切削速度對車削TC4鈦合金硬質(zhì)合金刀具磨損的影響

韓　冰，姜增輝，劉朋和

(沈陽理工大學(xué) 1.學(xué)生處；2.機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159)

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切削速度對車削TC4鈦合金硬質(zhì)合金刀具磨損的影響

韓冰1，姜增輝2，劉朋和2

(沈陽理工大學(xué) 1.學(xué)生處；2.機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159)

摘要：為研究車削鈦合金時切削速度對刀具磨損的影響，選用GC1005涂層硬質(zhì)合金刀具在65m/min、95m/min和139m/min三種切削速度下進行干式車削對比試驗，觀測刀具的磨損形貌，分析不同速度下刀具的磨損特點。結(jié)果表明：當(dāng)切削速度為65m/min 和95m/min時，刀具的磨損形式主要為粘結(jié)磨損，當(dāng)切削速度為139m/min時，刀具的磨損形式主要為磨粒磨損；切削速度大于95m/min時刀具磨損迅速，無法進行穩(wěn)定的干式車削。

關(guān)鍵詞：TC4鈦合金；硬質(zhì)合金刀具；切削速度；刀具磨損

鈦合金比強度高、機械性能及熱穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于航空航天以及船舶等領(lǐng)域[1-2]。由于其導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性高等特性，使得鈦合金在切削過程中切削溫度高、刀具磨損嚴重[3-4]，這極大地阻礙了鈦合金切削速度和切削效率的提升，因此對鈦合金切削刀具磨損與切削速度的關(guān)系進行研究具有重要意義。陳燕等[5]借助MSC.Marc軟件對TC4鈦合金高速切削的刀具磨損進行了有限元仿真，發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的增加刀具磨損會加快，切削速度為300m/min時刀具壽命僅為130m/min時的1/3。王曉琴等[6]采用試驗的方法分析了硬質(zhì)合金刀具銑削TC4鈦合金時的刀具磨損，結(jié)果表明：隨著切削速度的增加，刀具的磨損加?。豁樸妼ρ娱L鈦合金加工刀具壽命非常有利。范依航等[7]對車削TC4鈦合金時的刀具磨損進行了試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在切削速度、進給量和切削深度三個參數(shù)中，切削速度對刀具磨損影響較大，進給量次之，切削深度對磨損影響最??；隨著切削速度和進給量的增加，刀具磨損加劇。為進一步明確切削速度對硬質(zhì)合金刀具車削TC4鈦合金時刀具磨損的影響及刀具的磨損機理，本文采用涂層硬質(zhì)合金刀具做干式車削TC4鈦合金試驗，對比分析不同切削速度下的刀具磨損特點，為鈦合金切削過程中選擇合理高效的切削參數(shù)提供參考。

1　試驗設(shè)備與條件

1.1　試驗設(shè)備

車削試驗選用的加工設(shè)備是由沈陽第一機床廠生產(chǎn)的CAK6150數(shù)控車床，刀具磨損的觀測及測量選用VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)(如圖1所示)。

圖1　VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)

1.2　工件材料及刀具

(1)工件材料：車削試驗的切削材料為TC4鈦合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　TC4的化學(xué)成分　wt.%

(2)刀具型號及幾何參數(shù)：試驗選用山特維克可樂滿公司生產(chǎn)的牌號為GC1005的涂層硬質(zhì)合金刀具，其涂層材料為TiN復(fù)合涂層。刀片型號為CNMG120408-QM，刀桿型號為MCLNR2525M12。圖2所示為試驗用刀片及刀桿。安裝后的刀具幾何參數(shù)為：前角γo=6°，后角αo=7°，副后角αo′=7°，主偏角κr=95°，副偏角κr″=4°，刃傾角λs=-5.5°，刀尖圓弧半徑r=0.8mm。

圖2　試驗用刀片及刀桿

1.3　試驗方案

試驗采用單因素試驗方法研究切削速度對刀具磨損的影響。分別采用65m/min、95m/min和139m/min三種切削速度進行干切削試驗，切削深度ap為0.5mm，進給量f為0.2mm/r。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　不同切削速度下的刀具磨損曲線

圖3為不同切削速度下的刀具磨損曲線，由圖3可以看出，當(dāng)切削速度為65m/min和95m/min、切削路程為240m左右時，刀具的初期磨損量都不大，均為0.13mm上下。兩種速度下的刀具都有非常明顯的正常磨損階段，刀具后刀面磨損量隨著切削路程的增加平緩增大。當(dāng)切削路程增加到730m時，95m/min速度下的刀具進入到急劇磨損階段；當(dāng)切削路程為970m時，其磨損量超過0.3mm的刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，刀具失效。而65m/min速度下的刀具始終處于正常磨損階段，當(dāng)切削路程增大到1170m時，刀具后刀面磨損量也沒有超過0.17mm。

當(dāng)切削速度為139m/min時，在120m的切削路程下，刀具初期磨損量為0.14mm，此后，刀具直接進入到急劇磨損階段；當(dāng)切削路程為230m時，其后刀面磨損量超過0.3mm的刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，刀具失效。

圖3　不同切削速度下的刀具磨損曲線

綜上所述，采用涂層硬質(zhì)合金刀具在65m/min、95m/min和139m/min三種速度下干式車削TC4鈦合金，在65m/min時的刀具磨損穩(wěn)定，95m/min時有較短的穩(wěn)定磨損階段，139m/min時刀具磨損劇烈、無穩(wěn)定磨損區(qū)。

2.2　不同切削速度下的刀具磨損特性分析

圖4為在不同切削速度下干式車削TC4的刀具磨損形態(tài)。圖4a為切削速度65m/min時的刀具前、后刀面磨損形態(tài)，在刀具的前刀面上可以觀察到磨損程度較輕的月牙洼，在刀具的后刀面上可以看到比較明顯的粘結(jié)磨損，這是因為鈦合金彈性系數(shù)小，在切削過程中已加工表面的回彈比較大，使得刀具后刀面與工件之間有著較大的接觸面積和壓力，工件材料極易與后刀面發(fā)生粘結(jié)，粘結(jié)物在劇烈的摩擦作用下會連同一部分刀具材料發(fā)生剝落，經(jīng)過反復(fù)的粘結(jié)與剝落過程使得刀具發(fā)生粘結(jié)磨損。圖4b為切削速度95m/min時的刀具前、后刀面磨損形態(tài)，在刀具前刀面上可以觀察到比較明顯的月牙洼，并且磨損部位已經(jīng)被大量的工件材料粘結(jié)物所覆蓋，這是因為鈦合金的變形系數(shù)小，切削過程中刀具前刀面與切屑之間的接觸面積較小，所以刀具接觸面上作用有較大的局部壓力和溫度，使得刀具前刀面在切屑劇烈的擠壓和摩擦作用下產(chǎn)生較明顯的月牙洼，同時，高壓力和溫度促使前刀面的刀尖處出現(xiàn)工件材料的粘結(jié)物，在切屑連續(xù)擠壓與摩擦作用下粘結(jié)物逐漸剝落，這種粘結(jié)物的不斷粘結(jié)與剝落也加劇了前刀面月牙洼的產(chǎn)生。刀具的后刀面上可以看到比較明顯的粘結(jié)磨損，在磨損部位同樣粘有大量的工件材料粘結(jié)物，而且此時的粘結(jié)物覆蓋量以及粘結(jié)磨損程度較65m/min時大很多。圖4c為切削速度139m/min時的刀具前、后刀面磨損形態(tài)，在刀具前刀面上可以觀察到明顯的月牙洼，刀具后刀面上主要為磨粒磨損，且磨損程度較嚴重，在磨損部位可以清晰地看到由于磨粒劃擦所產(chǎn)生的犁溝。這是由于在此切削速度下，切削溫度大幅升高，不再形成積削瘤。在高溫作用下，刀尖處的材料軟化，工件材料中的硬質(zhì)點不斷摩擦后刀面，形成了磨料磨損。

圖4　不同切削速度下的刀具磨損形態(tài)

對比圖3三種速度下的刀具磨損曲線不難發(fā)現(xiàn)，刀具磨損速率隨著切削速度的增大而增大，其原因主要是隨著切削速度的增大，切削熱大幅增加，由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較小，切削過程中的熱量不易通過工件傳出，同時刀具的涂層起著隔熱作用，使得切削熱不易從刀具傳出，因此切削區(qū)的溫度很高，使刀具硬度大幅下降，磨粒磨損加劇。同時，較高的切削溫度也使刀具和工件材料間的粘結(jié)作用增強，并使刀具涂層快速剝落。

從圖4可以看到，當(dāng)切削速度為65m/min和95m/min時，刀具后刀面上均發(fā)生了比較明顯的粘結(jié)磨損，且95m/min時的粘結(jié)磨損程度較65m/min時嚴重很多。這是因為當(dāng)切削速度從65m/min增大到95m/min時，切削溫度明顯升高，同時鈦合金的化學(xué)活性隨著切削溫度的增大而增大，增加刀具材料與工件材料的親和性進而發(fā)生更為嚴重的粘結(jié)現(xiàn)象，所以刀具的粘結(jié)磨損嚴重。當(dāng)切削速度增大到139m/min時，切削溫度大幅升高，而硬質(zhì)合金刀具可承受的最高溫度大約為900℃，超過該溫度后由于刀具材料熱軟化作用使得硬質(zhì)合金的硬度迅速降低，在切削時受工件材料中硬質(zhì)點的劃擦產(chǎn)生一道道溝痕，造成刀具嚴重的磨粒磨損，所以139m/min時的刀具磨損速率明顯大于95m/min和65m/min時。

3　結(jié)論

在干切削條件下，研究了車削TC4鈦合金時涂層硬質(zhì)合金刀具在65m/min、95m/min和139m/min三種不同速度下的使用性能，得到以下結(jié)論：

(1)干式車削TC4鈦合金時，涂層硬質(zhì)合金刀具的主要磨損形式為粘結(jié)磨損和磨粒磨損。

(2)當(dāng)切削速度為65m/min和95m/min時，刀具的磨損形式主要為粘結(jié)磨損；當(dāng)切削速度為139m/min時，刀具的磨損形式主要為磨粒磨損。

(3)切削速度對刀具磨損影響很大，GC1005涂層硬質(zhì)合金刀具在95m/min以上較高速度下干式車削TC4鈦合金，磨損速度很快，無法進行穩(wěn)定的切削加工，其更適合于65m/min以下的中低速切削。

參考文獻：

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

The Effects of the Cutting Speed on Carbide Tool Wear During Turning TC4

Titanium Alloy

HAN Bing，JIANG Zenghui，LIU Penghe

( Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Abstract：In order to research the effects of cutting speed on tool wear during turning titanium alloy,GC1005 coated carbide cutting tools are chosen,dry turning comparative tests are carried out under the three cutting speeds of 65m/min,95m/min and 139m/min,the tool wear morphology is observed,and the tool wear characteristics under the different speeds are analyzed.The results show that，when the cutting speed is 65m/min or 95m/min,the main form of tool wear is adhesion wear,when the cutting speed is 139m/min,the main form of tool wear is abrasive wear;when the cutting speed exceeds 95m/min,the dry turning can not be carried out stably due to extremely rapid tool wear.

Key words：TC4 titanium alloy;carbide tool;cutting speed;tool wear

中圖分類號：TG506

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2015)01-0005-04

作者簡介：韓冰(1978—)，男，講師，研究方向：機械工程.

基金項目：國家科技重大專項資助項目(2012ZX04003-061)

收稿日期：2014-04-22