類金剛石涂層刀具銑削Ti6Al4V性能研究

牛玉艷，易湘斌，唐林虎，梁澤芬，李寶棟

（蘭州工業(yè)學(xué)院 甘肅省精密加工技術(shù)及裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

鈦合金由于具有比強(qiáng)度高，能在高溫下穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn)，在航空、海洋、生物醫(yī)學(xué)工程、機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-4]，然而鈦合金材料較高的化學(xué)活潑性和較低的熱導(dǎo)率極大地限制了鈦合金的切削加工性[5-6]，導(dǎo)致切削加工刀具出現(xiàn)顯著的粘著磨損和磨粒，磨損失效特征[7]，為此，諸多國內(nèi)外學(xué)者在鈦合金銑削加工方面深入開展了相關(guān)研究。HARTUNG等[8]對鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金時刀具磨損進(jìn)行了研究，認(rèn)為鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具在切削鈦合金時生成TiC界面層，能有效延緩刀具的磨損。山東大學(xué)王曉琴等[9]通過響應(yīng)曲面法對涂層刀具壽命—切削效率進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，涂層硬質(zhì)合金刀具在Ti6Al4V高速干式銑削加工中，在效率不變的情況下，適當(dāng)降低切削速度，增大切削深度可以提高刀具壽命。除此以外，JAWAID A等[10]針對金剛石、CrN、TiAlN和TiN等涂層材料在難加工材料切削加工中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，得出這些涂層材料能在一定程度提高刀具的使用壽命。綜上可知，雖然已有大量的文獻(xiàn)對采用硬質(zhì)合金刀具及涂層硬質(zhì)合金刀具切削加工Ti6Al4V鈦合金進(jìn)行了研究，但是對使用類金剛石（DLC）涂層刀具干式銑削Ti6Al4V鈦合金時刀具磨損國內(nèi)尚缺乏相關(guān)的研究。類金剛石涂層（DLC）作為最廣泛使用的涂層材料，具有高導(dǎo)熱性，因此類金剛石涂層（DLC）能夠有效散發(fā)接觸區(qū)產(chǎn)生的熱量，但是，當(dāng)暴露在高溫環(huán)境下時，類金剛石的化學(xué)性質(zhì)變得十分活躍，甚至?xí)霈F(xiàn)涂層分層現(xiàn)象。金剛石硬度高、耐磨性好，熱導(dǎo)率極高，將金剛石作為涂層材料制備成的類金剛石涂層（DLC）刀具常用來加工陶瓷、碳纖維材料等難加工材料，因此，采用類金剛石涂層（DLC）刀具加工Ti6Al4V對于研究鈦合金切削加工具有實(shí)際意義。

本文作者通過利用等離子增強(qiáng)磁控濺射方法在硬質(zhì)合金基體上制備類金剛石涂層（DLC），干式銑削Ti6Al4V塊材，研究類金剛石涂層（DLC）刀具的磨損失效形式，探索金剛石涂層刀具銑削鈦合金的可行性。

1 銑削試驗(yàn)

1.1 工件材料

銑削試驗(yàn)材料采用α+β兩相型航空用鈦合金Ti6AL4V（TC4）塊材，尺寸為100 mm×100 mm×80 mm，其主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2，TC4的彈性模量很低，約為鋼的一半，熱導(dǎo)率低，約為鋁的1/10，鋼的1/4。

表1 Ti6AL4V化學(xué)成分表

表2 Ti6AL4V的室溫力學(xué)性能

1.2 刀具材料及參數(shù)

研究認(rèn)為含有TiC和TaC成分的YT、YW類硬質(zhì)合金刀具不適用于切削鈦合金[11-12]，在實(shí)際加工中通常使用YG類硬質(zhì)合金刀具來加工鈦合金，這主要是考慮刀具與工件中的Ti元素會產(chǎn)生親和作用。本實(shí)驗(yàn)銑削Ti6AL4V采用鎢鈷類硬質(zhì)合金YG6刀片為基底的類金剛石涂層（DLC）刀片，YG類具有較高的抗彎強(qiáng)度和韌性，適用于加工鈦合金和不銹鋼。刀片安裝在鑲齒面銑刀盤上，YG6刀片的幾何參數(shù)見表3，正方形刀片，前角0°，后角11°，主偏角75°，可用刃數(shù)為4，刀片幾何參數(shù)如圖1。

圖1 YG6刀片尺寸及幾何參數(shù)

1.3 銑削機(jī)床與測試裝置

銑削試驗(yàn)在立式升降臺銑床上進(jìn)行，機(jī)床型號為B1-400K，主軸最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min，普通面銑刀直徑100 mm，壓塊壓緊結(jié)構(gòu)，安裝5個刀片，圖2所示為試驗(yàn)用銑床，圖3所示為試驗(yàn)用銑刀及刀片。銑削試驗(yàn)結(jié)束后采用三維坐標(biāo)儀對刀具磨損形態(tài)進(jìn)行分析。

圖2 試驗(yàn)用銑床

圖3 試驗(yàn)用刀盤與刀片

1.4 試驗(yàn)方法

本銑削試驗(yàn)采用順銑、干式切削方式，試驗(yàn)參數(shù)水平見表3。

表3 類金剛石涂層（DLC）刀具銑削試驗(yàn)參數(shù)水平

1.5 銑削試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

銑削試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 銑削試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 類金剛石涂層刀具后刀面磨損形態(tài)

類金剛石涂層（DLC）刀具在給定的銑削試驗(yàn)參數(shù)下銑削鈦合金后的后刀面及主切削刃形貌如圖5所示。

圖5 類金剛石涂層刀具后刀面磨損形貌

從圖5中可以看出，隨著切削時間的延長，在靠近刀尖部位，磨損較嚴(yán)重，這種現(xiàn)象在加工刀具中普遍存在，在切屑變形過程中，刀尖處承受較大的切削變形力，因此摩擦磨損較為嚴(yán)重。刀具隨著切削時間的增大，發(fā)生了邊界磨損，微崩刃，條紋狀磨損的過程。靠近刀具切削部分，類金剛石涂層（DLC）產(chǎn)生不同程度的脫落，而遠(yuǎn)離切削部分其與基體結(jié)合完好。

2.2 類金剛石涂層刀具前刀面磨損形態(tài)

類金剛石涂層（DLC）刀具的前刀面及刀尖部位歷經(jīng)不同銑削時間的磨損形貌如圖6所示。

從圖6可以看出，剛開始銑削時，刀尖部位磨損很小，切削刃處磨損很輕微，刀尖結(jié)構(gòu)完整，沒有發(fā)現(xiàn)類金剛石涂層（DLC）的脫落，表面劃痕是銑削時從前刀面飛濺出來的切屑導(dǎo)致。切削時間為3 min時，在高壓高溫作用下，靠近切削刃處開始出現(xiàn)磨損，類金剛石涂層（DLC）有小范圍的脫落跡象。當(dāng)切削時間增大到6 min時，類金剛石涂層（DLC）出現(xiàn)大面積脫落（圖6c），此時涂層已經(jīng)失效。當(dāng)切削時間增大到12 min時，類金剛石涂層脫落已經(jīng)擴(kuò)展至遠(yuǎn)離參與切削的位置，如圖7所示。此時刀具前刀面出現(xiàn)明顯的月牙洼磨損形態(tài)，切削刃明顯變鈍（圖6d）。

圖6 類金剛石涂層刀具前刀面磨損形貌

圖7 類金剛石涂層出現(xiàn)剝落失效

2.3 刀具后刀面的磨損曲線

銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在三維坐標(biāo)儀上測得刀具過渡后面的磨損值，繪得其平均磨損值VB曲線如圖8所示。圖中a，b，c，d，e分別是試驗(yàn)用刀盤上5個刀片的代號。從曲線中可以看出，隨著切削時間的增大，刀具磨損加劇，切削12 min后，刀具的磨損值沒有達(dá)到0.3 mm。不同刀具在相同的切削參數(shù)水平下，其磨損量表現(xiàn)出差異性，這可能是由于沖擊引起的。

圖8 干式銑削刀具的磨損過程

3 結(jié)束語

本文利用等離子增強(qiáng)磁控濺射方法在硬質(zhì)合金刀具上制備類金剛石涂層（DLC），通過干式銑削Ti6Al4V材料，研究了類金剛石涂層（DLC）刀具銑削Ti6Al4V時前后刀面磨損形態(tài)和失效形式。隨著切削時間的增大，類金剛石涂層（DLC）刀具后刀面經(jīng)歷了邊界磨損，微崩刃，條紋狀磨損的磨損過程。前刀面主要表現(xiàn)為涂層脫落失效、月牙洼磨損，這是由于在高溫高壓作用下，類金剛石涂層（DLC）會受到石墨化和氧化的影響，從而導(dǎo)致類金剛石涂層（DLC）刀具快速失效。由試驗(yàn)可知，類金剛石涂層刀具并沒有表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。