硬質(zhì)合金刀具正交切削鈦合金試驗的研究

（長春理工大學(xué) 精密制造及檢測技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，長春 130022）

0 引言

切削加工過程中，為了改善刀具與切屑界面的摩擦狀況，抑制刀具磨損，降低切削成本，提高切削效率、加工表面質(zhì)量，國內(nèi)外專家和學(xué)者根據(jù)仿生摩擦學(xué)的研究結(jié)果[1～4]，在刀具的前刀面或者后刀面通過不同方法制備了不同特征參數(shù)的表面微織構(gòu)[5,6]，并在不同潤滑條件下，研究了表面織構(gòu)對刀-屑界面的切削力、切削溫度、摩擦系數(shù)、切屑粘結(jié)等因素的影響效果，分析和揭示了表面織構(gòu)刀具改善刀具性能的切削機理。

鄧建新等[7]在硬質(zhì)合金刀具的后刀面加工出不同的微織構(gòu)，研究其對刀具摩擦、磨損性能的影響。Dawit Zenebe Segu等[8]用YAG激光器在鋼的表面加工出不同形狀的微織構(gòu)組合；T. Ibatan等[9]通過激光加工技術(shù)在軸承上制備出出不同的微織構(gòu)，研究其對機械軸承部件的摩擦學(xué)性能的影響；A.Arslan等[10]分析不同的加工方法得到的表面織構(gòu)的優(yōu)缺點及不同形狀及尺寸表面織構(gòu)摩擦學(xué)性能之間的差距；YongshengSu等[11]通過激光加工技術(shù)在PCD刀具前刀面上制備出微槽陣列，發(fā)現(xiàn)微槽織構(gòu)可以改善刀-屑摩擦接觸狀態(tài)。綜上所述，目前研究微織構(gòu)刀具的摩擦學(xué)性能大部分都是宏觀條件下進行的，對于微切削條件下刀具的摩擦學(xué)性能的研究比較少。

基于激光加工技術(shù)的靈活性和精確性，本文作者通過激光加工技術(shù)，在硬質(zhì)合金刀具的前刀面加工出直徑為Φ35μm、Φ30μm、Φ25μm、Φ20μm的微坑陣列結(jié)構(gòu)，利用自行研制的正交切削單元對Ti6Al4V合金進行微切削試驗[12～15]，從切屑形態(tài)及黏刀量對微織構(gòu)性能進行評價。

1 試驗

1.1 微織構(gòu)激光加工

采用HAN’S LASER光纖式激光打標(biāo)機，在硬質(zhì)合金刀具前刀面加工出直徑為φ35μm、φ30μm、φ25μmμm、φ20μm微坑陣列，深度10μm，間距是100μ m的微坑陣列，如圖1所示。

1.2 正交切削試驗

采用自行研發(fā)的正交切削單元，對10×10×0.8mm的鈦合金片進行切削厚度ap=5μm，切削速度v=300mm/s，切削次數(shù)n=5正交微切削試驗。利用共聚焦顯微鏡對刀具表面進行成像觀察，對刀具磨損長度和磨損寬度進行測量，以此判定刀具表面磨損程度及微織構(gòu)對其的影響，設(shè)備的實物圖如2所示。

圖1 微坑陣列織構(gòu)形貌

硬質(zhì)合金刀具正交切削鈦合金時，刀屑接觸面積較小，在高溫高壓的條件下，鈦合金易黏刀，且刀具中的有些元素易于鈦合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增加了刀具的磨損，在刀具的前刀面形成這些特點使刀月牙洼，由圖3可以看出，無織構(gòu)刀具的前刀面出現(xiàn)了明顯的月牙洼，微坑織構(gòu)刀具相對較少，微坑直徑為25μm的刀具，只出現(xiàn)少量的月牙洼。由此可以看出微坑織構(gòu)的置入提高了刀具的耐摩擦磨損性，延長了刀具的壽命。正交切削過程中，微織構(gòu)的置入減小了刀屑的接觸面積，減小摩擦力，增大了刀具與空氣的接觸面積，降低了切削溫度，從而減小了鈦合金的黏刀量，減小冷焊，從而減少了擴散磨損，減小了月牙洼的形成，提高了刀具的耐摩擦磨損性。

圖2 ZEISS LSM700共聚焦顯微鏡實物圖

圖3 微織構(gòu)刀具切削后的形貌

2 刀屑形態(tài)分析

2.1 前刀面分析

干切削條件下，刀具與鈦合金的接觸條件比較惡劣，切屑流經(jīng)刀具的前刀面時在高溫、高壓的條件下，鈦合金易“黏刀”且化學(xué)性能活潑，也是影響刀具磨損的主要原因之一。通過高真空掃描電子顯微鏡（SEM，Japan）觀察刀具的前刀面（如圖4所示），發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)刀具中靠近主切削刃的微坑被少量黏結(jié)物覆蓋，刀尖及主切削刃附近的黏結(jié)物較少；無織構(gòu)刀具的黏結(jié)物覆蓋較為嚴(yán)重，其主要分布在刀尖、主切削刃及切屑流出附近。

圖4 微坑φ25μm刀具的電鏡圖

通過線性能譜分析刀尖、及主切削刃部分的黏著物，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)基本為鈦合金，呈層狀覆蓋在刀尖及主切削刃附近，由此可知黏著物為切屑的一部分，由圖6可以看出無織構(gòu)刀具Ti元素含量最高，微坑織構(gòu)相對較少。說明微織構(gòu)的置入改變了切削過程中刀屑的接觸狀態(tài)，干切削條件下，刀具與鈦合金的接觸條件比較惡劣，切屑流經(jīng)刀具的前刀面時在高溫、高壓的條件下，鈦合金易“黏刀”造成刀具的粘接磨損。點坑陣列的置入，改變了刀屑的接觸形態(tài)，減小了刀屑的接觸面積從而減少了摩擦力，增大了刀具與冷卻介質(zhì)的接觸面積，降低了切削溫度，減小鈦合金的黏刀量，由此可以看出微坑織構(gòu)可以減小刀具的粘接磨損，延長刀具的壽命。

2.2 微坑內(nèi)能譜分析

通過高真空掃描電子顯微鏡（SEM，Japan）對刀具的前刀面進行觀察，發(fā)現(xiàn)微坑內(nèi)有有部分黏結(jié)物，對微坑的黏結(jié)物進行能譜分析（如圖7所示），發(fā)現(xiàn)黏著物大部分為鈦合金和少量的WC硬質(zhì)合金顆粒，靠近微坑上邊緣，方向同切屑的流動方向。由此可以說明，切屑流經(jīng)微坑表面時，切屑底面與微坑織構(gòu)相互作用，微坑攔截切屑下表面部分碎屑及少量硬質(zhì)顆粒，減少了切屑與硬質(zhì)顆粒對前刀面的犁溝作用，減輕摩擦力，降低刀具前刀面的磨損，提高了刀具的耐摩擦、磨損性能。

圖6 線性能譜分析結(jié)果

2.3 切屑形態(tài)分析

圖7 微坑內(nèi)能譜分析圖

圖8 切屑表面

正交切削試驗過中，微織構(gòu)刀具切削生成的切屑的卷曲率相比于無織構(gòu)刀具生成的切屑要大，且有少量的“C”型切屑生成。通過高真空電子顯微鏡觀察切削表面，如圖8所示，微坑織構(gòu)切屑的外表面，有大量的平行于切屑流向的微型“溝槽”，無織構(gòu)切屑沒有，通過測量發(fā)現(xiàn)溝槽的間距和微坑織構(gòu)的距離相似，由此可以說明，切屑流經(jīng)刀具前刀面的微坑織構(gòu)時，切屑與微坑織構(gòu)相互擠壓，微坑織構(gòu)存儲切屑表面的部分切屑和硬質(zhì)合金顆粒，減少犁溝作用，減輕刀具前刀面的劃傷。切屑流經(jīng)微坑織構(gòu)時，切屑與坑內(nèi)的攔截物相互擠壓，坑內(nèi)攔截物承載一部分的壓應(yīng)力，使切屑與刀具之間的壓應(yīng)力減少。

3 結(jié)論

1）利用激光加工技術(shù)制備微坑織構(gòu)，在硬質(zhì)合金刀具的前刀面制備出微坑直徑為φ35μm、φ30μm、φ25μm、φ20μm，深度為10μm的微坑織構(gòu)。通過正交切削試驗可知，微坑陣列的置入減少刀屑接觸面積，減小切削力，增大刀具與空氣之間的接觸面積，降低切削溫度，從而提高刀具的耐摩擦磨損性能和鈦合金表面質(zhì)量。

2）微坑織構(gòu)的置入，改變了刀屑的接觸形態(tài)，減小了刀屑的接觸面積從而減少了摩擦力，增大了刀具與冷卻介質(zhì)的接觸面積，降低了切削溫度，減小鈦合金的黏刀量，由此可以看出微坑織構(gòu)可以減小刀具的粘接磨損，延長刀具的壽命。

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3）通過能譜分析發(fā)現(xiàn)微坑織構(gòu)內(nèi)有鈦合金和硬質(zhì)合金顆粒，由此可知切屑流經(jīng)微坑表面時，切屑底面與微坑織構(gòu)相互作用，微坑攔截切屑下表面部分碎屑及少量硬質(zhì)顆粒，減少了切屑與硬質(zhì)顆粒對前刀面的犁溝作用，減輕摩擦力，降低刀具前刀面的磨損，提高了刀具的耐摩擦、磨損性能。

4）切屑流經(jīng)微坑表面時，微坑織構(gòu)可以攔截切屑底表面部分碎屑和少量硬質(zhì)合金顆粒，減輕了切屑對刀具前刀面的劃傷，并且切屑和坑內(nèi)攔截物相互作用，攔截物承載了部分壓應(yīng)力，使切屑流經(jīng)刀具前刀面時的壓應(yīng)力減少。

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