高速铣削钛合金的刀具磨损形态及磨损机理分析

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1、高速铣削钛合金的刀具磨损形态及磨损机理分析张子园ZHANGZi-yuan曰林正英LINZheng-ying曰孙宝军SUNBao-jun（福州大学机械工程及自动化学院，福州350116）摘要院采用整体硬质合金涂层立铣刀对钛合金（Ti-6Al-4V）进行高速干铣削加工试验，利用立体显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析（EDS）等手段研究了刀具的磨损形态和磨损机理。结果表明：刀具磨损形态主要有前刀面月牙洼磨损、后刀面层状剥落、涂层剥落、微裂纹、崩刃等方式，刀具磨损失效机理主要是磨粒磨损、粘结磨损、扩散和氧化磨损等多种方式的共同作用。.jyqk/min以下），加工效

2、率低，大量使用冷却液，刀具使用寿命短，零件表面质量不易保证。[4-5]随着机械制造技术的发展，高速切削加工已成为先进的制造技术之一。对钛合金采用高速切削加工方法可以提高加工效率，减小切削力，提高加工表面质量，降低成本；可以克服其热导率低、高温化学活性高、摩擦因数大等不利于机械加工的缺点。高速切削加工方法是实现钛合金高效加工的有效途径。[6-7]因此，研究高速切削钛合金条件下，刀具的磨损形态及磨损机理有着重要的意义。JaharahA.Ghani[8]等对涂层硬质合金刀具加工钛合金的失效方式进行分析。结果表明：在铣削加工钛合金过程中，断续切削力是涂层硬质合金刀具切削刃

3、失效的主要原因。磨损主要发生在前后刀面，切削速度和切削深度是影响涂层硬质合金刀具疲劳和断裂失效的主要因素。AnhaiLi[9]等采用聚晶金刚石刀具进行Ti-6Al-4V钛合金高速铣削试验，研究刀具失效机理。结果表明：高速铣削加工Ti-6Al-4V钛合金，切削速度对PCD刀具磨损方式有很严重的影响。刀具后刀面磨损率随着切削速度而增加。PCD刀具主要失效方式是过早断裂以及粘着磨损和磨粒磨损的综合作用。陆丰玮[10]等对车削TC4钛合金的刀具磨损与切屑形态进行分析，切削TC4钛合金的切屑为典型的锯齿状切屑，刀具的磨损形式主要是粘结与扩散磨损、氧化磨损以及剥落与崩刃。虽然

4、国内外学者对高速切削钛合金刀具磨损破损失效形式进行了一定的研究，但是，大部分研究采用可更换机夹刀片的方式进行高速切削试验，而对于整体硬质合金涂层刀具高速铣削钛合金的刀具磨损机理和切屑形态研究比较少。本文采用整体硬质合金涂层刀具针对Ti-6Al-4V钛合金进行高速铣削试验，利用立体显微镜、扫描电镜和能谱分析等手段，分析了刀具磨损形态和磨损机理，从而为进一步研究钛合金高速铣削提供依据。1切削试验利用BrotherTC-S2CZ-0精密攻丝加工中心机床对Ti-6Al-4V钛合金进行高速铣削，机床功率为10.1k）等实验手段观察刀具磨损的宏观、微观形貌特征，利用能谱分析技

5、术（EDS）对磨损后刀具表面元素成分进行定性分析，从而为高速铣削钛合金加工刀具提供一定的理论基础，减少因刀具失效而影响切削加工过程。2试验结果与分析2.1刀具磨损形态特征2.1.1前刀面月牙洼磨损刀具前刀面靠近切削刃区域出现月牙洼磨损，如图1所示，切削过程中，在高压条件下，前刀面和切屑不断接触并相对运动，产生强烈的摩擦，又因为钛合金变形系数小，导热性能差，造成了前刀面的切削热量不易散出，接触区域的温度很高。在刀具前刀面与切屑之间的扩散、粘结摩擦等共同作用下，切屑材料带走了前刀面的刀具材料，经过长时间切削而造成了前刀面的月牙洼磨损。2.1.2后刀面层状剥落高速铣削钛

6、合金加工过程中，后刀面靠近切削刃口处刀具磨损比较严重，呈现层状的剥落，如图2（a）、（b）所示。侧铣时，刀具后刀面侧刃与工件已加工表面接触面积比较小，切削热和切削力集中在侧刃区域，而且，钛合金材料中的钛元素易与刀具发生亲和反应，使钛合金粘结在刀具表面。由于刀具材料结构组织不均匀，表面存在一定的缺陷，在周期性交变的机械应力和热应力作用下，随着切削过程的进行，刀具表面的粘结材料不断周期性的脱落和再生，而脱落的材料带走部分刀具材料，便造成了刀具后刀面层状剥落的现象。2.1.3涂层脱落、微裂纹图3（a）为刀具表面涂层剥落，露出了刀具基体；（b）为刀具表面产生微裂纹。铣削是

7、断续切削，在切入、切出工件过程中，刀具承受周期性交替变化的应力；另一方面，刀具基体与涂层材料的热膨胀系数并不相同，刀具切削区域表面温度比较高，刀具表面部分与其基体部分的温差比较大，从而造成温度梯度大，产生交替循环变化的热应力。在周期性高频交替变化的机械应力和热应力共同作用下，由于机械疲劳、热疲劳和冲击而导致刀具表面涂层脱落，产生微裂纹的现象。2.1.4微崩刃、崩刃图4为刀具微崩刃、崩刃。刀具切削刃口区域由于结构设计，其强度比较低；刀具基体材料组织结构不均匀，内部存在一定缺陷，在切削加工过程中，刀具发生微崩刃，如图4（a）所示。微崩刃发生后，刀具并没有完全失去切削能

8、力，仍可以