙洼很接近刃口，已經(jīng)與刀刃的負(fù)倒棱相連。由于鈦合金切屑變形系數(shù)小，切屑脫離工件沿著前刀面流出時(shí)迅速向上卷曲，使得切屑底層與前刀面接觸距離短、面積小，刀具前刀面在與切屑擠壓、摩擦?xí)r承受更大的壓力和更高的溫度，且位置更接近刃口位置，這是在前刀面上接近刃口位置產(chǎn)生月牙洼的主要原因。另一方面，CC6060 陶瓷刀片為增加刃口強(qiáng)度在刃口制造了20°的負(fù)倒楞，這不利于切屑的流出，大量切屑聚集在刀尖上，切削熱不能及時(shí)散出，致使刀尖附近的溫升加劇。綜上所述，前刀面靠近切削刃附近區(qū)域在高溫高壓下不斷受到切屑的擠壓與摩擦，磨損后產(chǎn)生了月牙洼。

圖2b 為主后刀面的磨損形貌，在主后刀面接近刃口負(fù)倒棱位置產(chǎn)生了刀刃的崩塌。CC6060 刀片的刃口被負(fù)倒棱鈍化后，切削時(shí)主后刀面與被加工表面的接觸面積增大，擠壓摩擦比較嚴(yán)重，由于陶瓷刀具韌性較差，在高溫高壓條件下切削過程中系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力極易對(duì)刀刃產(chǎn)生破損，甚至崩塌。

圖2c 為副后刀面的磨損形貌，副后刀面上呈現(xiàn)出明顯的磨損溝槽，且較深的溝槽集中在刀尖附近。由于鈦合金的彈性模量小，大約只有鋼的1/2，已加工表面回彈較大，切削時(shí)刀具的副后刀面與工件已加工表面之間接觸面積增加，會(huì)產(chǎn)生更大的接觸壓力，在副后刀面產(chǎn)生較深的磨損溝槽。

2.2 磨損機(jī)理

由前面的表3 可以看出，構(gòu)成CC6060 陶瓷刀具的元素主要包含以下幾種:N、O、Al、Si、Y、Zr，其中Al、Si 與O、N 形成陶瓷的主要成分Al2O3和Si3N4，Y、Zr與O 形成ZrO2、Y2O3為制造陶瓷的添加相。

表5 為對(duì)在135 m/min 速度下切削鈦合金后刀尖的磨損區(qū)域進(jìn)行EDS 分析后得到的各元素成分。

表5 磨損區(qū)域各元素成分在磨損前后的變化(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由表5 可知，切削鈦合金后在刀尖的磨損區(qū)域O元素明顯增加，Al、Si 元素含量基本未變，N、Y、Zr 元素消失，增加了Ti 和V 元素。

Si3N4是一種相對(duì)穩(wěn)定的材料，作為刀具材料可以在1 300 ℃以下工作，但是當(dāng)溫度超過1 300 ℃時(shí)Si3N4會(huì)與空氣中的O2反應(yīng)生成SiO2和N2。

分析表5 中N、O、Si 元素在刀具磨損前后的變化情況，磨損后Si 元素基本不變，N 元素消失，而O 元素增加，證明切削過程中切削區(qū)溫度超過了1 300 ℃，Si3N4與空氣中的O2發(fā)生了反應(yīng)，Si 元素以SiO2的形式留在刀具上，而N 元素則以N2的形式散失到空氣中。另外，由表5 發(fā)現(xiàn)磨損后Y、Zr 元素消失了。Y、Zr 屬于第二過渡系金屬元素，它們的氧化物ZrO2、Y2O3在600℃以上會(huì)與Si3N4發(fā)生還原反應(yīng)，釋放出NO、NO2，而還原出的Y、Zr 金屬元素會(huì)溶入被加工鈦合金材料形成固溶體，留存在已加工表面或被切屑帶走。Si3N4氧化生成SiO2及還原ZrO2、Y2O3釋放出NO、NO2均會(huì)消耗掉CC6060 陶瓷中的硬質(zhì)相Si3N4，導(dǎo)致刀具材料硬度大幅下降，使刀具在切削過程中迅速磨損。

從表5 中還可看到，磨損后刀具材料中增加了Ti和V 元素，這說(shuō)明切削過程中曾有工件材料粘結(jié)在刀具上，當(dāng)?shù)毒卟牧嫌捕却蠓陆禃r(shí)粘結(jié)物脫落會(huì)帶走刀具材料，形成對(duì)刀具的粘結(jié)磨損。

圖3 所示為在63 m/min 切削速度下的磨損形貌。圖3a 切削長(zhǎng)度為82 m 時(shí)刀尖上出現(xiàn)了粘結(jié)物。在圖3b 中切削長(zhǎng)度達(dá)到110 m 左右時(shí)粘結(jié)物消失，但刀尖崩塌破損，磨損嚴(yán)重。這是由于切削過程中受到高溫高壓的作用，工件材料粘結(jié)在刀具前刀面上，隨著切削的進(jìn)行，溫度升高，刀尖材料軟化，在工件和切屑的不斷摩擦下粘結(jié)物脫落時(shí)極易帶走刀具材料，造成了刀具嚴(yán)重的粘結(jié)磨損。

2.3 切削速度對(duì)刀具磨損的影響

圖4 所示為3 種不同切削速度下刀具的磨損曲線。

由圖可知，3 種切削速度下后刀面磨損量超過0.3 mm 時(shí)切削長(zhǎng)度均未達(dá)到100 m，而在同樣條件下硬質(zhì)合金刀具的切削長(zhǎng)度可達(dá)1 000 m 以上［10－11］。因此，以Si3N4為硬質(zhì)相、Al2O3為耐磨相的CC6060 陶瓷刀具在切削TC4 鈦合金時(shí)的使用壽命遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金刀具。

同樣切削長(zhǎng)度下，切削速度為63 m/min 時(shí)的磨損量最小，90 m/min 時(shí)磨損量其次，135 m/min 時(shí)磨損量最大。切削速度越高，刀具磨損越快，刀具壽命越低。由前述分析的刀具磨損機(jī)理可知，在切削速度為63 m/min 時(shí)切削區(qū)溫度相對(duì)較低，刀具的磨損主要為粘結(jié)磨損。此時(shí)，陶瓷材料中的Si3N4硬質(zhì)相保持較好，刀具材料硬度還較高，粘結(jié)磨損速度也較慢。當(dāng)切削速度達(dá)到較高的135m/min 時(shí)，切削溫度很高，氧化磨損和粘結(jié)磨損同時(shí)發(fā)生，Si3N4硬質(zhì)相被氧化成SiO2后，刀具硬度大幅下降，粘結(jié)磨損速度極快。

3 結(jié)語(yǔ)

改變切削速度對(duì)CC6060 陶瓷刀具切削TC4 鈦合金的使用性能進(jìn)行干式車削試驗(yàn)，分析了刀具的主要磨損形貌和磨損機(jī)理，得到如下結(jié)論:

(1)干切削TC4 鈦合金時(shí)，刀具磨損形貌主要為:前刀面月牙洼磨損、后刀面溝槽磨損和刀尖破損。

(2)干切削TC4 鈦合金時(shí)，CC6060 陶瓷刀具的磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損和氧化磨損。較低切削速度下，以粘結(jié)磨損為主;較高切削速度下，氧化磨損與粘結(jié)磨損共存，且氧化磨損對(duì)刀具壽命有重要影響。

(3)由于氧化磨損和粘結(jié)磨損嚴(yán)重，以Si3N4為硬質(zhì)相、Al2O3為耐磨相的CC6060 陶瓷刀具干切削TC4鈦合金時(shí)使用壽命很低，不適用于鈦合金干式車削加工。

(4)開發(fā)用于切削鈦合金的陶瓷刀具時(shí)，在陶瓷材料的制備中應(yīng)重點(diǎn)考慮切削過程中可能發(fā)生的氧化與粘結(jié)磨損。

［1］張喜燕，趙永慶，白晨光. 鈦合金及應(yīng)用［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］齊德新，馬光鋒，張桂木. 鈦合金切削加工性綜述［J］. 煤礦機(jī)械，2002(11):3 －4.

［3］Arrazola P J，Garay A，Iriarte L M，et al. Machinability of titanium allays(Ti6Al4V and Ti555.3)［J］. Journal of Materials Processing Technology，2009，209(5):2223 －2230.

［4］姜增輝，王琳琳，石莉，等. 硬質(zhì)合金刀具切削Ti6Al4V 的磨損機(jī)理及特性［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(1):178 －184.

［5］王曉琴，艾興，趙軍，等.硬質(zhì)合金刀具銑削Ti6Al4V 時(shí)刀具磨損及切削力研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008(2):102 －105.

［6］李友生，鄧建新，石磊.高速切削加工鈦合金的刀具材料［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2007(8):24 －27.

［7］秦龍，董海，張弘弢，等. 鈦合金切削加工中刀具壽命和刀具磨損的研究［J］.工具技術(shù)，2010，44(7):16 －19.

［8］韓韡，許曉靜，劉延山. 硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展思路［J］.工具技術(shù)，2002，36(10):3 －8.

［9］閆石，陳爽，張葆青.陶瓷刀具的應(yīng)用與發(fā)展［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2011(7):53 －55.

［10］劉朋和，姜增輝，王琳琳，等. TiAIN 涂層與無(wú)涂層刀具高速車削TC4 鈦合金的性能研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2014(8):49 －52.

［11］李友生，劉浩，陳榮德.硬質(zhì)合金刀具高速車削鈦合金的切削性能研究［J］.工具技術(shù)，2011，45(6):44 －47.