牛玉艷，易湘斌，唐林虎，梁澤芬，李寶棟

（蘭州工業(yè)學院 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度高，能在高溫下穩(wěn)定工作等優(yōu)點，在航空、海洋、生物醫(yī)學工程、機械等領(lǐng)域廣泛應用[1-4]，然而鈦合金材料較高的化學活潑性和較低的熱導率極大地限制了鈦合金的切削加工性[5-6]，導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行了研究，認為鎢鈷類硬質(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。山東大學王曉琴等[9]通過響應曲面法對涂層刀具壽命—切削效率進行了分析，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用進行了深入研究，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，當暴露在高溫環(huán)境下時，類金剛石的化學性質(zhì)變得十分活躍，甚至會出現(xiàn)涂層分層現(xiàn)象。金剛石硬度高、耐磨性好，熱導率極高，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際意義。

本文作者通過利用等離子增強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

1.1 工件材料

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

表1 Ti6AL4V化學成分表

表2 Ti6AL4V的室溫力學性能

1.2 刀具材料及參數(shù)

研究認為含有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。本實驗銑削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 銑削機床與測試裝置

銑削試驗在立式升降臺銑床上進行，機床型號為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所示為試驗用銑床，圖3所示為試驗用銑刀及刀片。銑削試驗結(jié)束后采用三維坐標儀對刀具磨損形態(tài)進行分析。

圖2 試驗用銑床

圖3 試驗用刀盤與刀片

1.4 試驗方法

本銑削試驗采用順銑、干式切削方式，試驗參數(shù)水平見表3。

表3 類金剛石涂層（DLC）刀具銑削試驗參數(shù)水平

1.5 銑削試驗系統(tǒng)原理圖

銑削試驗系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 銑削試驗系統(tǒng)原理圖

2 試驗結(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?？拷毒咔邢鞑糠?，類金剛石涂層（DLC）產(chǎn)生不同程度的脫落，而遠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。當切削時間增大到12 min時，類金剛石涂層脫落已經(jīng)擴展至遠離參與切削的位置，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

銑削實驗結(jié)束后，在三維坐標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，從而導致類金剛石涂層（DLC）刀具快速失效。由試驗可知，類金剛石涂層刀具并沒有表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。