超硬刀具高速切削鈦合金鋸齒形切屑表征研究

趙 敏，李 嫚，王風(fēng)奇

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116081)

0 引言

鈦合金由于具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性與優(yōu)良的高溫性能等特點，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而，這些優(yōu)良特點在鈦合金的加工中造成了一些問題，如加工硬化嚴(yán)重、刀具使用壽命短等，這不利于它的推廣和使用[2]。因此，如何高效高質(zhì)加工鈦合金成為亟待解決的實際問題。聚晶金剛石(PCD)與聚晶立方氮化硼(PCBN)兩種超硬刀具，由于其硬度高、導(dǎo)熱性好及摩擦系數(shù)小等特點，在鈦合金的高效高質(zhì)加工中非常具有優(yōu)勢。同時，高速切削加工能夠很大程度上提高生產(chǎn)效率，使被加工工件表面質(zhì)量提高1～2級，加工費用可降低20%～50%[3]。因此，在高速切削機(jī)床日益普及的今天，使用超硬刀具高速切削鈦合金是實現(xiàn)高效高質(zhì)切削鈦合金的有效方法。然而，鈦合金的高速切削一般會產(chǎn)生有別于傳統(tǒng)切屑的鋸齒形切屑，其產(chǎn)生過程會引起切削力高頻波動，加劇機(jī)床系統(tǒng)振動，因而影響切削力、工件表面粗糙度和刀具使用壽命[4]。由鋸齒形切屑的微觀形貌可知，鋸齒形切屑由變形很大的絕熱剪切滑移帶和變形很小的基塊組成，說明切削層材料的變形極不均勻。所以，在形成鋸齒形切屑的切削過程中，切削層材料的變形程度就不能直接采用傳統(tǒng)切削理論的剪切角φ、相對滑移ε及變形系數(shù)ξ指標(biāo)來衡量，而應(yīng)采用鋸齒形切屑的各種幾何表征和物理表征，從不同角度反映切削過程中變形程度和特點。因此，形成鋸齒形切屑時刀具切削性能的研究應(yīng)依據(jù)鋸齒形切屑相關(guān)理論進(jìn)行分析。鋸齒形切屑相關(guān)理論主要包括鋸齒形切屑的形成機(jī)理及過程、變形程度的衡量指標(biāo)即鋸齒形切屑幾何和物理表征。所以，超硬刀具高速切削鈦合金鋸齒形切屑幾何表征研究具有理論和實際應(yīng)用價值。

目前，學(xué)者們對超硬刀具加工鈦合金的研究主要集中在切削力、表面質(zhì)量、刀具壽命等方面，并且對試驗結(jié)果的分析大多是基于傳統(tǒng)切削理論。李飛等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)，在切削鈦合金TC4時，PCD刀具相對于傳統(tǒng)刀具有使用壽命長、加工質(zhì)量高的優(yōu)點。王曉琴等[7-8]對比研究了PCBN刀具和硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金TC4指出，PCBN刀具切削性能更好。華翔對PCD與PCBN刀具的切削性能進(jìn)行了對比研究和分析[9]，結(jié)果表明PCBN刀具的加工質(zhì)量高于PCD刀具，但其對試驗結(jié)果的分析仍主要基于傳統(tǒng)切削理論。

總之，目前關(guān)于鈦合金的高速切削加工研究，主要集中在某一種超硬刀具的切削性能上，很少對兩種超硬刀具的切削性能進(jìn)行對比研究；尤其是高速切削鈦合金形成鋸齒形切屑時，更鮮少有基于鋸齒形切屑相關(guān)理論對兩種超硬刀具的切削性能進(jìn)行對比分析。本文對兩種超硬刀具高速切削鈦合金鋸齒形切屑幾何表征進(jìn)行了對比研究，可以為兩種刀具的切削性能對比分析提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗及方法

1.1 試驗材料

本次試驗使用普通退火的TC4鈦合金棒料，尺寸為Φ117×300 mm。鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+β)型鈦合金[10]。鈦合金TC4的化學(xué)成分、物理性能分別如表1、表2所示。

表1 鈦合金TC4的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2 鈦合金TC4常溫下的物理性能

1.2 刀具材料及幾何參數(shù)

試驗選用的PCD與PCBN刀具，其復(fù)合片牌號分別為英國元素六公司生產(chǎn)的加工鈦合金常用的SYNDITE CTB010和DBW85，具體組成如表3所示；刀具的幾何參數(shù)如表4所示。因PCD與PCBN刀具脆性大韌性小，為有效抑制切削過程中刀具產(chǎn)生早期崩刃現(xiàn)象，采用尼龍刷對刀具進(jìn)行刃口鈍化處理；為了保障兩種刀具鈍圓半徑一致，PCD刀具鈍化時間為8 min，PCBN刀具鈍化時間為3 min，最終刀具的鈍圓半徑為20 μm左右。

表3 試驗刀具材料

1.3 試驗設(shè)備及切削參數(shù)

車削試驗在CA6140車床進(jìn)行，試驗為三因素四水平正交試驗，因素水平如表5所示。

表5 正交試驗設(shè)計的因素水平

1.4 鋸齒形切屑金相樣本及幾何表征測量

對獲得的切屑進(jìn)行冷鑲嵌并磨樣處理，使用ZQ-603光學(xué)工業(yè)顯微鏡觀察金相樣本并拍照；用Digimizer軟件測量鋸齒形切屑各幾何參數(shù)，據(jù)此得到或計算出鋸齒形切屑的幾何表征數(shù)據(jù)。本文主要研究分析以下三個最常用的鋸齒形切屑幾何表征：齒距Pc、鋸齒化程度Gs及鋸齒化頻率ft。兩種刀具切削鈦合金TC4時所獲得的鋸齒形切屑的金相顯微圖如圖1圖2所示。

圖1 PCD刀具切削鈦合金獲得的鋸齒形切屑的形貌

圖2 PCBN刀具切削鈦金獲得的鋸齒形切屑的形貌

齒距Pc是指相鄰齒尖的水平距離[11]，齒距的測量方式，如圖3所示。

圖3 齒距的測量方式

鋸齒化程度Gs是衡量鋸齒形切屑變形程度的指標(biāo)，其表達(dá)式如式(1)所示[12]：

(1)

式中，h1為齒頂高；h2為齒底高。h1與h2的測量方法如圖4所示。

圖4 鋸齒化程度的測量方式

鋸齒化頻率ft用來表示單位時間內(nèi)發(fā)生絕熱剪切滑移的次數(shù)，其表達(dá)式如式(2)所示[13]：

(2)

式中，v為切削速度(m/min)；Pc為鋸齒形切屑齒距(mm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削用量對齒距的影響

PCD與PCBN刀具切削鈦合金TC4時鋸齒形切屑齒距Pc隨切削用量變化的規(guī)律如圖5所示。

圖5 切削用量對齒距的影響

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時，鋸齒形切屑的齒距都隨切削速度的增加而減小。隨著切削速度的增加，切削產(chǎn)生的熱量大幅增加，同時由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較小，切削產(chǎn)生的熱量更不易及時散發(fā)，因此切削區(qū)溫度將明顯升高。又因靠近刀尖處切削底層區(qū)域的散熱條件最差，所以靠近刀尖處的切削底層材料溫度將急劇升高，該區(qū)域材料軟化效應(yīng)大幅增強(qiáng)。因此，隨著切削速度的增加，靠近刀尖處的切削底層材料軟化效應(yīng)更易超過應(yīng)變和應(yīng)變率強(qiáng)化作用，易使該區(qū)域材料的本構(gòu)關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而產(chǎn)生熱塑剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，形成鋸齒形切屑。另外，切削速度增加，切削單元被賦予的動能增加，導(dǎo)致該區(qū)域更容易發(fā)生剪切失穩(wěn)。因此，隨著切削速度的增大，靠近刀尖處單位切削寬度上的切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)，所需的切削路程就會隨之減小，而該處材料每產(chǎn)生一次熱塑剪切失穩(wěn)就會對應(yīng)地形成一節(jié)鋸齒形切屑。所以，齒距隨切削速度的增加而減小。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時，鋸齒形切屑的齒距都隨進(jìn)給量的增加而總體呈增加趨勢。當(dāng)進(jìn)給量增加時，切削厚度增加，形成的鋸齒形切屑絕熱剪切滑移帶長度將隨之增加，為此切削過程中靠近刀尖處單位切削寬度上發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)的切削底層材料體積就必須隨之增加，故需要更長的切削路程來積累更多的能量，而切削路程越長所產(chǎn)生的鋸齒形切屑齒距就會增加。因此，進(jìn)給量增加時，齒距總體上呈增加趨勢。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時，鋸齒形切屑齒距都隨背吃刀量增加而增加。當(dāng)背吃刀量增加時，切削層材料發(fā)生側(cè)流的比例將減小，這將使切削過程中切削厚度有增加的趨勢。為此，背吃刀量對齒距影響規(guī)律與進(jìn)給量對齒距影響規(guī)律是相同的，即齒距隨背吃刀量增加而增加。

此外，觀察圖5我們可以發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具切削鈦合金時產(chǎn)生的鋸齒形切屑的齒距整體小于PCD刀具。這是因為PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)小于PCD刀具，使得PCBN刀具切削鈦合金的切削溫度更高，靠近刀尖處的切削底層材料的熱軟化作用效應(yīng)更強(qiáng)，在較短的切削路程內(nèi)就會使該區(qū)域材料發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)，因此PCBN刀具切削鈦合金時產(chǎn)生的鋸齒形切屑的齒距更小。

2.2 切削用量對鋸齒化程度的影響

由圖4鋸齒化程度測量方法可知，鋸齒化程度Gs的大小主要取決于一節(jié)鋸齒切屑相對于后續(xù)鋸齒切屑所產(chǎn)生的向外滑移的距離L，總滑移長度L如圖4所示。筆者認(rèn)為總滑移長度L由兩部分組成：一是在第一變形區(qū)內(nèi)，當(dāng)靠近刀尖處切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)時，已形成的鋸齒節(jié)塊沿剪切滑移線方向相對于后續(xù)切削層材料所產(chǎn)生的向外滑移量L1；二是鋸齒節(jié)塊進(jìn)入第二變形區(qū)之后，因切削過程中賦予了該節(jié)塊沿剪切滑移方向的動能，該節(jié)塊將繼續(xù)沿著已形成的絕熱剪切滑移帶相對于后續(xù)節(jié)塊產(chǎn)生向外滑移量L2。同時筆者還認(rèn)為，第一變形區(qū)向外滑移量L1主要取決于單位切削寬度上靠近刀尖處切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)體積大??；第二變形區(qū)向外滑移量L2主要取決于切削過程中賦予鋸齒節(jié)塊動能的大小以及形成的絕熱剪切帶內(nèi)溫度的高低。

PCD與PCBN刀具切削鈦合金TC4時鋸齒形切屑的鋸齒化程度Gs隨切削用量變化的規(guī)律如圖6所示。

圖6 切削用量對鋸齒化程度的影響

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時，鋸齒形切屑鋸齒化程度都隨切削速度的增加而增加。當(dāng)切削速度增加時，靠近刀尖處的切削底層材料熱軟化效應(yīng)更易超過應(yīng)變和應(yīng)變率強(qiáng)化作用，該區(qū)域材料易在較短的切削路程內(nèi)產(chǎn)生熱塑剪切失穩(wěn)而形成鋸齒形切屑，故單位切削寬度上靠近刀尖處切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)體積呈減小趨勢，因此第一變形區(qū)中已形成的鋸齒節(jié)塊沿剪切滑移線方向相對于后續(xù)切削層材料的向外滑移量L1呈減小趨勢。但隨著切削速度的增加，切削過程中賦予鋸齒節(jié)塊的動能大幅增加；同時已形成的絕熱剪切滑移帶內(nèi)的溫度隨切削速度增加而升高，使鋸齒節(jié)塊的滑移阻力減小。因此，該鋸齒節(jié)塊在第二變形區(qū)內(nèi)，沿絕熱剪切滑移帶方向相對于后續(xù)節(jié)塊的向外滑移量L2呈顯著增大趨勢。所以，隨著切削速度增加，一節(jié)鋸齒切屑相對于后續(xù)鋸齒切屑所產(chǎn)生的向外滑移的距離L總體呈增加趨勢，即鋸齒化程度隨切削速度增加而增加。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時，鋸齒形切屑的鋸齒化程度都隨進(jìn)給量的增加而增加。當(dāng)進(jìn)給量增加時，切削厚度增加，絕熱剪切滑移帶長度將隨之增長，為此切削過程中靠近刀尖處單位切削寬度上發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)的切削底層材料體積隨之增加。同時，因進(jìn)給量增加齒距會增加，使鋸齒節(jié)塊質(zhì)量增加，為此切削過程中賦予鋸齒節(jié)塊的動能也有一定程度增加；而且已形成的絕熱剪切滑移帶內(nèi)的溫度也將隨進(jìn)給量增加而有所升高。因此，無論是第一變形區(qū)內(nèi)已形成的鋸齒節(jié)塊沿剪切滑移線方向相對于后續(xù)切削層材料所產(chǎn)生的向外滑移量L1，還是第二變形區(qū)中鋸齒節(jié)塊沿絕熱剪切滑移帶方向相對于后續(xù)節(jié)塊的向外滑移量L2，都隨進(jìn)給量的增加而增加。所以鋸齒化程度會隨著進(jìn)給量的增加而增加。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時，鋸齒形切屑的鋸齒化程度都隨背吃刀量的增加而增加。當(dāng)背吃刀量增加時，切削層材料發(fā)生側(cè)流的比例減小，使得切削厚度同樣有增大的趨勢，為此，背吃刀量對鋸齒化程度的影響規(guī)律與進(jìn)給量是相同的，即鋸齒化程度會隨背吃刀量的增加而增加。

此外，觀察圖6我們可以發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具切削鈦合金時產(chǎn)生的鋸齒形切屑的鋸齒化程度整體高于PCD刀具。由于PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)低于PCD刀具的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)致PCBN刀具切削鈦合金時的溫度更高，已形成的絕熱剪切帶內(nèi)材料的熱軟化作用更大，鋸齒節(jié)塊在第二變形區(qū)的滑移阻力更小，所以鋸齒節(jié)塊在第二變形區(qū)中沿剪切滑移帶方向相對于后續(xù)節(jié)塊的向外滑移量L2會增加。因此，PCBN刀具切削鈦合金TC4時鋸齒形切屑的鋸齒化程度較高。

2.3 切削用量對鋸齒化頻率的影響

PCD與PCBN刀具切削鈦合金TC4時鋸齒形切屑的鋸齒化頻率ft隨切削用量變化的規(guī)律如圖7所示。

圖7 切削用量對鋸齒化頻率的影響

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時，鋸齒形切屑的鋸齒化頻率都隨切削速度的增加而增加。由上文鋸齒化頻率的計算公式可知，切削速度增加時鋸齒化頻率將成比例增加；同時，切削速度增加使齒距呈不成比例的小幅減小趨勢，使得鋸齒化頻率再次小幅增大。所以，鋸齒化頻率隨切削速度的增加而增加。

兩種超硬刀具切削鈦合金TC4時，鋸齒形切屑的鋸齒化頻率都隨進(jìn)給量與背吃刀量的增加而整體呈減小趨勢。同樣由上文鋸齒化頻率的定義公式可知，當(dāng)切削速度一定時，鋸齒化頻率與對應(yīng)的齒距成反比，而齒距隨進(jìn)給量與背吃刀量的增加而增加，所以鋸齒化頻率隨進(jìn)給量與背吃刀量的增加而整體呈減小趨勢。

通過觀察圖7，我們可以發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具切削鈦合金時產(chǎn)生的鋸齒形切屑的鋸齒化頻率整體高于PCD刀具的鋸齒化頻率。這是因為PCBN刀具切削鈦合金時的鋸齒形切屑的齒距整體小于PCD刀具，所以PCBN刀具切削鈦合金時產(chǎn)生的鋸齒形切屑的鋸齒化頻率更高。

3 結(jié)論

本文選用兩種超硬刀具高速切削加工鈦合金TC4，對所產(chǎn)生的鋸齒形切屑的幾何表征進(jìn)行了對比研究和分析。結(jié)論如下：

(1)鋸齒形切屑的齒距Pc大小取決于靠近刀尖處的切削底層材料發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)所需切削路程長短。

(2)兩種超硬刀具的鋸齒形切屑齒距Pc都隨切削速度增加而減小，而隨進(jìn)給量、背吃刀量增加而增加；PCBN刀具的鋸齒形切屑齒距Pc整體小于PCD刀具。

(3)鋸齒形切屑的鋸齒化程度Gs取決于一節(jié)鋸齒切屑相對于后續(xù)鋸齒切屑所產(chǎn)生的向外滑移的距離；兩種超硬刀具的鋸齒形切屑鋸齒化程度Gs都隨著切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的增加而增加；PCBN刀具的鋸齒形切屑鋸齒化程度Gs整體高于PCD刀具。

(4)兩種超硬刀具的鋸齒形切屑鋸齒化頻率ft都隨切削速度的增加而增加，隨進(jìn)給量和背吃刀量的增加而減?。籔CBN刀具的鋸齒形切屑的鋸齒化頻率ft整體高于PCD刀具。