杜國臣

(濰坊學院 機電與車輛工程學院，山東 濰坊 261061)

0 引言

鈦合金Ti6Al4V 作為一種綜合性能優(yōu)良的輕合金材料，具有強度高、耐腐蝕、耐熱等優(yōu)良特性，在航空航天、汽車、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到日益廣泛的應用［1］。但是，由于鈦合金同時還具有導熱性差、高溫化學活性大、彈性模量低，與其它金屬材料摩擦系數(shù)大等特性，使其在切削加工時，存在刀具前刀面單位面積承受切削力大、切削溫度高、粘刀現(xiàn)象嚴重、工件表面粗糙度差、易造成刀具快速磨損或破損等缺陷［2-4］。在實際加工中，鈦合金通常是在低速、低效和大量使用冷卻液的條件下進行加工［5-7］。如何提高鈦合金加工刀具的切削性能，已成為實現(xiàn)鈦合金高速、高效、綠色加工的關(guān)鍵。

國內(nèi)外許多學者對鈦合金材料的高速切削加工進行了研究探討。本文中，作者用未涂層硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具對Ti6Al4V 鈦合金進行了車削對比試驗，通過對刀具壽命、切削力、切削溫度以及加工表面粗糙度的分析，從而研究了兩種刀具車削鈦合金的切削性能。

1 試驗方案

使用型號SNMG120408 的未涂層硬質(zhì)合金刀具(代號Ⅰ)和涂層硬質(zhì)合金刀具(代號Ⅱ)，在MJ460數(shù)控車床上對Ti6Al4V 鈦合金進行干車削試驗。兩種刀具的牌號及成分見表1，鈦合金工件材料的牌號為Ti6Al4V，主要成分為6%Al，4%V，其余為Ti。試驗過程中，用DJ-CL-1 型三向測力儀實時采集切削力數(shù)據(jù)，用TH5104 型遠紅外測溫儀測量刀具前刀面最高切削溫度。試驗后，用TR200 型便攜式表面粗糙度儀測量試件表面粗糙度，用工具顯微鏡測量刀具的后刀面磨損量。

表1 硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具的牌號及成分

2 試驗結(jié)果分析

2. 1 切削速度對刀具壽命的影響

在不同的切削速度下，兩種試驗刀具達到磨鈍標準時所切削的路程如圖1 所示。切削路程L 可表示為［8］:

式中，d 為工件直徑，L1為工件切削長度，f 為進給量。

由圖1 可知，當切削速度v =60m/min 時，未涂層硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具的切削路程分別約為7174m 和11175m;當切削速度提高到80m/min 時，兩種刀具的切削路程分別縮短為1050m 和1456m;當切削速度進一步提高時，刀具使用壽命也進一步縮短;對比兩種刀具的切削路程可知，低速切削時，涂層刀具的使用壽命明顯大于未涂層刀具;當切削速度提高時，涂層刀具的優(yōu)勢迅速減小;當切削速度達到100m/min 時，兩種刀具的切削路程基本一致。

圖1 兩種刀具切削路程隨切削速度的變化曲線

2. 2 三向切削力變化分析

當切削速度分別為v =60m/min、v =80m/min 和v=100m/min 時，兩種刀具三向切削力的變化分別如圖2a、b、c 所示。圖中Fx為軸向力、Fy為徑向力、Fz為切向力。

圖2 不同切削速度下兩種刀具切削力隨切削路程的變化

由圖2 可知，未涂層硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具的三向切削力都隨著切削路程的延長而不斷增大。由于鈦合金彈性模量較低(約為110GPa)，因此在已加工表面容易產(chǎn)生彈性變形，且彈性恢復變形較大，導致Fy比其他兩個方向的切削力大，從而使刀具后刀面迅速磨損。

由圖2 可以看出，當切削路程相同時，隨著切削速度v 的提高，兩種刀具三個方向的切削力均迅速增大，從而進一步加劇了刀具的磨損。對比兩種刀具的切削力發(fā)現(xiàn):在不同的切削參數(shù)下，涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力均比未涂層硬質(zhì)合金刀具切削力小，這是由于刀具表面的涂層材料與工件材料摩擦系數(shù)較小的緣故。

2. 3 切削溫度變化分析

切削加工鈦合金時，刀具前刀面的溫度分布如圖3 所示。試驗時，用測溫儀采集刀具前刀面的溫度，試驗后，利用分析軟件尋找刀具前刀面的最高溫度點，并根據(jù)工件材料的輻射率(鈦合金為0.15)，自動計算出最高切削溫度。如圖3a 所示，在正常切削時，最高溫度可達731.8℃。

在切削過程中，切削熱主要來源于切削層的剪切變形、切屑與刀具前刀面的摩擦，以及已加工表面與刀具后刀面的摩擦［9］。切削過程中，切削熱大部分被切屑帶走，但由于鈦合金的導熱系數(shù)很小(僅為鐵的1/5，鋁的1/14)，因此由鈦合金切屑帶走的熱量有限［10］。更多熱量集聚在刀具表面，形成很高的切削溫度。如圖3b 所示，此時最高溫度達1400℃以上。由圖4 知，兩種刀具的初始切削溫度以及刀具達到磨鈍標準時的溫度差別較大，這是因為隨著切削的進行，刀具的磨損越嚴重，刀具表面與工件的摩擦力也越大，產(chǎn)生的切削溫度越高。隨著切削速度的增大，兩種刀具的初始切削溫度以及刀具磨鈍時溫度都顯著升高，在v =100m/min 時，刀具表面最高溫度達1000℃。在相同切削參數(shù)下，涂層刀具的切削溫度比未涂層刀具稍低，這是因為TiAlN 涂層材料具有硬度高、氧化溫度高、摩擦系數(shù)小等特性，使涂層刀具的切削溫度有所降低。

圖3 刀具前刀面溫度分布圖

圖4 不同切削速度下兩種刀具的前刀面最高溫度

2. 4 表面粗糙度影響分析

切削加工中，進給量是影響工件表面粗糙度最主要的參數(shù)。在理想情況下，工件的最大表面粗糙度值Rmax可表示為［8］:

式中，f 為進給量，r 為刀尖圓弧半徑。

圖5 為采用不同進給量時，兩種刀具加工出的表面粗糙度值。

圖5 不同進給量時兩種刀具的表面粗糙度值

由圖5 知，Rmax隨著L 的延長而逐漸增大，這主要是因為L 越長，刀具磨損越大，切削刃鈍化越嚴重，加工表面質(zhì)量也越差，當f =0.1mm/r 時，工件初始表面粗糙度值Rmax約為0.6μm;當f = 0.2mm/r時，工件初始表面粗糙度值Rmax已超過1.5μm，這與式(2)所反映的規(guī)律一致。與涂層刀具相比，未涂層刀具的Rmax值整體稍小一些，這可能是由于刀具涂層改變了刀具原有尺寸形狀，從而影響了加工表面粗糙度。

3 結(jié)束語

本文采用單因素試驗法，用未涂層硬質(zhì)合金刀具和TiAlN 涂層硬質(zhì)合金刀具對Ti6Al4V 鈦合金進行了干車削試驗。通過對切削過程中的刀具壽命、切削力、切削溫度以及工件表面質(zhì)量進行分析研究，得出以下結(jié)論:

(1)切削加工鈦合金時，切削速度對刀具壽命影響最大，切削速度越高，刀具使用壽命越短;低速切削時，涂層刀具的使用壽命明顯優(yōu)于未涂層刀具;切削速度較高時，涂層刀具的壽命優(yōu)勢迅速減小。

(2)在切削過程中，刀具的三向切削力隨切削路程的延長而增大;涂層刀具的切削力略小于未涂層刀具的切削力。

(3)在切削過程中，隨著刀具磨損量的增大，刀具表面切削溫度顯著升高;與未涂層刀具相比，涂層刀具的表面切削溫度稍低。

(4)進給量對加工表面粗糙度影響顯著，進給量越大，工件表面粗糙度值越大;與未涂層刀具相比，涂層刀具的加工表面粗糙度值稍大。

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(編輯 趙蓉)