高速銑削鈦合金的刀具磨損形態(tài)及磨損機(jī)理分析.doc

高速銑削鈦合金的刀具磨損形態(tài)及磨損機(jī)理分析 張子園ZHANGZi-yuan曰林正英LINZheng-ying曰孫寶軍SUNBao-jun （福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福州350116） 摘要院采用整體硬質(zhì)合金涂層立銑刀對鈦合金（Ti-6Al-4V）進(jìn)行高速干銑削加工試驗(yàn)，利用立體顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析（EDS）等手段研究了刀具的磨損形態(tài)和磨損機(jī)理。結(jié)果表明：刀具磨損形態(tài)主要有前刀面月牙洼磨損、后刀面層狀剝落、涂層剝落、微裂紋、崩刃等方式，刀具磨損失效機(jī)理主要是磨粒磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散和氧化磨損等多種方式的共同作用。 關(guān)鍵詞院高速銑削；鈦合金；刀具磨損 院TG54院A院1006-4311（xx）27-0112-04 0引言 鈦合金是一種綜合力學(xué)性能優(yōu)良的高溫合金材料，具有強(qiáng)重比高、比強(qiáng)度和比剛度高，耐腐蝕性好等許多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等工業(yè)領(lǐng)域，例如：燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、螺旋槳、葉輪、葉片類零件等，但鈦合金切削加工性能差，主要表現(xiàn)在切削時摩擦力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重等特點(diǎn)，是一種典型的難切削加工材料，長期以來在很大程度上制約了它的發(fā)展。1-3 鈦合金的傳統(tǒng)切削加工方法，切削線速度很低（多在50m/min以下），加工效率低，大量使用冷卻液，刀具使用壽命短，零件表面質(zhì)量不易保證。4-5隨著機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，高速切削加工已成為先進(jìn)的制造技術(shù)之一。對鈦合金采用高速切削加工方法可以提高加工效率，減小切削力，提高加工表面質(zhì)量，降低成本；可以克服其熱導(dǎo)率低、高溫化學(xué)活性高、摩擦因數(shù)大等不利于機(jī)械加工的缺點(diǎn)。高速切削加工方法是實(shí)現(xiàn)鈦合金高效加工的有效途徑。6-7因此，研究高速切削鈦合金條件下，刀具的磨損形態(tài)及磨損機(jī)理有著重要的意義。 JaharahA.Ghani8等對涂層硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金的失效方式進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在銑削加工鈦合金過程中，斷續(xù)切削力是涂層硬質(zhì)合金刀具切削刃失效的主要原因。磨損主要發(fā)生在前后刀面，切削速度和切削深度是影響涂層硬質(zhì)合金刀具疲勞和斷裂失效的主要因素。AnhaiLi9等采用聚晶金剛石刀具進(jìn)行Ti-6Al-4V鈦合金高速銑削試驗(yàn)，研究刀具失效機(jī)理。結(jié)果表明：高速銑削加工Ti-6Al-4V鈦合金，切削速度對PCD刀具磨損方式有很嚴(yán)重的影響。刀具后刀面磨損率隨著切削速度而增加。PCD刀具主要失效方式是過早斷裂以及粘著磨損和磨粒磨損的綜合作用。陸豐瑋10等對車削TC4鈦合金的刀具磨損與切屑形態(tài)進(jìn)行分析，切削TC4鈦合金的切屑為典型的鋸齒狀切屑，刀具的磨損形式主要是粘結(jié)與擴(kuò)散磨損、氧化磨損以及剝落與崩刃。 雖然國內(nèi)外學(xué)者對高速切削鈦合金刀具磨損破損失效形式進(jìn)行了一定的研究，但是，大部分研究采用可更換機(jī)夾刀片的方式進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，而對于整體硬質(zhì)合金涂層刀具高速銑削鈦合金的刀具磨損機(jī)理和切屑形態(tài)研究比較少。 本文采用整體硬質(zhì)合金涂層刀具針對Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，利用立體顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析等手段，分析了刀具磨損形態(tài)和磨損機(jī)理，從而為進(jìn)一步研究鈦合金高速銑削提供依據(jù)。 1切削試驗(yàn) 利用BrotherTC-S2CZ-0精密攻絲加工中心機(jī)床對Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行高速銑削，機(jī)床功率為10.1kW，主軸最高轉(zhuǎn)速16000r/min，最大切削進(jìn)給速度10000mm/min，定位精度0.005mm/300mm，重復(fù)定位精度0.003mm。刀具采用瑞典SANDVIK/山特維克整體涂層硬質(zhì)合金立銑刀，型號為R216.33-10045-AC19P1620，刀具直徑為10mm，螺旋角為45毅，齒數(shù)為3；工件材料為Ti-6Al-4V鈦合金，金相組織為琢+茁，尺寸為60mm伊70mm伊8mm。Ti-6Al-4V鈦合金的主要化學(xué)成分和物理力學(xué)機(jī)械性能如表1和表2所示。 銑削方式為順銑、側(cè)銑、干銑削，基準(zhǔn)試驗(yàn)參數(shù)為：vc=340m/min，fr=0.06mm/r，ae=0.15mm，ap=4mm。刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)采用VB=0.3mm。試驗(yàn)后，通過采用立體顯微鏡、掃描電鏡（SEM）等實(shí)驗(yàn)手段觀察刀具磨損的宏觀、微觀形貌特征，利用能譜分析技術(shù)（EDS）對磨損后刀具表面元素成分進(jìn)行定性分析，從而為高速銑削鈦合金加工刀具提供一定的理論基礎(chǔ)，減少因刀具失效而影響切削加工過程。 2試驗(yàn)結(jié)果與分析 2.1刀具磨損形態(tài)特征 2.1.1前刀面月牙洼磨損 刀具前刀面靠近切削刃區(qū)域出現(xiàn)月牙洼磨損，如圖1所示，切削過程中，在高壓條件下，前刀面和切屑不斷接觸并相對運(yùn)動，產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，又因?yàn)殁伜辖鹱冃蜗禂?shù)小，導(dǎo)熱性能差，造成了前刀面的切削熱量不易散出，接觸區(qū)域的溫度很高。在刀具前刀面與切屑之間的擴(kuò)散、粘結(jié)摩擦等共同作用下，切屑材料帶走了前刀面的刀具材料，經(jīng)過長時間切削而造成了前刀面的月牙洼磨損。 2.1.2后刀面層狀剝落 高速銑削鈦合金加工過程中，后刀面靠近切削刃口處刀具磨損比較嚴(yán)重，呈現(xiàn)層狀的剝落，如圖2（a）、（b）所示。 側(cè)銑時，刀具后刀面?zhèn)热信c工件已加工表面接觸面積比較小，切削熱和切削力集中在側(cè)刃區(qū)域，而且，鈦合金材料中的鈦元素易與刀具發(fā)生親和反應(yīng)，使鈦合金粘結(jié)在刀具表面。由于刀具材料結(jié)構(gòu)組織不均勻，表面存在一定的缺陷，在周期性交變的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下，隨著切削過程的進(jìn)行，刀具表面的粘結(jié)材料不斷周期性的脫落和再生，而脫落的材料帶走部分刀具材料，便造成了刀具后刀面層狀剝落的現(xiàn)象。 2.1.3涂層脫落、微裂紋 圖3（a）為刀具表面涂層剝落，露出了刀具基體；（b）為刀具表面產(chǎn)生微裂紋。銑削是斷續(xù)切削，在切入、切出工件過程中，刀具承受周期性交替變化的應(yīng)力；另一方面，刀具基體與涂層材料的熱膨脹系數(shù)并不相同，刀具切削區(qū)域表面溫度比較高，刀具表面部分與其基體部分的溫差比較大，從而造成溫度梯度大，產(chǎn)生交替循環(huán)變化的熱應(yīng)力。在周期性高頻交替變化的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用下，由于機(jī)械疲勞、熱疲勞和沖擊而導(dǎo)致刀具表面涂層脫落，產(chǎn)生微裂紋的現(xiàn)象。 2.1.4微崩刃、崩刃 圖4為刀具微崩刃、崩刃。刀具切削刃口區(qū)域由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其強(qiáng)度比較低；刀具基體材料組織結(jié)構(gòu)不均勻，內(nèi)部存在一定缺陷，在切削加工過程中，刀具發(fā)生微崩刃，如圖4（a）所示。微崩刃發(fā)生后，刀具并沒有完全失去切削能力，仍可以繼續(xù)加工，隨著切削過程的進(jìn)行，刀具刃口區(qū)域進(jìn)一步發(fā)生崩刃狀況，如圖4（b）所示，刀具發(fā)生崩刃后，完全失去了切削能力，不能再繼續(xù)進(jìn)行切削加工，從而失效。 2.1.5切屑粘結(jié) 圖5（a）為刀具前刀面切屑粘結(jié)，（b）為刀具后刀面，切屑粘結(jié)比較少。切削過程中，前刀面靠近切削刃口區(qū)域粘結(jié)大量切屑；而后刀面與工件已加工表面發(fā)生接觸摩擦，使切屑脫落，從而粘結(jié)情況并不嚴(yán)重。 2.2刀具磨損機(jī)理分析 2.2.1磨粒磨損 磨粒磨損主要是工件材料中的一些硬質(zhì)點(diǎn)在刀具表面的機(jī)械作用，使刀具表面材料被磨耗。從圖6中可以觀察到，刀具表面具有明顯的溝紋。由于切屑、工件材料組織不均勻，經(jīng)常含有一些硬度極高而粒度比較小的硬質(zhì)點(diǎn)顆粒，切削過程中，這些硬質(zhì)點(diǎn)顆粒與刀具不斷發(fā)生摩擦滑動，從而在刀具表面刻劃出溝紋，造成刀具的磨損。另一方面，鈦合金的化學(xué)活性高，易與氧、碳等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在刀具表面生成硬度較高的氧化物、碳化物顆粒，切削過程中對刀具表面產(chǎn)生摩擦劃痕，劃傷刀具表面，形成磨粒磨損，磨粒磨損始終伴隨著整個切削加工過程。 2.2.2粘結(jié)磨損 粘結(jié)是指刀具與工件材料接觸到原子間距時所產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象。 圖7（a）為刀具后刀面SEM照片，可以觀察到其表面粘結(jié)有白色層狀物，通過對譜圖1位置處粘結(jié)物進(jìn)行能譜分析（EDS），得到其元素分布狀態(tài)的能譜圖，如圖7（b）所示，可知，其粘結(jié)物主要成分為C、N、Al、Ti、V等，而Ti、Al、V為Ti-6Al-4V鈦合金材料的主要成分，元素含量分別為65.48%，12.76%，1.73%，Ti元素的含量很高，說明鈦合金材料的元素粘結(jié)于刀具表面。由于鈦合金具有較強(qiáng)的親和力，從而使工件材料和刀具后刀面發(fā)生粘結(jié)，并形成粘結(jié)層，而前刀面為切屑流過的表面，也會發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。當(dāng)?shù)毒弑砻嬲辰Y(jié)物越來越多，增加到一定程度時，隨著切削過程的進(jìn)行，粘結(jié)層在機(jī)械沖擊和熱應(yīng)力的共同作用下，便會發(fā)生開裂并從刀具表面脫落，刀具粘結(jié)到切屑和工件中的微粒就會被帶走，粘結(jié)層的不斷生成和脫落，便造成了刀具表面的粘結(jié)磨損。 2.2.3擴(kuò)散磨損 擴(kuò)散磨損在高溫下產(chǎn)生。高速切削加工過程中，由于鈦合金導(dǎo)熱性差，化學(xué)活性高，在高溫高壓條件下，鈦合金材料和刀具材料中的化學(xué)元素發(fā)生相互擴(kuò)散。圖8（a）為刀具前刀面SEM照片，譜圖2位置為涂層剝落后露出的刀具基體，對其進(jìn)行能譜分析（EDS），得到元素分布的能譜圖，如圖8（b）所示，從中可知其位置2中含有C、W、Ti、Al等元素，而Al（含量18.06%）、Ti（含量23.45%）為鈦合金材料元素，并非刀具基本材料所含有的元素，這說明，工件和切屑中的元素向刀具基體中發(fā)生擴(kuò)散。 切削過程中，一方面，刀具材料中的元素CO、WC等易于擴(kuò)散到工件或切屑中，隨著切削過程的進(jìn)行，刀具材料中的元素被工件或切屑帶走；另一方面，工件、切屑材料中的Ti元素易于擴(kuò)散到刀具中，與刀具材料中的WC元素發(fā)生反應(yīng)，生成TiC和W，從而使刀具表面脫碳，改變了刀具表面材料的組織結(jié)構(gòu)成分，影響了刀具表層強(qiáng)度、硬度等性能，加劇了刀具的磨損。兩方面原因造成了刀具表面的擴(kuò)散磨損，高溫是造成擴(kuò)散磨損的主要原因。 2.2.4氧化磨損 切削加工過程中，刀具與切屑、已加工表面接觸區(qū)域的溫度很高，尤其是在前、后刀面靠近刀刃區(qū)域，而鈦合金在高溫下的化學(xué)活性高，加工過程中具有強(qiáng)烈的化學(xué)作用，刀具材料中的元素（C、CO、WC等）易于與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)。圖9（a）為前刀面SEM照片，從中可以觀察到前刀面有黑色物質(zhì)，對譜圖3位置進(jìn)行能譜分析（EDS），等到能譜圖如圖9（b）所示，分析譜圖可知，其黑色異物含有氧元素，含量百分比高達(dá)19.04%，碳元素重量百分比15.31%，說明切削加工過程中，空氣中的氧和刀具材料中的碳、碳化鎢等發(fā)生了氧化反應(yīng)。 氧化反應(yīng)使刀具表面生成硬而脆的氧化物，改變了刀具材料表面的化學(xué)成分，降低了刀具表面的強(qiáng)度，隨著切削加工過程的進(jìn)行，氧化物不斷被切屑、工件帶走，并且再生，使刀具材料材料中的硬質(zhì)相顆粒缺失，造成了刀具的氧化磨損，進(jìn)而加劇了刀具