硬質(zhì)合金刀具干切削TC4鈦合金耐用度的研究*＊1

姜增輝 吳月穎 王琳琳

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

鈦合金因其強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐熱高等優(yōu)良的綜合性能，不僅使其成為現(xiàn)代航空航天工業(yè)中不可缺少的材料，而且在造船、化工、冶金、醫(yī)療等方面也獲得了廣泛的應(yīng)用［1－2］。由于鈦合金還具有導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小、化學(xué)活性高等特性，導(dǎo)致鈦合金加工過程中存在加工效率低、刀具壽命短、表面質(zhì)量差等問題，也使其成為一種典型的難加工材料［3－4］。M.Nouari［5］等人對(duì)非涂層及涂層硬質(zhì)刀具銑削Ti6Al2Mo4Zr2Sn進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明在60～150 m/min速度下非涂層及涂層硬質(zhì)刀具的磨損形式主要是后刀面磨損、溝槽磨損、微崩刃及粘結(jié)磨損，涂層刀具有明顯的塑性變形現(xiàn)象，兩種刀具的磨損機(jī)理主要為粘結(jié)和擴(kuò)散。A.Jawaid［6］等使用不同晶粒尺寸的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了干車削鈦合金的對(duì)比研究，研究表明:細(xì)晶粒刀具的切削性能比粗晶粒刀具的稍好;并認(rèn)為溶解擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損是鈦合金切削加工刀具的主要磨損機(jī)理，而磨粒磨損主要發(fā)生在刀具后刀面和刀尖位置。國內(nèi)的李友生［7］等人認(rèn)為硬質(zhì)合金刀具材料高速干車削Ti6Al4V時(shí)，刀具的磨損機(jī)理主要為粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損。以上國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)切削鈦合金刀具磨損的研究主要集中在磨損機(jī)理方面，而對(duì)于刀具耐用度的研究相對(duì)較少。本文主要針對(duì)鈦合金切削加工的特點(diǎn)，采用3種不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具并在不同切削速度下進(jìn)行鈦合金切削試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，建立刀具耐用度T與切削速度v之間的泰勒公式，對(duì)比分析不同牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具的耐用度，為在不同切削速度下合理選擇刀具材料提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

(1)刀具材料:試驗(yàn)選用株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的牌號(hào)為YT15、YG8、YW2的3種硬質(zhì)合金刀片并配合型號(hào)為90W25－3K13的刀桿。所選用的刀具的幾何角度:前角 γ0=6°，后角 α0=7°，主偏角kr=90°，刃傾角 λs= －5.5°，過渡棱寬度 0.2 mm，排屑槽寬度5 mm，刀尖圓弧半徑r=0.5 mm。本次試驗(yàn)所選用的刀桿與刀片的形貌如圖1所示。刀片材料的性能和化學(xué)成分如表1和表2所示。

表1 刀片材料的化學(xué)成份

表2 刀片材料的性能

(2)工件材料:試驗(yàn)中所采用的切削材料為Ti6Al4V(TC4)鈦合金。其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3和表4所示。

表3 鈦合金TC4化學(xué)成分

表4 鈦合金TC4的力學(xué)性能(≥20℃)

(3)試驗(yàn)條件及切削參數(shù):切削試驗(yàn)在數(shù)控車床CAK6150上進(jìn)行，采用外圓干切削方式。切削參數(shù):切削深度ap=0.3 mm，進(jìn)給量f=0.2 mm/r，切削速度v分別為 48 m/min、71 m/min、100 m/min。試驗(yàn)過程中采用VHX－1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察刀具磨損形貌的變化情況，并測量刀具后刀面的磨損帶寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損形貌及特征

在金屬切削加工中，刀具的磨損形貌主要有月牙洼磨損、崩刃、溝槽磨損、后刀面磨損、片狀剝落等，如圖2所示。

在前刀面上，刀具的磨損形貌主要是月牙洼磨損，是因?yàn)殁伜辖鹎行寂c刀具前刀面之間的摩擦以及在切削刃發(fā)熱區(qū)域的擴(kuò)散所引起，而在高應(yīng)力以及刃口過度磨損下也會(huì)有崩刀現(xiàn)象(圖2a)。刀具的后刀面磨損是刀具磨損中較為常見的一種磨損形式(圖2b)，由于鈦合金的回彈較大，而且所選用刀具的后角較小，使得后刀面和工件的接觸應(yīng)力增大，切削區(qū)的溫度升高，從而加劇了后刀面的磨損。由于硬質(zhì)合金刀具材料的硬度較鈦合金的硬度要大的多，使得切削刃的強(qiáng)度不足，從而造成了刀具的微崩刃。如圖2c所示，由于鈦合金的塑性較大，切削過程中的金屬變形大，工件與后刀面間的摩擦系數(shù)和接觸壓力增大，產(chǎn)生大量的切削熱，而鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性高，鈦合金中的Ti元素極易與刀具中的Ti發(fā)生親和反應(yīng)，使得鈦合金易與刀具粘結(jié)，產(chǎn)生粘結(jié)物，而隨著切削的進(jìn)行，粘結(jié)在切削刃上的粘結(jié)物隨切屑被帶走，造成刀具表層被剝落，形成刀具的片狀剝落磨損。

2.2 切削速度與刀具耐用度的關(guān)系

在v=71 m/min，ap=0.3 mm，f=0.2 mm/r時(shí)進(jìn)行了不同刀具車削TC4鈦合金的試驗(yàn)，選取刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)VB=0.3 mm。刀具的磨損曲線圖如圖3所示。

如圖3中可以看出，在相同的切削速度下，隨著切削長度的增大，YT15刀具最先達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，切削性能最差，YG8次之，而YW2的切削時(shí)間最長，切削性能最好。由于YT15刀具中的Ti元素與鈦合金中的Ti元素有較強(qiáng)的親和力，而發(fā)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，使得刀具的磨損較為嚴(yán)重，而刀具中的Co含量相對(duì)較少，降低了刀具的強(qiáng)度，更加劇了刀具的磨損。硬質(zhì)合金刀具中TiC的含量對(duì)刀具的導(dǎo)熱性以及沖擊韌度有很大的影響，而YT15中的TiC的含量要高于YW2中TiC的含量，使得刀具的導(dǎo)熱性以及沖擊韌度顯著降低，再加之鈦合金的導(dǎo)熱性差，進(jìn)而增大了切削區(qū)的溫度，加大了刀具－工件之間的親和力，刀具磨損劇烈。YG8刀具較YT15有較好的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。而YW2刀具中由于TaC和NbC的加入，阻止WC晶粒在燒結(jié)過程中長大，細(xì)化了晶粒，從而有效地提高刀具的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌度以及抗氧化磨損的能力。

通過上述分析得出:在v=71 m/min，ap=0.3 mm，f=0.2 mm/r切削條件下，3種牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具YT15刀具切削性能最差，刀具的耐用度最低，YG8刀具次之，YW2刀具由于TaC和NbC的加入，刀具的切削性能最好，相比較更適合鈦合金加工。

通常情況下，切削速度越高，刀具磨損越快，達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間就越短，刀具的耐用度就越低。切削速度與刀具耐用度之間的關(guān)系可以由試驗(yàn)方法求得，刀具在不同速度下的耐用度泰勒公式如下:

式中:T為刀具耐用度，min;v為切削速度，m/min;A為常數(shù)，與工件材料、刀具材料以及其他切削參數(shù)有關(guān);m為T的指數(shù)，在T－v曲線中表示斜率。

在試驗(yàn)速度范圍內(nèi)，T隨v的提高而降低，通過改變不同的v，得到一組試驗(yàn)如圖4所示。

從圖4可以看出，切削速度越高，刀具耐用度越小，且二者不成線性關(guān)系。根據(jù)刀具耐用度對(duì)數(shù)方程式lnv=－mlnT+lnA，利用excel軟件的回歸分析功能，得到圖5所示的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的T－v曲線及回歸方程式。

由圖5可求出:

代入以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出3種牌號(hào)刀具的指數(shù)，分別為:mYT15=0.286，mYW2=0.23，mYG8=0.267。系數(shù)m定量反應(yīng)切削速度對(duì)刀具耐用度影響的程度，m越大表明刀具的切削性能越差。通過以上的分析，在進(jìn)給量和切削深度一定的情況下，隨著切削速度的增大，刀具耐用度會(huì)逐漸減小，并且兩者不成線性關(guān)系。這是由于隨著切削速度的增大，切削溫度越來越高，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小，導(dǎo)致切削區(qū)和切削刃附近的溫度升高，加快了刀具的磨損，從而降低了刀具的耐用度。

通過以上分析得出:隨著切削速度的提高，YT15刀具的耐用度降低最快，YG8刀具的耐用度次之，YW2刀具的耐用度降低的最慢。

3 結(jié)語

研究了 YT15、YG8和 YW2這 3種刀具切削Ti6Al4V時(shí)刀具的磨損形貌及特征，采用單一因素試驗(yàn)方法切削鈦合金，分析了在不同速度下刀具的耐用度，得到以下結(jié)論:

(1)刀具的磨損形貌主要有月牙洼磨損、崩刀、溝槽磨損、后刀面磨損以及片狀剝落等。

(2)3種牌號(hào)刀具在不同速度下切削鈦合金時(shí)，YW2刀具的耐用度最好，YG8刀具的耐用度次之，YT15刀具的耐用度最差。

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