PCD刀具車削鈦基復(fù)合材料的刀具磨損研究*

濮建飛, 宦海祥, 徐九華, 蘇宏華, 霍福松

(1. 鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鹽城 224051) (2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 南京 210016)

鈦基復(fù)合材料是以鈦合金為基體，在其中添加碳化鈦、硼化鈦、氧化鋁、氮化鋁等晶須、顆?；蛘哌B續(xù)纖維增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料[1]。與鈦合金基體相比，鈦基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、抗氧化性好、耐高溫、耐磨、抗蠕變、抗輻射等突出優(yōu)點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)鈦合金，鈦基復(fù)合材料能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的特殊要求，在航空航天、電子信息、半導(dǎo)體照明和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景[2]。

但是，鈦基復(fù)合材料是一種典型的難加工材料，其中的增強(qiáng)相具有超高的硬度、強(qiáng)度以及良好的高溫性能。在切削加工時(shí)，增強(qiáng)顆粒會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生嚴(yán)重的犁耕、刻劃等作用，降低刀具的使用壽命，影響工件表面的加工質(zhì)量，導(dǎo)致加工成本高昂[3-5]。因此，實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的高效、高質(zhì)量加工成為此類金屬基復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵。

針對(duì)此問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究。ARMESH等[6]使用PCD刀具對(duì)增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為10%～12%的TiC/Ti-6Al-4V進(jìn)行不同切削用量的刀具磨損研究。結(jié)果表明：當(dāng)切削速度為80 m/min，進(jìn)給速度為0.35 mm/r，切深為0.2 mm時(shí)，PCD刀具的耐久度僅為2 min；當(dāng)切削速度為60 m/min，進(jìn)給速度為0.25 mm/r，切深為0.2 mm時(shí)，PCD刀具的耐久度僅為8 min。GE等[7]采用硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具在切削速度為100 m/min，進(jìn)給速度為0.08 mm/r，切深為0.5 mm時(shí)，對(duì)增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%的(TiCp+TiBw)/TC4顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行高速車削加工研究，結(jié)果表明：由于切削溫度較高，硬質(zhì)合金刀具中的WC與工件中的Ti元素劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具的使用壽命不足1 min，而PCD刀具的使用壽命僅有2 min。BEJJANI等[8]用PCD刀具對(duì)顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%～12%的增強(qiáng)相鈦基復(fù)合材料進(jìn)行普通車削和激光輔助車削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：激光輔助車削能夠有效提高刀具的使用壽命，但由于激光的加熱作用使基體軟化，降低了加工表面的質(zhì)量。

我們將對(duì)不同顆粒和晶須含量的鈦基復(fù)合材料開展高速切削試驗(yàn)，對(duì)比2種不同增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的鈦基復(fù)合材料在不同的切削速度下的刀具磨損形貌，并研究刀具的磨損機(jī)理，以期減少刀具磨損，提高復(fù)合材料表面加工質(zhì)量和效率。

1 試驗(yàn)材料及條件

試驗(yàn)在寶雞機(jī)床廠SK50P臥式數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，采用水基乳化冷卻液。

1.1 工件材料

工件材料選用經(jīng)真空自耗熔煉和熱鍛技術(shù)制備的鈦基復(fù)合材料TiCp/TC4和TiBw/TC4棒，棒材規(guī)格為φ60 mm×50 mm，鈦基體材料為TC4(Ti-6Al-4V)。鈦基復(fù)合材料的物理力學(xué)性能見表1，其金相組織如圖1所示。從圖1可以看出：TiBw是細(xì)長型的晶須，而TiCp主要是等軸狀的顆粒。

表1 鈦基復(fù)合材料的物理力學(xué)性能

(a) 10%TiBw/TC4(b) 20%TiBw/TC4(c) 10%TiCp/TC4 (d) 20%TiCp/TC4圖1 不同含量晶須/顆粒的金相組織圖Fig. 1 Metallographic structure diagrams of whiskers/particles with different contents

1.2 切削刀具及切削參數(shù)

采用肯納公司的PCD刀具(型號(hào)Kennametal KD1425，簡稱“肯納刀具”)以及希波爾定制PCD刀具(簡稱“希波爾刀具”)。2種刀具的金剛石基本晶粒尺寸都為25 μm，且刀具尺寸相同，其具體參數(shù)見表2，切削時(shí)的切削參數(shù)見表3。

表2 PCD刀具具體參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 刀具耐用度

刀具磨損的快慢，可以用耐用度來衡量。刀具耐用度低，刀具損耗快，影響加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)率，增加加工成本。一般來說，加工時(shí)刀具的后刀面都會(huì)產(chǎn)生磨損，而測量后刀面的磨損值又比較方便，因此常用刀具后刀面的磨損尺寸來制訂刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

表3 切削參數(shù)

采用肯納刀具切削表1中的4種不同鈦基復(fù)合材料，4組試驗(yàn)均采用全新的PCD刀具進(jìn)行。后刀面的磨損量VB隨切削時(shí)間的變化如圖2所示。從圖2可以看出：肯納刀具切削4種鈦基復(fù)合材料時(shí)的初始階段劇烈磨損，其磨損值大致相同；經(jīng)過約1 min的急劇磨損之后，其后刀面的磨損趨于穩(wěn)定。

圖2中：在切削TiCp/TC4時(shí)，增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)刀具耐用度影響顯著，切削體積分?jǐn)?shù)為20%的TiCp/TC4時(shí)，刀具耐用度遠(yuǎn)低于切削體積分?jǐn)?shù)為10%的TiCp/TC4時(shí)的。若以磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB=0.1 mm來衡量，切削體積分?jǐn)?shù)為10%的TiCp/TC4時(shí)可以切削約7 min，而切削體積分?jǐn)?shù)為20%的TiCp/TC4時(shí)僅有1.3 min，相差5.4倍。同時(shí)，在切削TiBw/TC4材料時(shí)發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)對(duì)刀具耐用度也有一定影響，切削體積分?jǐn)?shù)為10%的TiBw/TC4時(shí)的刀具耐用度比切削體積分?jǐn)?shù)20%的TiBw/TC4時(shí)的稍好。這說明增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)對(duì)PCD刀具耐用度有顯著影響，體積分?jǐn)?shù)越高，刀具的磨損越嚴(yán)重，刀具耐用度越低。

從圖2還可以看出：在切削體積分?jǐn)?shù)為10%的TiCp/TC4時(shí)，刀具的耐用度優(yōu)于切削體積分?jǐn)?shù)為10%的TiBw/TC4時(shí)的。這是因?yàn)門iBw是直徑為0.30～3.00 μm、長為30～100 μm的晶須狀增強(qiáng)相，而TiCp是直徑為1.25～5.00 μm的顆粒狀增強(qiáng)相(表1)。在切削過程中，刀具接觸TiBw晶須的概率要比接觸尺寸較小的TiC顆粒的概率大，而表1中TiBw的硬度高于TiCp的，從而導(dǎo)致刀具切削TiBw/TC4時(shí)其后刀面磨損嚴(yán)重，刀具的耐用度變差。與此同時(shí)，在切削體積分?jǐn)?shù)為20%的TiCp/TC4時(shí)，刀具的耐用度稍低于切削體積分?jǐn)?shù)為20%的TiBw/TC4時(shí)的。這是因?yàn)樵谇邢?0%的TiCp/TC4時(shí)，切削速度高，彌補(bǔ)了刀具在單位時(shí)間內(nèi)接觸增強(qiáng)顆粒的次數(shù)，從而導(dǎo)致切削20%的TiCp/TC4時(shí)的刀具后刀面磨損要比切削20%TiBw/TC4時(shí)的快。這說明增強(qiáng)相的種類對(duì)刀具的耐用度也有明顯影響，并且增強(qiáng)相TiB對(duì)刀具耐用度的影響要大于增強(qiáng)相TiC的。

圖2 鈦基復(fù)合材料切削時(shí)后刀面的磨損曲線

2.2 刀具磨損

2.2.1 刀具的后刀面磨損

后刀面磨損是PCD刀具切削鈦基復(fù)合材料中主要的磨損形式[9]。后刀面會(huì)與回彈的已加工表面接觸，且相互擠壓摩擦，從而導(dǎo)致后刀面磨損。使用肯納刀具切削4種材料的刀具后刀面磨損如圖3所示。

(a)10%TiBw/TC4(b)20%TiBw/TC4(c)10%TiCp/TC4(d) 20%TiCp/TC4圖3 肯納刀具切削4種鈦基復(fù)合材料后的后刀面磨損Fig. 3 Flank wear of Kennametal tool after cutting four kinds of titanium matrix composites

從圖3可以看出：在表3切削條件下，肯納刀具后刀面出現(xiàn)了明顯的犁溝，并且存在如圖4所示的邊界磨損。同時(shí)，圖3a～圖3b的磨損明顯大于圖3c～圖3d的磨損，即切削TiBw/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)的后刀面磨損明顯大于切削TiCp/TC4時(shí)的。這進(jìn)一步說明硬質(zhì)增強(qiáng)相的種類對(duì)刀具后刀面的磨損有顯著影響，其中TiBw的影響要比TiCp的影響大。

圖4 肯納刀具切削20%的TiCp/TC4時(shí)的邊界磨損狀態(tài)

2.2.2 刀具的前刀面磨損

肯納刀具切削不同鈦基復(fù)合材料時(shí)的前刀面磨損掃描電鏡形貌如圖5所示。

(a)10%TiBw/TC4(b)20%TiCp/TC4圖5 肯納刀具切削不同鈦基復(fù)合材料時(shí)的前刀面磨損Fig. 5 Rake face wear of Kennametal tools when cutting different titanium matrix composites

從圖5可以發(fā)現(xiàn)：在表3條件下，以v=60 m/min的速度切削10%TiBw/TC4時(shí)，刀具前刀面產(chǎn)生了較多的犁溝磨損以及輕微的月牙洼形貌；在以v=120 m/min的速度切削20%TiCp/TC4時(shí)，刀具前刀面出現(xiàn)少量的犁溝磨損，且伴有典型的月牙洼形貌。一方面，切屑部分的增強(qiáng)相受高壓影響，不斷在刀具表面劃擦，從而使其出現(xiàn)犁溝磨損形貌；另一方面，由于高溫高壓的作用，切屑中的基體材料會(huì)黏結(jié)在刀具表面，并且與刀具中的C元素反應(yīng)形成TiC，而腐蝕刀具。此黏著層理論上可以保護(hù)刀具、減緩刀具磨損，但由于缺少黏結(jié)劑，黏著層與刀具的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于增強(qiáng)相與基體的結(jié)合強(qiáng)度。在切削過程中，硬質(zhì)增強(qiáng)相對(duì)黏著層不斷地沖擊與摩擦，從而導(dǎo)致黏著層脫落，如此周而復(fù)始，形成了典型的月牙洼磨損形貌。

2.3 刀具損傷

2.3.1 刀具崩刃

在切削鈦基復(fù)合材料這類較硬金屬時(shí)，一旦刀具受到的切削力瞬時(shí)波動(dòng)超過刀具本身的強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)崩刃情況。出現(xiàn)崩刃的主要原因是PCD刀具的維氏硬度高達(dá)8 000 HV[6]，當(dāng)PCD刀具中的金剛石顆粒尺寸較大時(shí)，會(huì)降低PCD刀具的韌性和抗沖擊性。當(dāng)進(jìn)行高速切削時(shí)，鈦基復(fù)合材料中的高硬度、高強(qiáng)度增強(qiáng)相會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生持續(xù)性沖擊，再加上切削加工過程中可能出現(xiàn)的高頻率振動(dòng)，導(dǎo)致PCD刀具中韌性較差的刃口區(qū)域產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。

圖6為表3條件下希波爾刀具切削TiBw/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)出現(xiàn)的崩刃情況。從圖6可以看出：當(dāng)切削速度相同時(shí)，切削增強(qiáng)相含量較高的鈦基復(fù)合材料相對(duì)增強(qiáng)相含量較低的鈦基復(fù)合材料，所造成的刀具崩口相對(duì)較大，并且出現(xiàn)了刀具材料的剝落，從而導(dǎo)致刀具的使用壽命有所降低。這也為增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)越高則刀具磨損越嚴(yán)重提供了佐證。

(a)10%TiBw/TC4(b)20%TiBw/TC4圖6 希波爾刀具切削2種TiBw/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)的刀具前刀面崩刃情況Fig. 6 Edge collapse of tool rake when cutting two kinds of TiBw/TC4 titanium matrix composites with Hipper tool

2.3.2 刀具微裂紋

在高速切削鈦基復(fù)合材料時(shí)，由于工件材料的特性，在長時(shí)間的切削后刀具前刀面會(huì)產(chǎn)生微裂紋，如圖7所示。圖7中的希波爾刀具表面有一條明顯的裂紋

(a)前刀面(b)A區(qū)放大Rake faceArea A amplification圖7 希波爾刀具前刀面的微裂紋Fig. 7 Microcracks on the rake face of Hipper tool

垂直于切削刃。其主要是由于鈦基復(fù)材的基體材料TC4導(dǎo)熱系數(shù)小，切削過程中的切削熱不易導(dǎo)出，集中在刀具切削刃附近，使得刀具切削刃部位存在很高的溫度梯度，這種溫度梯度產(chǎn)生的剪應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致刀具產(chǎn)生微裂紋。

3 刀具的磨損機(jī)理分析

3.1 磨料磨損

在PCD刀具切削過程中，始終存在磨粒磨損。圖8展示了肯納刀具在切削10%TiCp/TC4后，前后刀面的磨料磨損情況。由圖8可以看出：前后刀面上均存在較為嚴(yán)重的犁溝狀磨粒磨損痕跡。這是因?yàn)樵谲囅髟鰪?qiáng)鈦基復(fù)合材料時(shí)，雖然鈦基復(fù)合材料硬度遠(yuǎn)低于PCD刀具的，但由于工件材料存在大量的硬質(zhì)增強(qiáng)相，車削過程中的高溫高壓使得部分的TiCp和TiBw硬質(zhì)增強(qiáng)相裸露、剝落和斷裂。這些硬質(zhì)增強(qiáng)相就在刀具的前刀面和切屑之間以及后刀面和已加工表面之間不斷摩擦劃刻，從而使得刀具出現(xiàn)犁溝狀磨粒磨損。且在高溫條件下，PCD刀具中的金剛石顆粒也由于黏結(jié)劑的軟化而脫落，發(fā)生和增強(qiáng)相一樣的劃擦過程，進(jìn)一步加劇了刀具的犁溝狀磨粒磨損[10-11]。

(a)前刀面(b)B區(qū)放大Rake face(b)Area B amplification(c)后刀面(d)C區(qū)放大Flank faceArea C amplification圖8 肯納刀具切削10%TiCp/TC4時(shí)的前后刀面磨粒磨損Fig. 8 Abrasive wear on the frank and rear faces of Kennametal tool in cutting 10%TiCp/TC4

3.2 黏結(jié)磨損

PCD刀具在切削鈦基復(fù)合材料時(shí)，刀具前后刀面都黏結(jié)有大量的工件基體材料。圖9給出了肯納刀具切削不同含量鈦基復(fù)合材料時(shí)的后刀面黏結(jié)磨損情況。如圖9所示：2種情況下的刀具都有磨損，但增強(qiáng)相TiC含量越高，刀具黏結(jié)磨損越顯著(圖9b)。

(a)10%TiCp/TC4(b)20%TiCp/TC4圖9 肯納刀具切削不同含量鈦基復(fù)合材料時(shí)的后刀面黏結(jié)磨損Fig. 9 Adhesive wear of Kennametal tool in cutting titanium matrix composites with different contents

通過掃描電鏡(SEM)觀察的刀具前后刀面黏結(jié)磨損形貌如圖10所示。從圖10可以看出，刀具的前后刀面都附著了大量的基體材料，并且呈現(xiàn)層疊狀。

(a)前刀面(b)D區(qū)放大Rake faceArea D amplification(c)后刀面(d)E區(qū)放大Flank faceArea E amplification圖10 肯納刀具前后刀面的黏結(jié)磨損形貌、Fig. 10 Bond wear morphology of rake and rear face of Kennametal tool

圖11為肯納刀具前刀面的掃描方向及能譜分析結(jié)果。從圖11b的掃描結(jié)果看到：參與切削的PCD刀具表面主要含Ti、C、V、Al、Co等元素，除了C元素為刀具的成分外，其他的元素皆為鈦合金基體材料的主要成分，這說明刀具表面的黏結(jié)物是鈦基復(fù)合材料。

造成這種現(xiàn)象的原因是：PCD刀具在切削鈦基復(fù)合材料時(shí)，工件和切屑在刀具前后刀面不斷滑動(dòng)，破壞了刀具的表面層；基體材料在切削時(shí)產(chǎn)生高溫、高壓，在高溫高壓條件下，基體材料的塑形增加；由于切屑在刀尖處的流動(dòng)速度較慢，從而形成帶有絕熱剪切性質(zhì)的滯留層，滯留層對(duì)刀具刃口進(jìn)一步擠壓，從而黏結(jié)在刀具表面。隨著切削過程的進(jìn)行，層層相疊，形成層疊狀黏結(jié)層。受拉應(yīng)力或者剪切應(yīng)力影響，刀具材料會(huì)隨刀面的黏結(jié)物一起被工件或者切屑帶走，造成刀具的黏結(jié)磨損[12]。

(a)掃描方向(b)能譜分析Scanning direction Energy spectrum analysis圖11 肯納刀具前刀面掃描方向及能譜分析結(jié)果Fig. 11 Scanning direction and energy spectrum analysis results of Kennametal tool rake face

4 結(jié)論

(1)增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)對(duì)PCD刀具耐用度有顯著影響，體積分?jǐn)?shù)越大，刀具磨損越嚴(yán)重、耐用度越低。

(2)增強(qiáng)相的種類對(duì)刀具的耐用度有明顯影響，且增強(qiáng)相TiBw的影響要大于增強(qiáng)相TiCp的。

(3)在切削不同鈦基復(fù)合材料時(shí)，刀具的磨損形貌相似，主要為前刀面和后刀面的磨損，且伴有崩刃以及微裂紋現(xiàn)象。刀具的主要磨損機(jī)理是磨料磨損以及黏結(jié)磨損，且增強(qiáng)相含量越高，刀具黏結(jié)磨損越顯著。