涂層刀具高速車削損傷容限型鈦合金的試驗研究*

孫 濤，秦錄芳，傅玉燦

(1. 徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

1001-2265(2017)10-0050-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.012

2017-04-26；

2017-05-22

江蘇省基礎(chǔ)研究計劃-自然科學(xué)基金面上項目(BK20171170)；徐州市社會發(fā)展—基礎(chǔ)應(yīng)用研究項目(KC16SG258)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(CXLX12_0139)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助

孫濤(1980—)，男，安徽蚌埠人，徐州工程學(xué)院副教授，研究方向為高效精密加工技術(shù)，(E-mail)suntao@xzit.edu.cn；通訊作者：傅玉燦(1972—)，男，福建廈門人，南京航空航天大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為難加工材料高效精密加工技術(shù)、超硬磨料工具、綠色高效冷卻技術(shù)，(E-mail)yncanfu@nuaa.edu.cn。

涂層刀具高速車削損傷容限型鈦合金的試驗研究*

孫 濤1，2，秦錄芳1，傅玉燦2

(1. 徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

針對TC21這種我國自主研制的高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，采用TiAlN涂層刀具進(jìn)行了高速車削試驗研究。通過單因素法試驗，分析了車削參數(shù)對切削力、切削溫度和刀具耐用度的影響規(guī)律。采用掃描電鏡(SEM)和能譜分析(EDS)的觀察手段，研究了TiAlN涂層刀具高速車削鈦合金TC21的刀具磨損機(jī)理。研究成果為TiAlN涂層刀具高速車削損傷容限型鈦合金的推廣提供了理論參考依據(jù)。

損傷容限型鈦合金；TiAlN涂層刀具；高速車削

0 引言

損傷容限型鈦合金相對于普通的中等強(qiáng)度鈦合金(如：TC4)，具有高強(qiáng)度、高韌性、較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率和優(yōu)良的疲勞性能等綜合高性能。TC21作為我國自主研制的高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，廣泛用于航空航天等領(lǐng)域。TC21是名義成分為Ti-6Al-3Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1Cr的兩相鈦合金，在強(qiáng)度、斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展抗力、熱穩(wěn)定性的綜合匹配方面不低于Ti-1023合金，與美國的Ti-62222合金相當(dāng)甚至更好[1-2]。

鈦合金TC21的主要力學(xué)性能高于同類的α+β鈦合金TC4，其切削加工性能遜于TC4。目前，我國對于鈦合金TC21的機(jī)械加工研究較少。SHI Qi等人[3-4]分析了TC21高速銑削時，切削參數(shù)和刀具磨損量對切削力、切削溫度以及表面完整性的影響，驗證了TC21銑削的刀具耐用度遠(yuǎn)低于TC4，是其30%左右。周成等人[5]采用正交試驗法和極差分析法，分析了不同切削參數(shù)對高速銑削TC21的粗糙度的影響規(guī)律。于超等人[6]通過熱氫處理對TC21的切削加工性改善進(jìn)行了研究，結(jié)果表明氫含量在0.25%～0.3%范圍時，切削力減小、表面粗糙度值下降、斷屑容易，切削加工性變好?，F(xiàn)階段，由于對TC21的切削加工性的研究不夠深入，無法形成對其實際切削加工的理論指導(dǎo)，造成工廠普通采用經(jīng)驗來制定TC21的切削參數(shù)，使得TC21的加工效率偏低，尤其是車削加工效率偏低，為了保證合適的刀具耐用度，工廠實際的精車切削速度v大約為40～50 m/min，制約了損傷容限型鈦合金TC21的廣泛應(yīng)用。

為提高鈦合金TC21的加工效率和刀具耐用度，考慮到高速加工在淬硬鋼和鈦合金TC4等難加工材料的切削加工中表現(xiàn)出的材料去除率高、切削力低和加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，本文對鈦合金TC21進(jìn)行高速車削試驗，以提高TC21的加工效率和改善表面質(zhì)量。

對于鈦合金TC21的高速車削，刀具是首要考慮的因素。TiAlN擁有高的硬度、耐磨性和優(yōu)異的抗高溫氧化性能，現(xiàn)已逐步替代TiN成為適用于高速切削不銹鋼、鈦合金、鎳合金等難加工材料的刀具涂層之一[10-11]。

綜上所述，本文采用TiAlN涂層的刀具對鈦合金TC21進(jìn)行高速車削試驗，分析各切削參數(shù)對切削力、切削溫度和刀具耐用度的影響程度，研究刀具失效形態(tài)和磨損機(jī)理，為損傷容限型鈦合金的高速車削提供試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 試驗條件

1.1 試驗材料

采用φ100mm的鈦合金TC21棒料，材料主要性能如表1、表2所示。

表1 鈦合金 TC21 的化學(xué)成分

表2 鈦合金 TC21主要物理和力學(xué)性能

1.2 試驗設(shè)備

(1)機(jī)床

試驗在SK 50P數(shù)控車床上完成，該機(jī)床的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：功率：7.5 kW；主軸最大扭矩：800 N.m；主軸轉(zhuǎn)速：62～1620 rpm；行程(X/Z)：550/500 mm；床身最大回轉(zhuǎn)直徑：500 mm；最大工件長度：1000 mm。

(2)試驗儀器

切削力的數(shù)據(jù)采用瑞士KISTLER 9265B三向壓電式測力儀和電荷放大器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

切削溫度采用自然熱電偶測溫法[12]。將康銅絲夾緊在刀片的底部，車削過程中，車刀切除到鈦合金的同時，刀具與工件接觸區(qū)產(chǎn)生的高溫(熱端)與刀具、工件各自引出端的室溫(冷端)形成溫差電勢，通過NI-6211采集卡采集并經(jīng)測溫分析系統(tǒng)分析得出具體溫度曲線圖。

采用KH-7700三維視頻顯微系統(tǒng)對刀具后刀面磨損帶進(jìn)行拍照，并用圖像測量分析軟件對后刀面磨損VB的值進(jìn)行測量。

使用美國FEI INSPECTS50掃描電子顯微鏡(SEM)對刀具的磨損微觀形態(tài)進(jìn)行觀察，并采用英國牛津OXFORD X-act/INCA150型能譜儀進(jìn)行能譜分析。

(3)刀具

刀柄型號：PCLNR2525M12。刀片型號：肯納CNMG120412MS(高級PVD TiAlN涂層細(xì)晶粒碳化鎢材質(zhì))，前角13°，后角11°。

1.3 試驗參數(shù)

車削的加工參數(shù)包括切削速度v、切削深度ap和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f。鈦合金TC21車削的試驗參數(shù)如表3所示，試驗采用單因素法，濕式切削。

表3 側(cè)銑精加工實驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 切削力和切削溫度的分析

如圖1所示，與鈦合金TC4的切削力相比較[13]，TC21的切削力要大于TC4，這主要和材料不同的物理屬性有關(guān)。①TC21的強(qiáng)度和硬度高于TC4。在室溫下，TC21的抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σ0.2都大于1100MPa、硬度達(dá)到47～51 HRC，而TC4的σb≥902MPa、σ0.2≥824MPa、硬度只有33～35HRC。材料的強(qiáng)度和硬度越高，則材料的剪應(yīng)力τ越大，從而切削力越大；②切削時的變形和摩擦是在高溫下進(jìn)行的，由于TC21的高溫強(qiáng)度要高于TC4，所以TC21的切削力也會大于TC4；同時，還需要重視的一個原因是TC21作為損傷容限型鈦合金具有比TC4更佳的裂紋擴(kuò)展速率。綜合以上原因，造成TC21的切削力要明顯高于TC4。

與鈦合金TC4的切削溫度相比較[14]，TC21的切削溫度要略大于TC4。影響切削溫度的主要因素是熱導(dǎo)率λ，TC21的λ要略小于TC4，如在500℃的時候，TC21的λ=10.1W/(m·℃)，而TC4的λ=11.8 W/(m·℃)。同時，TC21的切削力要大于TC4，相應(yīng)所做的功增大，單位時間產(chǎn)生的熱量相應(yīng)也會增多。以上原因綜合造成了TC21的切削溫度高于TC4。

(a)切削速度

(b)切削深度

(c)進(jìn)給量圖1 切削參數(shù)對切削力和切削溫度的影響

在本試驗中：隨著切削參數(shù)的增加，切削力隨之增加，切削深度和進(jìn)給量對切削力的影響程度要大于切削速度。切削速度對切削溫度的影響要大于切削深度和進(jìn)給量，切削深度對切削溫度的影響最小。

切削速度對切削溫度的影響程度要大于對切削力的影響。這主要是由于TC21車削時，切削速度提高導(dǎo)致的切削溫度上升會使被加工材料軟化，摩擦系數(shù)減小，致使切削力增加趨勢減弱。

切削深度對切削溫度的影響程度要小于對切削力的影響。這是由于測溫采用的自然熱電偶法只能測取切削區(qū)域的平均溫度，隨著切削深度的增加，切削區(qū)域的體積也將增加，所以所測切削溫度增加的趨勢并不明顯，要遠(yuǎn)小于切削力。

隨著進(jìn)給量的增加，切削力和切削溫度的上升趨勢基本相同，都很明顯。

2.2 刀具耐用度的分析

如圖2所示，各切削參數(shù)對刀具耐用度的影響都比較明顯。試驗中，當(dāng)v=100 m/min、ap=0.6 mm、f=0.05 mm/r時，刀具耐用度T最長，為T=91 min，刀具磨損量VB=0.4 mm；當(dāng)v=100 m/min、ap=1 mm、f=0.1 mm/r時，刀具耐用度最短，T=1.5 min，VB=0.55 mm。

(a)切削速度

(b)切削深度

(c)進(jìn)給量圖2 切削參數(shù)對刀具磨損的影響

結(jié)合圖1所示的切削力和切削溫度，可以得出：

各切削參數(shù)對切削力的影響都比較大，切削深度對切削溫度的影響較小，這說明當(dāng)切削深度增加而刀具耐用度T急劇下降的主要原因不是切削溫度的影響，而是切削力的急劇增加和機(jī)械振動的加強(qiáng)導(dǎo)致刀具涂層承受的機(jī)械沖擊超過了其極限，使得刀具涂層材料脫落而失效。

切削速度和進(jìn)給量的提高，刀具耐用度T下降的原因和切削力和切削溫度的提高都有關(guān)系，TiAlN涂層的氧化溫度為700℃～800℃，通過圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，在本試驗參數(shù)下車削TC21時，當(dāng)?shù)毒吣陀枚萒較低時，對應(yīng)的切削溫度到在750℃～800℃，由于采用的是自然熱電偶法，測的是切削區(qū)域的平均溫度，所以刀尖區(qū)域的切削溫度可能已經(jīng)超過800℃。此時，TiAlN涂層容易剝落，硬度下降明顯，涂層壽命急劇下降。

2.3 刀具磨損機(jī)理的分析

如圖3所示，TiAlN涂層刀具高速車削鈦合金TC21時，前刀面已經(jīng)產(chǎn)生碎斷而失效，此時后刀面還處于正常的磨損階段，所以以對前刀面的磨損機(jī)理分析為依據(jù)。

刀具前刀面存在很多粘結(jié)物，說明前刀面存在嚴(yán)重的粘結(jié)磨損。由于前刀面是切屑流出的表面，所以在高溫高壓的作用下，前刀面的粘結(jié)磨損程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后刀面。在熱沖擊和機(jī)械沖擊的持續(xù)作用下，不斷有粘結(jié)點(diǎn)破裂被帶走，從而加劇了刀具的磨損。刀尖處溫度最高，應(yīng)力最為集中，粘結(jié)磨損也最為嚴(yán)重，所以刀尖處最先由于粘結(jié)磨損而產(chǎn)生崩刃或碎斷，從而刀具失效。

粘結(jié)磨損一般都伴隨擴(kuò)散磨損和氧化磨損。圖4為圖3中點(diǎn)1的元素能譜分析圖，從圖中可以看出，刀具表面含有C、O、Ti等元素。由于Ti的化學(xué)活性高，很容易與刀具中的C反應(yīng)，形成粘結(jié)的TiC層，由于TC21車削過程中的機(jī)械沖擊、剪切及摩擦等作用使得很難形成穩(wěn)定的TiC粘結(jié)層，故而這種擴(kuò)散會加劇刀具的磨損。

前面的試驗測溫試驗表明，TiAlN涂層刀具車削TC21的切削溫度已經(jīng)超過800℃。此時，TiAlN涂層會產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化反應(yīng)，形成氧化會形成外層是Al2O3，內(nèi)層是TiO2的結(jié)構(gòu)，Al2O3的形成能夠很好的阻止氧向內(nèi)層涂層擴(kuò)散。由于高溫下的氧化及涂層與基體的線膨脹系數(shù)不同而引起的應(yīng)力會使涂層開裂和剝落。同時，氧化時間的增加，硬度會大幅下降，一方面是由于表面氧化，氧化物的硬度較低，另一方面由于沉積態(tài)的涂層中有殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力與涂層的硬度成正比，在高溫下應(yīng)力得到釋放，硬度降低。兩者綜合的氧化磨損作用會加劇TiAlN涂層的性能下降。

(a)前刀面 500X

(b)后刀面 500X(v=80m /min、f=0.1mm/r、ap=0.6mm，T=22 min)圖3 刀具前后刀面的SEM照片

圖4 點(diǎn)1的元素能譜分析曲線

隨著切削參數(shù)的提高，切削力和切削溫度進(jìn)一步提高，更高的壓力和溫度會使得材料和刀具發(fā)生嚴(yán)重的冷焊結(jié)合現(xiàn)象。如圖5所示，刀具表面覆蓋了一層厚厚的鈦合金粘結(jié)物。粘結(jié)物的硬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TiAlN涂層的硬度，在劇烈的機(jī)械沖擊作用下，刀尖刀刃處迅速產(chǎn)生碎斷而失效。

(v=100m /min、f=0.1mm/r、ap=1mm，T=1.5 min)圖5 刀具的SEM照片 500X

3 結(jié)論

為了探討TiAlN涂層刀具高速車削損傷容限型鈦合金的加工技術(shù)，對TC21的切削力、切削溫度、刀具耐用度和刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

(1)切削深度ap和進(jìn)給量f對切削力的影響程度要大于切削速度v；切削速度v對切削溫度的影響要大于切削深度ap和進(jìn)給量f，切削深度ap對切削溫度的影響最小。

(2)切削速度v對切削溫度的影響程度要大于對切削力的影響；切削深度ap對切削溫度的影響程度要小于對切削力的影響；進(jìn)給量f對切削力和切削溫度的影響趨勢基本相同，都很明顯。

(3)切削深度ap增加而刀具耐用度T急劇下降的主要原因不是切削溫度的影響，而是切削力的急劇增加和機(jī)械振動的加強(qiáng)導(dǎo)致；切削速度v和進(jìn)給量f的提高，刀具耐用度T下降的原因和切削力和切削溫度的提高都有關(guān)系。

(4)TiAlN涂層刀具高速車削鈦合金TC21的磨損機(jī)理以粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損為主；當(dāng)切削參數(shù)很高時，鈦合金粘結(jié)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，此時粘結(jié)磨損是刀具磨損的主要機(jī)理。

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TheExperimentalResearchofCoatedCuttingToolinHighSpeedTurningDamage-tolerantTitaniumAlloy

SUN Tao1,2, QIN Lu-fang1, FU Yu-can2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering,Xuzhou University of Technology, Xuzhou Jiangsu 221008,China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

In order to achieve the goal of high speed turning for damage-tolerant titanium alloy, the TiAlN-coated tool was adopted for high speed turning of TC21. TC21 is a first self-developed high strength and damage-tolerant titanium alloy in China. By means of mono-factorial experiments, the influence rules were analyzed that turning parameters effect on cutting force, cutting temperature, and tool life. By analyses of scanning electron microscope ( SEM ) and electron energy spectrum ( EDS ), the tool wear mechanism were studied. These researches provide references for high speed turning TC21.

damage-tolerant titanium alloy; TiAlN coated cutting tool; high speed turning

TH161;TG506.1

A

(編輯李秀敏)