高速車削TC4 鈦合金硬質(zhì)合金刀片槽型對(duì)刀具磨損的影響*

姜增輝 舒蓓蓓 王曉亮 吳月穎

(①沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽110159;②東方藍(lán)天鈦金科技有限公司，山東 煙臺(tái)264003)

TC4 鈦合金具有比強(qiáng)度高、高溫?zé)釓?qiáng)性和耐熱性能高、抗腐蝕性好等優(yōu)良性能，因此成為航空航天工業(yè)中應(yīng)用前景極其廣闊的材料［1-2］。同時(shí)，由于化學(xué)活性大、變形系數(shù)小、熱傳導(dǎo)率低等特點(diǎn)又使其成為一種典型的難加工材料［3-4］。目前，硬質(zhì)合金是切削TC4鈦合金的主要刀具材料，且可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的使用越來越廣泛。在加工過程中，可轉(zhuǎn)位刀片的槽型對(duì)切削過程有很大影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刀片槽型對(duì)切削加工的影響進(jìn)行了深入的研究，波蘭學(xué)者Grzesik 對(duì)三維槽型刀具切削鋼材的切屑折斷機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)接觸面的控制是影響切屑折斷的一個(gè)重要因素［5］。中山一雄認(rèn)為:切屑受擠壓而卷曲是由于斷屑槽施加彎矩作用的結(jié)果，并認(rèn)為斷屑槽型的不同會(huì)導(dǎo)致斷屑性能的不同［6］。Worthington 等人研究了棱帶寬度在切削過程中的斷屑作用，并給出棱帶的寬度范圍，同時(shí)給出了切屑卷曲半徑［7-8］。方寧研究了刀片槽型對(duì)斷屑性能的影響，并應(yīng)用多重線性衰退方法，建立了兩種預(yù)測(cè)新型刀片斷屑性能的數(shù)學(xué)模型［9］。

綜上所述，目前對(duì)切削加工中槽型對(duì)切削影響的研究主要集中在斷屑方向。事實(shí)上，刀片的槽型對(duì)刀片本身的磨損也有很大影響，特別是高速切削TC4 鈦合金時(shí)刀具磨損很快，此時(shí)，槽型對(duì)刀片磨損的影響就顯得更為突出。本文選用山特維克可樂滿CNMG120408 刀片的SM 和QM 兩種槽型進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)來對(duì)比分析不同切削速度下兩種槽型刀片的磨損特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用的是沈陽第一機(jī)床廠生產(chǎn)的數(shù)控車床CAK6150(如圖1)，其主軸最大轉(zhuǎn)速為1800 r/min。

刀片磨損的觀測(cè)采用基恩士VHX -1000C 型超景深三維顯微系統(tǒng)(如圖2)。

1.2 刀片的幾何參數(shù)及槽型特征

試驗(yàn)選用刀片的牌號(hào)為H13A，它是山特維克可樂滿公司針對(duì)鈦合金及耐熱合金切削開發(fā)的一種新型細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具牌號(hào)，具有良好的耐磨粒磨損性和韌性，適用于鈦合金的車削加工。

刀片型號(hào)為CNMG120408，其安裝后的刀具幾何參數(shù)如表1。

試驗(yàn)選用了CNMG120408 的兩種槽型，即QM 槽型和SM 槽型刀片進(jìn)行對(duì)比研究。兩種刀片槽型的結(jié)構(gòu)特征如圖3 所示，它們的前角均為15°，QM 槽型采用波浪形槽背，同時(shí)它具有較大的棱帶寬度，寬深比較小。SM 槽型的棱帶寬度較小，基本可以忽略，因而刀刃比較鋒利，槽型較平緩，寬深比較大。

表1 刀具的幾何參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

TC4 鈦合金常用切削速度為40～50 m/min，為深入研究高速車削時(shí)刀片槽型對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，試驗(yàn)選擇兩種不同的切削速度進(jìn)行對(duì)比分析，其切削速度分別為:95 m/min、139 m/min。具體切削條件如表2 所示。

表2 切削條件

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 切削速度為95 m/min 時(shí)刀具磨損的形態(tài)

圖4 為切削速度95 m/min 時(shí)兩種槽型刀片的磨損情況。在前刀面上，兩種槽型刀片的磨損形貌主要是月牙洼磨損，QM 槽型刀片磨損更為嚴(yán)重，可觀察到刀具材料由于高溫發(fā)生了塑性變形。在后刀面上，由于鈦合金的回彈較大，后刀面和工件的接觸應(yīng)力增大，切削區(qū)的溫度升高，因此刀具后刀面的磨損比切削其他材料時(shí)要相對(duì)嚴(yán)重一些。由圖4 可知，兩種槽型刀片中QM 槽型刀片后刀面磨損比SM 槽型刀片嚴(yán)重得多，能夠明顯觀察到刀具材料高溫軟化后工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)在刀具上劃擦產(chǎn)生的犁溝，同時(shí)可見由于高溫使刀具材料產(chǎn)生塑性變形引起的粘結(jié)磨損。SM 槽型刀片的后刀面磨損較輕，僅產(chǎn)生了較小的機(jī)械磨損，未見明顯犁溝。

圖5 為兩種槽型刀片在切削速度95 m/min 時(shí)的磨損曲線，可以看出，在切削初始階段QM 槽型刀片磨損稍大，隨著切削的持續(xù)，SM 槽型刀片有很長(zhǎng)的一段正常磨損階段，切削路程達(dá)到1400 m 后，后刀面磨損量仍小于0.15 mm。QM 槽型刀片的正常磨損階段要短得多，后刀面磨損量在切削路程為1300 m 時(shí)達(dá)到0.25 mm，此后刀具磨損加劇，進(jìn)入急劇磨損階段，切削路程達(dá)到1400 m 時(shí)后刀面磨損量已超過0.5 mm。在切削速度為95 m/min 時(shí)SM 槽型刀片的磨損明顯小于QM 槽型刀片，SM 槽型刀片具有更好的切削性能。

2.2 切削速度為139 m/min 時(shí)刀具磨損的形態(tài)

圖6 為切削速度為139 m/min 時(shí)兩種槽型刀片的磨損情況。兩種槽型刀片在前刀面上的月牙洼磨損均較為嚴(yán)重，且均可觀察到高溫引起的塑性變形。在后刀面上，兩種槽型刀片均能明顯觀察到由于高溫產(chǎn)生的粘結(jié)磨損和刀具材料高溫軟化后產(chǎn)生的犁溝磨損，且SM 槽型刀片的后刀面磨損較重。

圖7 為兩種槽型刀片在切削速度為139 m/min 時(shí)的磨損曲線，可以看出，在切削初始階段，兩種槽型刀片磨損大致相同，隨著切削的持續(xù)，兩種槽型刀片的磨損均較快，主要原因是高速切削時(shí)刀具與工件接觸頻率增大，刀尖的散熱時(shí)間縮短，導(dǎo)致切削區(qū)的溫度急劇增加，刀具磨損速度加快。與切削速度為95 m/min 時(shí)不同，此時(shí)QM 槽型刀片磨損相對(duì)較小，切削路程達(dá)到300 m 以前刀具的磨損都比較平穩(wěn)，為正常磨損階段，而SM 槽型刀片在切削路程達(dá)到250 m 時(shí)就進(jìn)入了急劇磨損階段，正常磨損階段較短。與切削速度為95 m/min 時(shí)相比，兩種槽型刀片的磨損均迅速得多。SM槽型刀片的后刀面磨損量達(dá)到0.3 mm 時(shí)，切削路程不足450 m，刀具使用壽命比切削速度為95 m/min 時(shí)大幅降低。QM 槽型刀片的后刀面磨損量達(dá)到0.3 mm時(shí)，切削路程約為500 m，刀具使用壽命不及切削速度為95 m/min 時(shí)的一半。在整個(gè)磨損過程中QM 槽型刀片的磨損小于SM 槽型刀片，此時(shí)QM 槽型刀片具有更好的切削性能。

2.3 兩種切削速度下兩種槽型刀片性能差異的分析

比較圖5 和圖7 不難發(fā)現(xiàn)，兩種槽型刀片在兩種切削速度下的切削性能表現(xiàn)恰好相反。在相對(duì)較低的95 m/min 切削條件下，SM 槽型要比QM 槽型刀片的切削性能好，而在相對(duì)較高的139 m/min 切削條件下，結(jié)果相反，QM 槽型刀片的磨損一直小于SM 槽型刀片。

如圖3 所示，分析SM 槽型與QM 槽型的區(qū)別可知，SM 槽型刀片刃口鋒利，刀尖體積較小，QM 槽型刀片刃口粗鈍，刀尖體積較大。在切削過程中切削區(qū)的溫度是影響刀具磨損機(jī)理與速率的決定性因素，而切削區(qū)的溫度又由切削時(shí)切削熱的產(chǎn)生速率與散出速率共同決定。換言之，切削時(shí)單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量經(jīng)切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)散出后，留存在切削區(qū)內(nèi)的熱量決定了其切削溫度，進(jìn)而決定了刀具的磨損機(jī)理與速率。

采用95 m/min 的切削速度時(shí)，由于SM 槽型刀片刃口鋒利，切屑從前刀面流出更順暢，摩擦熱產(chǎn)生較少，切削區(qū)內(nèi)刀尖處的溫度相對(duì)較低，因此SM 槽型刀片磨損較少。

當(dāng)采用139 m/min 的切削速度時(shí)，高速切削條件下兩種槽型刀片產(chǎn)生切削熱的速率均遠(yuǎn)高于較低的95 m/min 速度時(shí)的切削加工，此時(shí)切削區(qū)的散熱條件對(duì)切削區(qū)溫度的影響作用凸顯出來。在干切削時(shí)切削熱的傳出途徑除去切屑和工件散熱外，刀具散熱是切削熱傳出的重要途徑，特別是對(duì)于導(dǎo)熱性不好的鈦合金零件，其工件散熱較慢，刀具散熱就顯得更為重要。此時(shí)，SM 槽型刀片雖然產(chǎn)熱較少，但其散熱條件相對(duì)更差，QM 槽型刀片雖然產(chǎn)熱較多，但其粗鈍的刃口和較大的刀尖體積大大改善了散熱條件，這樣，在切削熱的產(chǎn)生與散出這對(duì)矛盾中，QM 槽型刀片勝出，QM 槽型刀片在切削區(qū)內(nèi)刀尖處的溫度低于SM 槽型。同時(shí)，此時(shí)兩種槽型刀片的切削溫度都遠(yuǎn)高于95 m/min時(shí)的切削溫度，粘接磨損成為此時(shí)刀具的主要磨損形式。QM 槽形刀片刃口粗鈍，更有利于抵抗工件材料的粘接，從而減小刀具的磨損。因此，在切削速度為139 m/min 時(shí)，QM 槽形刀片表現(xiàn)出更好的切削性能。

3 結(jié)語

本文研究了高速車削TC4 鈦合金時(shí)刀片槽型對(duì)其磨損的影響，得到如下結(jié)論:

(1)H13 牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具干式車削TC4 鈦合金時(shí)主要的磨損形式為機(jī)械磨損和粘接磨損。

(2)采用95 m/min 的切削速度時(shí)，兩種槽型刀片的主要磨損形式為機(jī)械磨損，QM 槽型刀片的后刀面上可觀察到明顯犁溝，且刀尖處發(fā)生了粘接磨損，QM槽型刀片比SM 槽型刀片嚴(yán)重得多。

(3)采用139 m/min 的切削速度時(shí)，機(jī)械磨損與粘接磨損均稱為兩種槽型刀片的重要磨損形式，QM槽型刀片磨損較慢，切削性能更好。

(4)對(duì)于可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金車削刀片，刃口是否鋒利與刀片的磨損速率沒有必然聯(lián)系，刀尖粗鈍產(chǎn)生的切削熱較多，但同時(shí)散熱能力也較強(qiáng)，切削溫度可能反而較低。因此，高速切削鈦合金時(shí)刃口槽型的選擇應(yīng)結(jié)合切削速度，綜合考慮切削區(qū)產(chǎn)熱和散熱條件進(jìn)行選擇。

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