张子园ZHANG Zi-yuan曰林正英LIN Zheng-ying曰孙宝军SUN Bao-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。
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关键词 院高速铣削；钛合金；刀具磨损
中图分类号院TG54 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2015）27-0112-04
0 引言
钛合金是一种综合力学性能优良的高温合金材料，具有强重比高、比强度和比刚度高，耐腐蚀性好等许多优点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等工业领域，例如：燃气涡轮发动机、螺旋桨、叶轮、叶片类零件等，但钛合金切削加工性能差，主要表现在切削时摩擦力大、切削温度高、刀具磨损严重等特点，是一种典型的难切削加工材料，长期以来在很大程度上制约了它的发展。[1-3]
钛合金的传统切削加工方法，切削线速度很低（多在50m/min 以下），加工效率低，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。
Jaharah A.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Brother TC-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10.1kW，主轴最高转速16000r/min，最大切削进给速度10000mm/min，定位精度0.005mm/300mm，重复定位精度0.003mm。刀具采用瑞典SANDVIK/山特维克整体涂层硬质合金立铣刀，型号为R216.33-10045-AC19P 1620，刀具直径为10mm，螺旋角为45毅，齿数为3；工件材料为Ti-6Al-4V 钛合金，金相组织为琢+茁，尺寸为60mm伊70mm伊8mm。Ti-6Al-4V 钛合金的主要化学成分和物理力学机械性能如表1 和表2 所示。
铣削方式为顺铣、侧铣、干铣削，基准试验参数为：vc=340m/min，fr=0.06mm/r，ae=0.15mm，ap=4mm。刀具的磨钝标准采用VB=0.3mm。试验后，通过采用立体显微镜、扫描电镜（SEM）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力，仍可以继续加工，随着切削过程的进行，刀具刃口区域进一步发生崩刃状况，如图4（b）所示，刀具发生崩刃后，完全失去了切削能力，不能再继续进行切削加工，从而失效。
2.1.5 切屑粘结
图5（a）为刀具前刀面切屑粘结，（b）为刀具后刀面，切屑粘结比较少。切削过程中，前刀面靠近切削刃口区域粘结大量切屑；而后刀面与工件已加工表面发生接触摩擦，使切屑脱落，从而粘结情况并不严重。
2.2 刀具磨损机理分析
2.2.1 磨粒磨损
磨粒磨损主要是工件材料中的一些硬质点在刀具表面的机械作用，使刀具表面材料被磨耗。从图6 中可以观察到，刀具表面具有明显的沟纹。由于切屑、工件材料组织不均匀，经常含有一些硬度极高而粒度比较小的硬质点颗粒，切削过程中，这些硬质点颗粒与刀具不断发生摩擦滑动，从而在刀具表面刻划出沟纹，造成刀具的磨损。另一方面，钛合金的化学活性高，易与氧、碳等元素发生化学反应而在刀具表面生成硬度较高的氧化物、碳化物颗粒，切削过程中对刀具表面产生摩擦划痕，划伤刀具表面，形成磨粒磨损，磨粒磨损始终伴随着整个切削加工过程。
2.2.2 粘结磨损
粘结是指刀具与工件材料接触到原子间距时所产生的结合现象。
图7（a）为刀具后刀面SEM 照片，可以观察到其表面粘结有白色层状物，通过对谱图1 位置处粘结物进行能谱分析（EDS），得到其元素分布状态的能谱图，如图7（b）所示，可知，其粘结物主要成分为C、N、Al、Ti、V 等，而Ti、Al、V 为Ti-6Al-4V 钛合金材料的主要成分，元素含量分别为65.48%，12.76%，1.73%，Ti 元素的含量很高，说明钛合金材料的元素粘结于刀具表面。由于钛合金具有较强的亲和力，从而使工件材料和刀具后刀面发生粘结，并形成粘结层，而前刀面为切屑流过的表面，也会发生粘结现象。当刀具表面粘结物越来越多，增加到一定程度时，随着切削过程的进行，粘结层在机械冲击和热应力的共同作用下，便会发生开裂并从刀具表面脱落，刀具粘结到切屑和工件中的微粒就会被带走，粘结层的不断生成和脱落，便造成了刀具表面的粘结磨损。
2.2.3 扩散磨损
扩散磨损在高温下产生。高速切削加工过程中，由于钛合金导热性差，化学活性高，在高温高压条件下，钛合金材料和刀具材料中的化学元素发生相互扩散。图8（a）为刀具前刀面SEM 照片，谱图2 位置为涂层剥落后露出的刀具基体，对其进行能谱分析（EDS），得到元素分布的能谱图，如图8（b）所示，从中可知其位置2 中含有C、W、Ti、Al 等元素，而Al（含量18.06%）、Ti（含量23.45%）为钛合金材料元素，并非刀具基本材料所含有的元素，这说明，工件和切屑中的元素向刀具基体中发生扩散。
切削过程中，一方面，刀具材料中的元素CO、WC 等易于扩散到工件或切屑中，随着切削过程的进行，刀具材料中的元素被工件或切屑带走；另一方面，工件、切屑材料中的Ti 元素易于扩散到刀具中，与刀具材料中的WC 元素发生反应，生成TiC 和W，从而使刀具表面脱碳，改变了刀具表面材料的组织结构成分，影响了刀具表层强度、硬度等性能，加剧了刀具的磨损。两方面原因造成了刀具表面的扩散磨损，高温是造成扩散磨损的主要原因。
2.2.4 氧化磨损
切削加工过程中，刀具与切屑、已加工表面接触区域的温度很高，尤其是在前、后刀面靠近刀刃区域，而钛合金在高温下的化学活性高，加工过程中具有强烈的化学作用，刀具材料中的元素（C、CO、WC 等）易于与空气中的氧发生氧化反应。图9（a）为前刀面SEM 照片，从中可以观察到前刀面有黑色物质，对谱图3 位置进行能谱分析（EDS），等到能谱图如图9（b）所示，分析谱图可知，其黑色异物含有氧元素，含量百分比高达19.04%，碳元素重量百分比15.31%，说明切削加工过程中，空气中的氧和刀具材料中的碳、碳化钨等发生了氧化反应。
氧化反应使刀具表面生成硬而脆的氧化物，改变了刀具材料表面的化学成分，降低了刀具表面的强度，随着切削加工过程的进行，氧化物不断被切屑、工件带走，并且再生，使刀具材料材料中的硬质相颗粒缺失，造成了刀具的氧化磨损，进而加剧了刀具的磨损。
3 结论
淤刀具磨损宏观形貌特征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、崩刃等多种方式，其中，崩刃和后刀面层状剥落是主要的失效方式。于机械冲击和热应力是造成刀具磨损破损的主要原因。盂刀具的磨损失效主要是在磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损等多中磨损形式下的共同作用。
