鈦合金TA15銑削刀具磨損機理研究

王明海，周冬亮，劉 娜，張志勇，邵晨峰

（1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限公司技術中心，沈陽 110000）

0 引言

鈦合金具有比強度大，耐腐蝕，耐高溫，良好的低溫性、生物融合性好等一系列優(yōu)點，廣泛地應用于航空、航天、醫(yī)學、造船、核電等行業(yè)。然而鈦合金卻是一種典型的難加工材料，具體表現(xiàn)為切削變形系數(shù)小，切削溫度高，刀具易磨損，冷硬現(xiàn)象嚴重，單位面積上壓力大。在實際生產(chǎn)中，鈦合金材料需要大量去除，刀具消耗多，因此研究鈦合金銑削刀具磨損具有重要的意義。在鈦合金銑削過程中，刀具磨損是一個突出的問題，國內(nèi)外學者對加工鈦合金多數(shù)圍繞硬質(zhì)合金刀具進行。刀具磨損是熱力耦合作用的結(jié)果，在切削中不可避免。刀具磨損不僅和銑削參數(shù)有關，還和物理、化學等因素有關。Nouari等對未涂層硬質(zhì)合金刀具在干切削下端銑鈦合金時的刀具磨損機理進行了實驗和理論分析，研究發(fā)現(xiàn)刀具的磨損機理包括粘結(jié)和擴散磨損兩個方面；當磨損達到一定程度時，刀具會產(chǎn)生脆性斷裂、塑性變形以及涂層剝落等現(xiàn)象，刀具產(chǎn)生劇烈磨損[1]。最新研宄表明，鈦合金在低速條件下干切削時的磨損機理為粘結(jié)磨損，在高速干切削時以擴散磨損為主。耿國盛等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：在低速干切削時，銑刀和工件的接觸時間相對較長，切屑在溫度和應力的作用下粘附在前刀面上，由于粘附物周期性的脫落和熱沖擊的影響，刀刃上形成微裂紋，微裂紋擴展交錯形成鍋底型裂紋，引起刀刃附近的材料不斷脫落，使刀刃強度降低；高速干切削時，刀具與工件的接觸溫度高且溫度梯度大，刀具中元Co向工件擴散，造成WC顆粒物之間的結(jié)合力降低，導致表層脆化，引起WC顆粒物脫落。而且研宄表明，鈦合金中的Ti、Al、Co、V等元素向硬質(zhì)刀具方向的擴散比較困難[6]。N Corduna等人認為涂層硬質(zhì)合金刀具低速車削鈦合金時刀具磨損形態(tài)主要為前刀面月牙洼磨損以及后刀面磨損，失效機理主要為涂層剝落和基體擴散磨損[2]。大連理工大學的秦龍、董海等人研究了硬質(zhì)合金刀具在低速加工時主要為粘結(jié)磨損，在高速加工時主要為氧化、粘結(jié)、擴散磨損[4]。吳欣等人通過對鈦合金高速銑削試驗，研究了刀具磨損特性, 認為刀具的粘結(jié)相（Co）在高溫下喪失對WC顆粒的結(jié)合強度, 磨損機理以高溫下的粘結(jié)層撕裂磨損為主[5]。沈航的王奔，印文典等人通過鉆削鈦合金試驗，認為隨著鉆削的進行，在熱/力共同作用下，粘焊物與刀具材料一起脫落，所以造成了刀具粘焊磨損，即導致WC顆粒物在正壓力下發(fā)生脫落現(xiàn)象，因此磨損及其所導致的崩刃現(xiàn)象，在鈦合金切削過程中均容易出現(xiàn)[3]。綜上所述，切削鈦合金時硬質(zhì)合金刀具失效機理為粘結(jié)磨損、氧化磨損、擴散磨損、磨粒磨損，在銑削鈦合金時，已加工表面對刀具的回彈摩擦、崩刃失效機理研究較少，本文著重對鈦合金回彈摩擦、刀具磨損機理、崩刃失效展開研究。

1 試驗設備與條件

1.1 工件材料

本次試驗采用TA15鈦合金，TA15鈦合金屬于高鋁含量的近α型鈦合金，既具有α型鈦合金良好的可焊接性、熱強性，又具有α-β型鈦合金良好地工藝塑性。試驗采用方塊材料，長160mm，寬120mm，高110mm。鈦合金TA15在200℃時力學性能如表1所示。

其化學成分如表2所示。

1.2 試驗設備

試驗機床：VMC850B立式加工中心。

試驗刀具：本次試驗刀具采用株洲刀具公司生產(chǎn)的涂層硬質(zhì)合金刀具，屬于W-Co類硬質(zhì)合金刀具，鈷含量為6%，硬質(zhì)合金刀具直徑10mm，總長75mm，4齒平底立刀，加工硬度45度、4刃、刀刃長25mm、刀徑長50mm。

測力儀：Kistler9257B三向壓電陶瓷測力儀，可測量三向切削力，由陶瓷壓力探頭、數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器、電腦等組成。

顯微鏡：基恩士超景深光學三維顯微鏡，觀察和測量刀具磨損形貌。

圖1 4刃平底立銑刀

1.3 試驗方案

本次試驗采用三把硬質(zhì)合金平底立銑刀進行切削加工試驗，加冷卻液，1號刀切削速度60m/min、軸向切深2mm、徑向切寬4mm、每齒進給量0.075mm，2號刀切削速度60m/min、軸向切深2mm、徑向切寬0.05mm、每齒進給量0.075mm。每次加工640mm，卸下刀具，測量一次刀具后刀面的磨損形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 刀具磨損形貌

隨著切削距離的不斷增加，1號刀具磨損形貌變化情況如圖2所示，當切削距離達到1.92m時，后刀面的磨損情況如圖2(a)所示，主后刀面開始磨損，稍微有粘鈦現(xiàn)象，后刀面粘結(jié)有大量雜物，副后刀面摩擦磨損比較明顯，刀刃上微崩刃現(xiàn)象不明顯。當切削距離達到3.84m時，刀具后刀面磨損情況如圖2(b)所示，后刀面粘結(jié)大量的鈦。微崩刃現(xiàn)象較明顯。當切削距離為5.76m時，主后刀面切削刃微崩刃情況嚴重，刀面上粘結(jié)的雜物幾乎不變，副后刀面出現(xiàn)連續(xù)的摩擦磨損微崩刃現(xiàn)象明顯，刀具磨損情況如圖2(c)所示。當切削距離為7.68m時，刀尖崩刃，并且粘結(jié)大量的鈦，主后刀面上粘結(jié)雜物消失，微崩刃現(xiàn)象十分明顯。副后刀面同樣出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。前刀面在整個加工過程中，幾乎沒有磨損，沒有出現(xiàn)月牙洼磨損，前刀面上僅涂層掉落。鈦合金材料的彈性模量小，切削時已加工表面回彈大，副后刀面與工件已加工表面的實際接觸面積較大，導致刀具的副后刀面磨損通常比主后刀面磨損更為嚴重。

表1 鈦合金TA15物理性能表

表2 鈦合金TA15化學成分能表

2號刀具主要研究鈦合金已加工表面的回彈摩擦作用對硬質(zhì)合金刀具磨損的影響，銑削寬度0.05mm，其余加工參數(shù)和1號刀具一樣。銑刀在順銑的過程中，切屑由厚變薄，然后和已加工鈦合金表面摩擦，由于鈦合金的回彈作用，摩擦力較大，具體磨損形貌情況如圖3所示，當加工距離為1.92m和3.84m時，后刀面基本無磨損，僅刀刃倆側(cè)的涂層開始脫落，后刀面基本沒有粘鈦現(xiàn)象，當加工距離為5.76m時，后刀面刀刃出現(xiàn)輕微磨粒磨損，當加工距離為7.68m時，刀刃輕微磨損，出現(xiàn)微崩刃現(xiàn)象。1號刀具加工7.68m時，刀尖崩刃，崩刃寬度大于0.3mm，刀具達到加工壽命。通過1號、2號刀具的對比可知，鈦合金件已加工面的回彈摩擦對刀具磨損影響甚微。

圖3 2號刀磨損情況圖

2.2 磨損機理

如圖4所示，刀刃上粘結(jié)大量的鈦，在切削鈦合金的過程中，銑刀和工件之間劇烈摩擦，切削區(qū)域溫度、壓強很高，刀刃附近區(qū)域的表層金屬發(fā)生軟化，硬度降低，刀具和鈦合金之間必然產(chǎn)生相互吸合作用，鈦合金材料便粘焊在刀刃上。在刀具不斷地銑削過程中，粘結(jié)物由于摩擦或者擠壓作用，不停的脫落，同時帶走部分刀具材料，因此刀具發(fā)生粘結(jié)磨損。

如圖5(a)所示，刀面上有大量的劃痕。在切削的過程中，刀具和鈦合金之間快速相對移動，刀具不停的受到鈦合金工件材料中的硬質(zhì)點、硬質(zhì)層以及高硬度粘結(jié)物沖擊，這些硬質(zhì)物便在刀具表面留下大量劃痕，同時粘結(jié)在刀刃上的鈦脫落后擠壓在已加工表面上和未加工表面上，因此刀具表面產(chǎn)生劃痕，在不斷地切削中，刀具由于劃痕作用發(fā)生磨粒磨損。當?shù)度幸蚰チＤp磨頓時，刀刃上剪切應力變大，達到一定程度，刀尖便發(fā)生崩刃。

圖4 粘結(jié)磨損圖

圖5 磨粒磨損圖

根據(jù)研究表明，在高溫下（600℃），硬質(zhì)合金中的C、W容易和空氣中的O發(fā)生化學反應生成氧化物，鈦合金在高溫下十分活潑，容易和空氣中的O、N生成氧化物，從而生成冷硬層，刀具在不斷地銑削過程中，受到冷硬層沖擊，以及自身氧化物的脫落，刀具發(fā)生氧化磨損。而本次試驗切削鈦合金試驗，加冷卻液冷卻，銑削溫度很低，遠小于600℃，達不到發(fā)生化學反應的條件，因此本試驗氧化磨損不是刀具磨損主要因素。在低溫下，擴散磨損也不是刀具磨損主要因素。

2.3 崩刃研究

在熱/力共同作用下，鈦合金與刀具材料發(fā)生強烈地化學反應，生成的物質(zhì)以積屑瘤的形式粘結(jié)在刀具材料上，隨著切削的不斷進行，積屑瘤會與刀具材料間斷性地從刀具基體上脫落，從而造成刀具粘結(jié)磨損，甚至導致崩刃失效。因此粘結(jié)磨損是導致刀具崩刃失效的關鍵因素。

如圖5(b)圖所示，1號刀銑削鈦合金TA15材料第8.32米時后刀面形貌，后刀面崩刃不整齊，毫無規(guī)律性，整個崩刃區(qū)呈現(xiàn)出不 連續(xù)的凹凸不平的且粗糙度較大的平面。如圖6所示，在銑削第5.92米時，硬質(zhì)合金刀具兩個后刀面突然斷刀，兩個未斷刀的后刀面粘結(jié)大量的鈦，粘結(jié)磨損首先導致微崩刃，進而導致崩刃，甚至引起斷刀現(xiàn)象。

圖6 3號刀斷刀圖

根據(jù)研究，硬質(zhì)合金刀具的硬質(zhì)相WC顆粒物多是一些不規(guī)則立方體結(jié)構(gòu)，中間存在一定量粘結(jié)劑，刀具在較高溫度下，較大外力作用下，粘結(jié)相的力學性能下降速度比硬質(zhì)相要快，同時鈦合金與刀具材料中的WC 以及Co發(fā)生強烈地親和作用，生成物粘結(jié)在WC顆粒物上，隨著切削的不斷進行，在熱/力共同作用下，粘結(jié)物和刀具材料一起脫落，即導致WC顆粒物脫落，一處WC顆粒物脫落后，相鄰的WC顆粒物群在銑削過程中產(chǎn)生較大的剪切應力，造成臨近的WC顆粒群大量脫落，最后導致崩刃。本次硬質(zhì)合金銑削鈦合金不是連續(xù)進行（每次切削長度160mm），當溫度和應力達到一定條件下，粘結(jié)磨損才能繼續(xù)進行，根據(jù)斷裂力學裂紋擴展條件，當應力強度因子大于刀具材料臨近斷裂韌性值，裂紋撕裂才可繼續(xù)進展。在硬質(zhì)合金切削鈦合金的過程中，粘結(jié)磨損，WC顆粒物脫落是導致硬質(zhì)合金刀具崩刃失效主要因素。

3 結(jié)論

根據(jù)兩把相同的硬質(zhì)刀具切削鈦合金試驗，在切削寬度不同的條件下，分析了硬質(zhì)合金刀具磨損形貌的演變過程，磨損機理，以及回彈摩擦對刀具磨損的影響。

1）切削過程中，兩把刀具都出現(xiàn)了粘鈦和微崩刃現(xiàn)象，1號刀具在整個切削加工中，始終存在粘鈦、和微崩刃現(xiàn)象，2號刀具切削加工一定時間后，出現(xiàn)粘鈦和微崩刃現(xiàn)象；

2）已加工面的回彈摩擦對硬質(zhì)合金刀具磨損影響不大；

3）在低速切削、加冷卻液條件下，粘結(jié)磨損，微崩刃是硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金主要失效機理；

4）粘結(jié)磨損是導致硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金崩刃失效主要原因。

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