PCBN刀具高速車(chē)削TC4鈦合金刀具磨損的研究*

姜增輝，于海鷗，王文凱，李玉朋

（沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

PCBN刀具高速車(chē)削TC4鈦合金刀具磨損的研究*

姜增輝，于海鷗，王文凱，李玉朋

（沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

為研究PCBN刀具在高速車(chē)削鈦合金時(shí)的性能，選用PCBN刀具YCB121和硬質(zhì)合金刀具GC1105兩種不同材料的刀具進(jìn)行了對(duì)比研究。在切削速度為139m/min條件下進(jìn)行了干式車(chē)削TC4鈦合金試驗(yàn)，研究分析了兩種刀具在不同切削時(shí)期的磨損形貌，并對(duì)刀具耐用度做了對(duì)比，結(jié)果表明：在此切削速度下，硬質(zhì)合金刀具前刀面為月牙洼磨損，后刀面為溝槽磨損；PCBN刀具前刀面以刃口崩刃為主，后刀面為不均勻的深溝槽磨損；YCB121的PCBN刀具比GC1105的涂層硬質(zhì)合金刀具有更好的耐用度。

TC4鈦合金；高速車(chē)削；硬質(zhì)合金；PCBN；刀具磨損

0 引言

鈦合金是在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的一種材料，人們?cè)趯?duì)其進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具材料大多選用硬質(zhì)合金［1-3］，但是這種刀具的制造需消耗大量稀有金屬元素［4］，且切削速度較低，加工效率不高。隨著新型刀具材料［5］的不斷出現(xiàn)，人們開(kāi)始探究其它刀具材料切削鈦合金的可行性。PCBN刀具具有較高的硬度和耐磨性、很好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良切削特性［6］，這些特性都有利于鈦合金的切削加工，且PCBN刀具消耗稀有元素較少，因此近年對(duì)PCBN切削鈦合金的研究有了較大進(jìn)展。

Nabhani［7］采用PCBN、涂層硬質(zhì)合金以及未涂層硬質(zhì)合金刀具車(chē)削TA48（vc=75m/min，fa=0.25 mm/r，ap=1mm，干切削）鈦合金。研究表明，未涂層硬質(zhì)合金刀具的主要失效形式是切削刃的塑性變形，涂層硬質(zhì)合金的涂層很快被磨掉，沒(méi)有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。PCBN的磨損機(jī)理和硬質(zhì)合金刀具基本相同，但PCBN磨損的較慢，且具有更好的加工表面質(zhì)量。Wang［8］進(jìn)行了BCBN刀片銑削加工鈦合金的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，相同的切削深度，低進(jìn)給量（0.075mm/z）下，刀具在高速切削條件下的刀具壽命比低速下的要長(zhǎng)。因此，BCBN的最優(yōu)切削條件是高速和低進(jìn)給。在加工鈦合金時(shí)，特別是在比較大的速度、進(jìn)給量以及大的切削深度時(shí)，刀具的前刀面和后刀面都會(huì)有粘結(jié)磨損。李甜甜［9］等人研究了PCBN刀具車(chē)削鈦合金時(shí)刀具的性能。采用PCBN刀具和硬質(zhì)合金刀具做了對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)切削力、刀具磨損形態(tài)和磨損機(jī)理、刀具壽命和表面粗糙度做了深入的研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PCBN刀具的主要磨損形式是磨損和破損。刀具的磨損機(jī)理主要是機(jī)械磨損、化學(xué)磨損以及脆性磨損。在初期以機(jī)械磨損為主，隨著切削用量的增加，化學(xué)磨損以及脆性破損變得突出。本文采用株洲鉆石的新型PCBN刀具（YCB121）在高速下切削鈦合金，對(duì)刀具的磨損形貌與刀具壽命進(jìn)行分析研究，并用切削性能較好的山特維克可樂(lè)滿TiAlN涂層硬質(zhì)合金（GC1105）刀具作對(duì)比，為評(píng)價(jià)PCBN刀具高速切削鈦合金的性能提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

1.1 工件材料

試驗(yàn)選用的切削材料為T(mén)C4鈦合金棒料，化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 TC4的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 TC4的力學(xué)性能

1.2 刀具材料及幾何參數(shù)

試驗(yàn)選用的刀具；株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的PCBN刀片，刀片型號(hào)為CNGA120408牌號(hào)為YCB121。YCB121采用金屬陶瓷結(jié)合劑，綜合了金屬結(jié)合劑與陶瓷結(jié)合劑二者的優(yōu)點(diǎn)，兼具硬度高，韌性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)良特性，具有良好的綜合性能。圖1為YCB121刀具使用前基體的SEM照片及能譜圖。

圖1 PCBN刀具SEM及能譜圖

表3所示為能譜圖中YCB121化學(xué)成分表，由表可知YCB121刀片中CBN的含量較低（約30%左右）。Ti元素、C元素構(gòu)成PCBN刀具中的結(jié)合劑TiCN、TiN等，使其具有高硬度、高熔點(diǎn)以及比較好的熱傳導(dǎo)性［10］。對(duì)比用硬質(zhì)合金刀片選用山特維克可樂(lè)滿刀片，型號(hào)為 CNMG120408-QM，牌號(hào)為 GC1105。GC1105具有薄PVD TiAlN涂層，其基體為超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，具有高熱硬性和良好的抗塑性變形和后刀面磨損能力，是切削鈦合金材料比較理想的刀具。兩種刀片共用型號(hào)為MCLNR2525M12的刀桿。圖2為試驗(yàn)所選用的刀片和刀桿，兩種刀片幾何參數(shù)如表4所示。

表3 PCBN的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

圖2 試驗(yàn)用刀片與刀桿

表4 試驗(yàn)用刀具牌號(hào)及幾何角度

1.3 試驗(yàn)條件及切削參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)所選用的是普通車(chē)床J1MK460，采用干切削方式車(chē)削外圓。由于實(shí)驗(yàn)主要研究高速車(chē)削下PCBN刀具磨損，因此選取切削速度V=135m/min，切削深度ap=0.2mm，進(jìn)給量fa=0.1 mm/r。在切削過(guò)程中，每隔一定切削路程取下刀片，使用VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察刀具的磨損形貌，并測(cè)量刀具后刀面磨損的寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損形態(tài)對(duì)比

圖3a為硬質(zhì)合金刀具GC1105磨損初期前、后刀面的磨損形態(tài)，硬質(zhì)合金刀具前后刀面都有磨損，前刀面還看不出月牙洼磨損形貌，后刀面磨損均勻。圖3b為PCBN刀具YCB121磨損初期前、后刀面的磨損形貌，從照片中可以看出，刀具前刀面刀尖處有一條光亮的磨損帶，后刀面磨損均勻。在磨損初期切削路程相同的條件下，硬質(zhì)合金刀具和PCBN刀具前后刀面的磨損相對(duì)都比較小。

圖3 兩種刀具初期磨損形態(tài)

圖4a為硬質(zhì)合金刀具GC1105磨損中期前、后刀面磨損形態(tài)。前刀面產(chǎn)生了明顯的月牙洼。刀面與切屑劇烈擠壓與摩擦是產(chǎn)生月牙洼磨損的主要原因。在高速切削鈦合金過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，由于鈦合金導(dǎo)熱性較差，致使切削區(qū)的溫度很高，硬質(zhì)合金刀具在高溫下的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性不足加劇了前刀面上月牙洼磨損的產(chǎn)生。刀具后刀面磨損比較均勻，主要磨損形態(tài)為磨粒磨損產(chǎn)生的溝槽，這是由鈦合金材料內(nèi)的硬質(zhì)點(diǎn)反復(fù)劃擦刀具的后刀面而形成。圖中可見(jiàn)磨損區(qū)域主要出現(xiàn)在副后刀面一側(cè)，這是由于鈦合金材料彈性模量小，切削時(shí)已加工表面回彈很大，副后刀面與已加工表面的接觸區(qū)域很大，致使切削區(qū)內(nèi)后刀面的切削溫度很高，硬質(zhì)合金刀具的硬度和耐磨性大幅下降，加劇了溝槽磨損的形成。

圖4b為PCBN刀具YCB121磨損中期前、后刀面磨損形貌。由于PCBN的韌性較差，為增加刃口強(qiáng)度在刀片的切削刃制造了一負(fù)倒棱。由圖可知，與硬質(zhì)合金刀具GC1105相比，YCB121刀片前刀面刃口有崩刃，沒(méi)有月牙洼磨損形貌。刀具的后刀面有明顯的深溝槽，且溝槽形態(tài)不均勻。由圖分析可知，PCBN刀具高速車(chē)削鈦合金時(shí)的磨損機(jī)理與硬質(zhì)合金刀具有明顯區(qū)別，由于PCBN硬度較高且不易與鈦合金粘結(jié)，鈦合金切屑的背面在前刀面上對(duì)刀具的擠壓、摩擦并不能形成明顯月牙洼，取而代之的是刃口在工件材料反復(fù)高速?zèng)_擊下產(chǎn)生崩刃損傷。在后刀面上與硬質(zhì)合金刀具相似磨損區(qū)域也主要出現(xiàn)在副后刀面一側(cè)，但由于PCBN硬度大鈦合金材料內(nèi)的硬質(zhì)點(diǎn)不易在后刀面上劃擦出均勻的溝槽。由圖中看到PCBN刀具后刀面的磨損溝槽較深且不均勻，其主要原因是由于后刀面在工件表面反復(fù)沖擊下不斷產(chǎn)生微崩破損，微崩破損不斷發(fā)展形成了不均勻深溝槽。從圖中可以明顯看出，此時(shí)PCBN材質(zhì)的YCB121的后刀面磨損小于硬質(zhì)合金材質(zhì)的GC1105。

圖4 兩種刀具磨損中期形態(tài)

圖5a為硬質(zhì)合金刀具GC1105磨損后期前、后刀面磨損形貌，可以看出前刀面月牙洼磨損變得更大更深并且有少量切屑粘結(jié)，刀具后刀面磨損非常嚴(yán)重。圖5b為PCBN刀具YCB121的前、后刀面磨損形貌，可以看出前刀面崩刃進(jìn)一步發(fā)展，后刀面磨損產(chǎn)生溝槽更深、更不均勻，此時(shí)YCB121刀片后刀面磨損明顯小于GC1105刀片。

圖5 兩種刀具后期磨損形態(tài)

2.2 刀具耐用度對(duì)比

在干切削條件下進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具與PCBN刀具車(chē)削鈦合金的耐用度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選取刀具磨損標(biāo)準(zhǔn)VB=0.3mm。如圖6所示刀具磨損曲線圖。

圖6 兩種刀具磨損的對(duì)比曲線

可以看出在此切削速度下，在不同切削長(zhǎng)度下硬質(zhì)合金刀具GC1105的磨損程度均大于PCBN刀具YCB121，切削過(guò)程中硬質(zhì)合金刀具始終比PCBN刀具磨損的快，在切削長(zhǎng)度為934m時(shí)GC1105刀片開(kāi)始急劇磨損，而YCB121刀片直到切削長(zhǎng)度為1896m時(shí)磨損速率都相對(duì)平緩。由兩種刀具性能分析可知，PCBN材料導(dǎo)熱系數(shù)、硬度及耐磨性是硬質(zhì)合金材料的幾十倍［11-12］，PCBN材料中CBN微粉的硬度僅次于金剛石，刀具材料的耐磨性主要由刀具材料中晶粒的結(jié)合強(qiáng)度來(lái)決定，而由于PCBN刀具中結(jié)合劑含量較高，低CBN含量的刀具材料的結(jié)合強(qiáng)度較高，因此采用低CBN含量的PCBN刀具材料切削加工時(shí)表現(xiàn)出較佳的切削性能。綜上，在135m/min的速度下高速切削鈦合金時(shí)，PCBN刀具YCB121比硬質(zhì)合金刀具GC1105具有更高的刀具耐用度。

3 結(jié)論

對(duì)比研究了PCBN刀具與硬質(zhì)合金刀具高速車(chē)削TC4鈦合金時(shí)的磨損形態(tài)及特征，得到以下結(jié)論；

（1）在135m/min的切削速度下車(chē)削鈦合金，硬質(zhì)合金刀具的磨損形態(tài)前刀面為月牙洼磨損，后刀面為溝槽磨損。

（2）同樣條件下，PCBN刀具易于在刃口產(chǎn)生崩刃，前刀面的磨損形態(tài)以刃口崩刃為主要特征，后刀面的磨損形態(tài)同樣表現(xiàn)為由微崩破損形成的不均勻深溝槽。

（3）對(duì)比兩種刀具的磨損曲線，在135m/min的切削速度下牌號(hào)為YCB121的PCBN刀具比牌號(hào)為GC1105的涂層硬質(zhì)合金刀具具有更好的耐用度。

（4）PCBN刀具可用于TC4鈦合金的高速車(chē)削，且具有相對(duì)較好的刀具耐用度。

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（編輯 李秀敏）

Comparative Study on Tool Wear of PCBN and Carbide Tools in High Speed Turning of TC4 Titanium A lloy

JIANG Zeng-hui，YU Hai-ou，WANGWen-kai，LIYu-peng
（School of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

；In order to study the performance of the high speed turning titanium alloy with PCBN cutting tools，the comparative study is carried out by choosing the cutting tools of different material named YCB121（PCBN）and GC1105（Carbide）.Under the condition of the cutting speed of 139 m/m in，the tests of dry turning of TC4 titanium alloy have been carried out.The two different cutting tools were used to analyze wear morphology in different cutting periods and contrast the tool life.The results show that；at the speed of 139 m/m in，the carbide tools show crater wear on the rake face and groove wear on the tool flank during cutting and the PCBN tools show tipping of cutting edge mainly on the rake face and uneven deep groove wear on the tool flank.PCBN tools with the grade of YCB121 has better tool life than coated carbide tools with the grade of GC1105.

；TC4 titanium alloy；high speed turning；carbide tool；PCBN；tool wear

TH16；TG506

A

1001-2265（2015）05-0098-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.027

2014-08-28；

2014-10-08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助（2012ZX04003-061）

姜增輝（1971—），男，沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)理工大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)楦咚?、高效切削技術(shù)（E-mail）jzh1022@163.com。