高速銑削鈦合金的刀具磨損形態(tài)及磨損機理分析.doc

高速銑削鈦合金的刀具磨損形態(tài)及磨損機理分析 張子園ZHANGZi-yuan曰林正英LINZheng-ying曰孫寶軍SUNBao-jun （福州大學機械工程及自動化學院，福州350116） 摘要院采用整體硬質合金涂層立銑刀對鈦合金（Ti-6Al-4V）進行高速干銑削加工試驗，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)和磨損機理。結果表明：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，刀具磨損失效機理主要是磨粒磨損、粘結磨損、擴散和氧化磨損等多種方式的共同作用。 關鍵詞院高速銑削；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性能優(yōu)良的高溫合金材料，具有強重比高、比強度和比剛度高，耐腐蝕性好等許多優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等工業(yè)領域，例如：燃氣渦輪發(fā)動機、螺旋槳、葉輪、葉片類零件等，但鈦合金切削加工性能差，主要表現在切削時摩擦力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重等特點，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，零件表面質量不易保證。4-5隨著機械制造技術的發(fā)展，高速切削加工已成為先進的制造技術之一。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，提高加工表面質量，降低成本；可以克服其熱導率低、高溫化學活性高、摩擦因數大等不利于機械加工的缺點。高速切削加工方法是實現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)及磨損機理有著重要的意義。 JaharahA.Ghani8等對涂層硬質合金刀具加工鈦合金的失效方式進行分析。結果表明：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行Ti-6Al-4V鈦合金高速銑削試驗，研究刀具失效機理。結果表明：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與擴散磨損、氧化磨損以及剝落與崩刃。 雖然國內外學者對高速切削鈦合金刀具磨損破損失效形式進行了一定的研究，但是，大部分研究采用可更換機夾刀片的方式進行高速切削試驗，而對于整體硬質合金涂層刀具高速銑削鈦合金的刀具磨損機理和切屑形態(tài)研究比較少。 本文采用整體硬質合金涂層刀具針對Ti-6Al-4V鈦合金進行高速銑削試驗，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)和磨損機理，從而為進一步研究鈦合金高速銑削提供依據。 1切削試驗 利用BrotherTC-S2CZ-0精密攻絲加工中心機床對Ti-6Al-4V鈦合金進行高速銑削，機床功率為10.1kW，主軸最高轉速16000r/min，最大切削進給速度10000mm/min，定位精度0.005mm/300mm，重復定位精度0.003mm。刀具采用瑞典SANDVIK/山特維克整體涂層硬質合金立銑刀，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鈦合金的主要化學成分和物理力學機械性能如表1和表2所示。 銑削方式為順銑、側銑、干銑削，基準試驗參數為：vc=340m/min，fr=0.06mm/r，ae=0.15mm，ap=4mm。刀具的磨鈍標準采用VB=0.3mm。試驗后，通過采用立體顯微鏡、掃描電鏡（SEM）等實驗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（EDS）對磨損后刀具表面元素成分進行定性分析，從而為高速銑削鈦合金加工刀具提供一定的理論基礎，減少因刀具失效而影響切削加工過程。 2試驗結果與分析 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動，產生強烈的摩擦，又因為鈦合金變形系數小，導熱性能差，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散、粘結摩擦等共同作用下，切屑材料帶走了前刀面的刀具材料，經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重，呈現層狀的剝落，如圖2（a）、（b）所示。 側銑時，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，使鈦合金粘結在刀具表面。由于刀具材料結構組織不均勻，表面存在一定的缺陷，在周期性交變的機械應力和熱應力作用下，隨著切削過程的進行，刀具表面的粘結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力；另一方面，刀具基體與涂層材料的熱膨脹系數并不相同，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，產生交替循環(huán)變化的熱應力。在周期性高頻交替變化的機械應力和熱應力共同作用下，由于機械疲勞、熱疲勞和沖擊而導致刀具表面涂層脫落，產生微裂紋的現象。 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)域由于結構設計，其強度比較低；刀具基體材料組織結構不均勻，內部存在一定缺陷，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，隨著切削過程的進行，刀具刃口區(qū)域進一步發(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)進行切削加工，從而失效。 2.1.5切屑粘結 圖5（a）為刀具前刀面切屑粘結，（b）為刀具后刀面，切屑粘結比較少。切削過程中，前刀面靠近切削刃口區(qū)域粘結大量切屑；而后刀面與工件已加工表面發(fā)生接觸摩擦，使切屑脫落，從而粘結情況并不嚴重。 2.2刀具磨損機理分析 2.2.1磨粒磨損 磨粒磨損主要是工件材料中的一些硬質點在刀具表面的機械作用，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，經常含有一些硬度極高而粒度比較小的硬質點顆粒，切削過程中，這些硬質點顆粒與刀具不斷發(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，鈦合金的化學活性高，易與氧、碳等元素發(fā)生化學反應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粘結磨損 粘結是指刀具與工件材料接觸到原子間距時所產生的結合現象。 圖7（a）為刀具后刀面SEM照片，可以觀察到其表面粘結有白色層狀物，通過對譜圖1位置處粘結物進行能譜分析（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于刀具表面。由于鈦合金具有較強的親和力，從而使工件材料和刀具后刀面發(fā)生粘結，并形成粘結層，而前刀面為切屑流過的表面，也會發(fā)生粘結現象。當刀具表面粘結物越來越多，增加到一定程度時，隨著切削過程的進行，粘結層在機械沖擊和熱應力的共同作用下，便會發(fā)生開裂并從刀具表面脫落，刀具粘結到切屑和工件中的微粒就會被帶走，粘結層的不斷生成和脫落，便造成了刀具表面的粘結磨損。 2.2.3擴散磨損 擴散磨損在高溫下產生。高速切削加工過程中，由于鈦合金導熱性差，化學活性高，在高溫高壓條件下，鈦合金材料和刀具材料中的化學元素發(fā)生相互擴散。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)生擴散。 切削過程中，一方面，刀具材料中的元素CO、WC等易于擴散到工件或切屑中，隨著切削過程的進行，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元素易于擴散到刀具中，與刀具材料中的WC元素發(fā)生反應，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構成分，影響了刀具表層強度、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散磨損，高溫是造成擴散磨損的主要原因。 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活性高，加工過程中具有強烈的化學作用，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。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，對譜圖3位置進行能譜分析（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。 氧化反應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成分，降低了刀具表面的強度，隨著切削加工過程的進行，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相顆粒缺失，造成了刀具的氧化磨損，進而加劇了刀具