微銑削Ti6Al4V刀具磨損機(jī)理研究

于天琪，王忠生，田興志，于化東

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

微銑削Ti6Al4V刀具磨損機(jī)理研究

于天琪，王忠生，田興志，于化東

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

采用直徑1mm帶涂層硬質(zhì)合金微銑刀在Ti6Al4V材料表面展開微銑削刀具磨損試驗(yàn)，研究三個(gè)主要切削參數(shù)即主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、切削深度對(duì)切削力及刀具磨損量的影響；試驗(yàn)利用掃描電子顯微鏡與能譜儀觀察刀具磨損形貌，分析其化學(xué)元素的變化，研究微銑削刀具的磨損機(jī)理。結(jié)果表明：每齒進(jìn)給量與切削深度的增大造成切削力、刀具磨損量均變大，為了減小微銑刀磨損，延長(zhǎng)使用壽命，可提升主軸轉(zhuǎn)速，選用較小的每齒進(jìn)給量及切削深度進(jìn)行加工。微銑削Ti6Al4V刀具磨損主要發(fā)生在刀尖部位，并且多種磨損形式同時(shí)出現(xiàn)，粘結(jié)磨損是造成刀具磨損的主要原因，低速條件下微銑削刀具的損傷機(jī)理以磨粒磨損和粘結(jié)磨損為主，切削速度增大后發(fā)生粘結(jié)磨損的同時(shí)微銑刀刀尖處有一定程度的氧化磨損。

微銑削；切削力；刀具磨損機(jī)理；切削參數(shù)

隨著精密、超精密技術(shù)的快速發(fā)展，特征尺寸在毫米級(jí)至微米級(jí)的三維微小零件已廣泛用于航空航天、國(guó)防產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療器械以及生物工程等軍事民用重點(diǎn)領(lǐng)域［1］。航空航天領(lǐng)域鈦合金零件的應(yīng)用已達(dá)到50%以上［2］，但由于鈦合金的化學(xué)活性高、熱導(dǎo)率底、摩擦系數(shù)大等材料特性導(dǎo)致加工鈦合金刀具磨損嚴(yán)重。

目前關(guān)于微刀具磨損、破損方面的研究已成為微切削領(lǐng)域的熱點(diǎn)。武文毅［3］等人研究了加工參數(shù)與微銑刀壽命的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明每齒進(jìn)給量對(duì)微銑刀徑向磨損量影響顯著。Li Hongtao［4］等人使用原子力顯微鏡對(duì)刀具磨損形態(tài)進(jìn)行觀察，根據(jù)微銑刀磨損的特點(diǎn)，將直徑平均減少量作為評(píng)價(jià)刀具磨損的方法。李錫文［5］等研究學(xué)者將后刀面磨損區(qū)域的面積設(shè)定為評(píng)價(jià)刀具磨損程度的依據(jù)；何理論等人［6］采用帶有涂層的微銑刀對(duì)不銹鋼進(jìn)行微銑削加工，分析了其磨損、破損機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，微銑削不銹鋼時(shí)，多種磨損形式同時(shí)出現(xiàn)。S.De Cristo?faro［7］對(duì)涂層微銑刀銑削過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明含硅元素涂層對(duì)減少刀具磨損方面起到很大的作用。

本文采用直徑1mm帶涂層硬質(zhì)合金微銑刀在Ti6Al4V材料表面展開微銑削刀具磨損試驗(yàn)，研究三個(gè)主要參數(shù)對(duì)切削力及微銑刀磨損量的影響，分析不同切削速度下微銑刀的磨損形式及其機(jī)理。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)選用直徑1mm的兩刃微銑刀，切削刃長(zhǎng)2.5mm，螺旋角30°。試驗(yàn)材料Ti6Al4V的化學(xué)元素成分見表1。試驗(yàn)裝置如圖1所示，采用Kis?tler9256CQ01測(cè)力儀采集切削力，切削力信號(hào)通過電荷放大器后經(jīng)信號(hào)處理軟件采集記錄；激光共聚焦顯微鏡測(cè)量刀具磨損量；掃描電子顯微鏡及能譜分析儀分析刀具微觀形貌及磨損狀態(tài)，圖2所示為微銑刀形貌圖。試驗(yàn)中的切削用量已經(jīng)達(dá)到微米級(jí)，因此需要考慮刃口半徑這一重要參數(shù)，通過激光共聚焦顯微鏡測(cè)量得到微銑刀的刃口半徑rn約為（8±0.5）μm。

表1 鈦合金Ti6Al4V化學(xué)成分w（%）

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用直徑3mm硬質(zhì)合金涂層刀具在工件表面精銑出基準(zhǔn)面，之后采用直徑1mm的微銑刀全徑向銑削微溝槽，即槽的寬度等于微銑刀直徑，每組試驗(yàn)均使用測(cè)量后的新刀進(jìn)行加工；選取進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的波形，取均值設(shè)定為切削力的數(shù)值；設(shè)定交互作用較小的一組參數(shù)作為基準(zhǔn)量即n=8000r/min，fz=4μm/z，ap=15μm，切削參數(shù)的選取如表2所示。

圖1 微銑削刀具磨損試驗(yàn)裝置

圖2 微銑削刀具形貌圖

表2 微銑削刀具磨損試驗(yàn)切削參數(shù)值

微銑削刀具尺寸較小，加工方式與加工條件的變化使得微銑削刀具磨損量的評(píng)價(jià)方式較為復(fù)雜，目前并沒有明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)后刀面磨損帶寬度及刀具直徑變化量測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)這兩種方法在測(cè)量過程中存在一定的誤差，難以保證刀具每次均擺放在同一位置對(duì)磨損部位進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微銑刀刀尖處的最大磨損長(zhǎng)度能夠反映刀具磨損變化程度并且便于觀測(cè)，因此本課題以磨損后的后刀面刀尖位置到切削刃的垂直長(zhǎng)度dmax定義為刀具的磨損量，分析刀具磨損與切削參數(shù)的關(guān)系，微銑削刀具磨損量的評(píng)價(jià)方式如圖3所示。

圖3 微銑削刀具磨損量的評(píng)價(jià)方式

2 切削參數(shù)對(duì)切削力及刀具磨損量的影響

切削力是能夠描述切屑去除和加工過程變化的主要參數(shù)之一［8］。加工變形及摩擦產(chǎn)生了切削力，影響變形及摩擦的因素包括加工參數(shù)，所以分析切削力與切削參數(shù)的關(guān)系是非常必要的。

切削力和刀具磨損量隨主軸轉(zhuǎn)速的變化分別如圖4、圖5所示。切削條件為每齒進(jìn)給量fz=4μm/z，切削深度aP=15μm。隨著主軸轉(zhuǎn)速升高Fz、Fy以及F合均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速由6000r/min增大到7000r/min時(shí)，切削速度變大，切削力變大，刀具磨損量增大并且增長(zhǎng)速率較快。隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，切削速度提升，加工溫度上升，刀-屑間摩擦系數(shù)降低，剪切角變大造成切削力的變小，雖然此時(shí)刀具磨損量的增加造成切削力的變大，但是此時(shí)刀具磨損量增加緩慢不足以占據(jù)主導(dǎo)地位，因此本實(shí)驗(yàn)中隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大切削力先增大后降低。

圖4 切削力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化

圖5 刀具磨損量隨主軸轉(zhuǎn)速的變化

切削力、刀具磨損量隨每齒進(jìn)給量的變化規(guī)律分別見圖6、圖7，切削條件為主軸轉(zhuǎn)速n=8000r/min，切削深度aP=15μm。由圖可知每齒進(jìn)給量的增加使切削力變大，刀具磨損量增大并且增大幅度大于每齒進(jìn)給量2μm～4μm這一范圍。事實(shí)上每齒進(jìn)給量的增大造成每次進(jìn)給需要去除材料的面積變大，致使切削力變大，切削熱增加，出現(xiàn)擴(kuò)散及氧化磨損的可能性增大，加劇了刀具的磨損。

圖6 切削力隨每齒進(jìn)給量的變化

圖7 刀具磨損量隨每齒進(jìn)給量的變化

切削力、刀具磨損量隨切削深度ap的變化規(guī)律分別見圖8、圖9。切削條件為n=8000r/min，每齒進(jìn)給量fz=4μm/z。隨著切削深度的增大，去除材料體積變大，溫度升高，鈦合金化學(xué)活性高易發(fā)生冷硬現(xiàn)象，降低材料的塑性，增加刀具磨損，同時(shí)造成微銑刀受到的切削阻力變大加工過程中的切削力增加。

圖8 切削力隨切削深度的變化

圖9 刀具磨損量隨切削深度的變化

實(shí)驗(yàn)中的徑向力Fy變化明顯，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能有以下兩方面原因：①微銑削刀具的刃口半徑rn約為8±0.5μm，試驗(yàn)中最小切削深度為15μm，大于刃口半徑，隨著切削加工的進(jìn)行，切削刃口處逐漸磨損，軸向螺旋切削刃上此時(shí)的切削力可以分解為軸向力和徑向力兩部分，并且徑向力還包括工件的變形抗力；②有研究表明［9］機(jī)床系統(tǒng)的振動(dòng)和加工的不穩(wěn)定性也對(duì)Fy產(chǎn)生一定影響，刀具的直徑越小，切削過程中的振動(dòng)量越大，其徑向力的波動(dòng)系數(shù)越大，因此Fy在此實(shí)驗(yàn)條件下變化明顯。鞏亞東［10］、趙巖［11］等研究人員也驗(yàn)證了這一結(jié)果，即微銑削鈦合金材料時(shí)所受徑向力較大，并且受到材料彈性模量的影響對(duì)軸向力影響顯著，與常規(guī)加工中的刀具受力有著明顯差異。

3 微銑削Ti6Al4V刀具磨損機(jī)理分析

微銑削刀具前、后刀面和刀尖處均隨著切削加工的進(jìn)行產(chǎn)生磨損，同時(shí)銑削加工過程較為復(fù)雜，不同磨損形式會(huì)同時(shí)發(fā)生［8，9］。

為了與磨損后的銑刀形貌進(jìn)行比較，首先觀察未進(jìn)行加工的銑刀表面形貌，如圖10所示。圖11、圖12為表面完好的微銑刀能譜圖及基體能譜圖。通過能譜圖可知微銑刀涂層化學(xué)成分含量依次為Ti元素、N元素和Si元素，證明銑刀基體已被涂層完全覆蓋。

圖10 未進(jìn)行加工的刀具表面形貌

圖11 新刀能譜圖

圖12 微銑削刀具基體能譜圖

微銑削加工整個(gè)過程中都伴隨著磨粒磨損，其主要發(fā)生在低速加工時(shí)，由于工件材料表面存在硬質(zhì)點(diǎn)，微銑刀表面受到這些硬質(zhì)點(diǎn)的反復(fù)作用導(dǎo)致表面的材料磨損［8］。微銑削加工鈦合金時(shí)，硬質(zhì)點(diǎn)如同磨料對(duì)刀具的涂層造成破壞，將刀具基體中Co粘結(jié)相損壞，WC顆粒由于Co粘結(jié)相的破壞失去一部分把持力，如此反復(fù)形成磨料磨損。微銑刀磨損初期，磨痕明顯容易觀察，隨著加工的進(jìn)行磨損區(qū)域會(huì)被鈦合金粘結(jié)從而不易觀測(cè)。

微銑削Ti6Al4V材料時(shí)粘結(jié)現(xiàn)象明顯，結(jié)果表明微銑刀的粘結(jié)磨損在刀尖和后刀面切削刃口附近的區(qū)域明顯。由圖13、圖14所示，此時(shí)主軸轉(zhuǎn)速n= 8000r/min，每齒進(jìn)給量fz=6μm/z，切削深度ap= 15μm，微銑刀刀尖處由于受力較大、散熱條件較差發(fā)生了粘結(jié)磨損現(xiàn)象，通過分析能譜圖發(fā)現(xiàn)刀尖處有部分刀具基體中的W元素、C元素暴露，并且工件中的Al元素、V元素粘著在刀尖表面使刀具磨損。另一方面能譜中出現(xiàn)了氧元素（含量10.9%），這說明在粘結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)的同時(shí)有一部氧元素和刀具材料發(fā)生反應(yīng)，同樣對(duì)刀具產(chǎn)生影響，但該點(diǎn)氧元素含量較少并不足以成為主要的磨損形式。如圖15所示，此時(shí)主軸轉(zhuǎn)速n=8000r/min，每齒進(jìn)給量fz=4μm/ z，切削深度ap=15μm，在后刀面切削刃口位置附近，涂層受到高溫影響出現(xiàn)一定程度熱軟化，當(dāng)粘著物和工件材料的親和力大于刀具和粘著物之間的粘著力時(shí)，粘結(jié)界面將會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，微銑刀涂層易在拉應(yīng)力的影響下引發(fā)粘結(jié)撕裂磨損［14］。由圖16能譜圖可知，刀具涂層中Si元素、N元素減少，部分刀具基體WC暴露，高溫作用下工件中的部分Al、Ti元素粘結(jié)在刀具表面，粘結(jié)撕裂的區(qū)域快速的由鈦合金材料粘結(jié)覆蓋，粘結(jié)物使得微銑刀的幾何形狀發(fā)生變化，造成刀具在加工過程中的摩擦阻力增加，加劇了刀具的磨損。

圖13 微銑削刀具刀尖磨損形貌圖

圖14 微銑刀粘結(jié)磨損能譜圖

圖15 微銑刀后刀面磨損形貌圖

圖16 微銑刀粘結(jié)磨損能譜圖

圖17 微銑刀刀尖磨損形貌圖

圖17所示為微銑刀在主軸轉(zhuǎn)速n=10000r/ min，每齒進(jìn)給量fz=4μm/z，切削深度ap=15μm時(shí)的磨損形貌，能夠看到刀尖及附近區(qū)域表面發(fā)生磨損。選取刀尖發(fā)生磨損區(qū)域的點(diǎn)展開能譜分析，能譜圖見圖18。分析能譜圖可知該點(diǎn)處氧元素已經(jīng)達(dá)到30.1%，同樣Ti元素含量下降，微銑刀基體C元素暴露，少量Ti6Al4V中的Al元素、微量V元素粘結(jié)在微銑刀表面，產(chǎn)生了粘結(jié)磨損，在此試驗(yàn)條件下，微銑刀出現(xiàn)氧化磨損的同時(shí)存在粘結(jié)磨損。

圖18 微銑削氧化磨損能譜圖

實(shí)際加工中微銑刀及被加工材料間的組分濃度差較大，受到高溫、粘結(jié)、塑性變形的影響，促使微銑刀與工件的相互擴(kuò)散溶解，工件原有化學(xué)元素成分發(fā)生改變，導(dǎo)致微銑刀表層產(chǎn)生缺陷，造成了微銑刀的擴(kuò)散磨損［13］。圖19所示為主軸轉(zhuǎn)速n=9000r/ min，每齒進(jìn)給量為fz=4μm/z，切削深度ap=15μm時(shí)刀具的磨損形貌。由圖20所示對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行能譜分析得到該點(diǎn)Ti元素含量急劇下降，未發(fā)現(xiàn)涂層中的Si元素與N元素，證明刀尖處涂層已經(jīng)剝落，此時(shí)微銑刀基體材料暴露，其中的鎢元素的含量較高這是由于其原子半徑大于C元素和Co元素，擴(kuò)散過程中損失量并不明顯，但粘結(jié)相Co元素有所減少，刀具基體沒有被粘結(jié)相完全覆蓋處在應(yīng)力作用下易成為裂紋源產(chǎn)生缺陷，隨著切削加工的繼續(xù)裂紋會(huì)加速微銑刀的崩刃與損壞。通過能譜發(fā)現(xiàn)僅有微量工件材料中的Al元素、V元素?cái)U(kuò)散至微銑刀表面，氧元素的含量?jī)H為6.4%，并不足以證實(shí)刀具刀尖處發(fā)生了氧化磨損并且此試驗(yàn)中元素?cái)U(kuò)散的量很小，元素間化學(xué)元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生不是引發(fā)微銑刀磨損的主要原因。

圖19 微銑刀刀尖磨損形貌圖

圖20 微銑削擴(kuò)散磨損能譜圖

4 結(jié)論

（1）本文提出將磨損的后刀面刀尖位置到切削刃的垂直距離定義為刀具的磨損量，分析微銑削刀具磨損的變化規(guī)律。該觀測(cè)方式能夠有效的評(píng)價(jià)微銑刀磨損量。

（2）微銑削Ti6Al4V過程中，每齒進(jìn)給量和切削深度對(duì)刀具磨損量影響較大。每齒進(jìn)給量由4μm/z增大至6μm/z后，切削力和刀具磨損量較之前相比增幅明顯變大，這是由于每齒進(jìn)給量對(duì)材料去除量有著直接影響，材料去除量增加后刀具與被加工材料的接觸面積變大，切削力和刀具磨損量隨之增加。實(shí)際加工中為了減少刀具磨損，延長(zhǎng)刀具使用壽命，保證加工效率，可提高主軸轉(zhuǎn)速，選擇較小的每齒進(jìn)給量和切削深度進(jìn)行加工。

（3）微銑削Ti6Al4V刀具的刀尖、切削刃及其附近區(qū)域受到較大的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力，多種磨損形式同時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min時(shí)，粘結(jié)磨損是造成微銑刀磨損的主要原因，氧化磨損伴隨著粘結(jié)磨損存在；當(dāng)轉(zhuǎn)速在9000r/min時(shí)，切削速度的變大造成溫度升高，刀尖處出現(xiàn)涂層脫落的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)有微量的被加工材料擴(kuò)散到微銑刀表面的現(xiàn)象，但是含量較低，擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生不是引發(fā)微銑刀磨損的主要原因。隨后當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min時(shí)，氧化磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，并且刀尖處有伴有一定程度粘結(jié)磨損。

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Tool Wear Mechanisms in Micro-milling of Ti6Al4V

YU Tianqi，WANG Zhongsheng，TIAN Xingzhi，YU Huadong
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The micro grooves structures were machined on Ti6Al4V surface with 1mm diameter coated carbide cutting tool.Re?searched on the influence of three main cutting parameters such as spindle speed，feed per tooth and cutting depth on cutting force and tool wear.The scanning electron microscope and energy dispersive spectrometer were utilized to observe the tool wear mor?phology and analyze the chemical elements about tool surface.Then research on the mechanisms and patterns of cutting tools.The results showed that when the feed of per tooth and axial cutting depth increased，the cutting force and tool wear were increased.In order to reduce tool wear and improve the service life of the tool，the spindle speed can be increased then reduce the feed rate per tooth and cutting depth The tool wear in micro-milling of Ti6Al4V is mainly occurs at the tip of the tool and a variety of tool wear patterns existed at the same time.The abrasive wear and adhesive wear were significantly under the condition of low rotating speed，diffusion wear and oxidation wear existed at the same time the spindle speed increased.

micro-milling；cutting forces；tool wear mechanisms；cutting parameters

TH117.1

A

1672-9870（2017）03-0032-06

2016-12-19

于天琪（1989-），女，碩士研究生，E-mail：ytq395567206@163.com

于化東（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：yuhd@cust.edu.cn