不同刀具材料高速车削钛合金的性能研究

第31卷 第15期

2009年8月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.31 No.15 Aug.2009DOI:10.3963/j.issn.1671-4431.2009.15.009

不同刀具材料高速车削钛合金的性能研究

李友生,邓建新,李甜甜,李剑锋

(山东大学机械工程学院,济南250061)

摘 要: 使用硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具和CBN刀具在相同切削参数下进行钛合金(T-i6A-l4V)的高速车削实验。实验表明:CBN刀具使用寿命最长,其次是硬质合金涂层刀具;切削加工过程中,CBN刀具的切削力比较稳定,硬质合金刀具和涂层刀具的切削力随着不断切削而迅速增大,切削过程中,涂层刀具的切削力比硬质合金刀具的切削力小;3种刀具的前刀面磨损形式均不同于常规月牙洼磨损,而是切削刃处磨损最大的斜面磨损,3种刀具材料的磨损机理都有磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损,其中在硬质合金刀具和涂层刀具的磨损边缘区还发生氧化磨损。

关键词: 刀具材料; 钛合金; 刀具寿命; 磨损机理

中图分类号: TG501文献标识码: A文章编号:1671-4431(2009)15-0029-04

PerformanceofDifferentCuttingToolMaterialsinHigh-speed

TurningTitaniumAlloys

LIYou-sheng,DENGJian-xin,LITian-tian,LIJian-feng

(SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Ji nan250061,China)

-speedturntitaniumAbstract: Straightcementedcarbidetool,coatedcarbidetoolandCBNcuttingtoolwereusedtohigh

alloys(T-i6A-l4V)inthesamecuttingparameters.Theresultsoftrialwereanalyzed,anditisfoundthatthecuttinglifeofCBNtoolislongest,andthesecondoneiscoatedcarbidetool.Duringtheprocessofmachining,thecuttingforcesofCBNtoolareverystable,astostraightcementedcarbidetoolandcoatedcarbidetool,theircuttingforcesincreaserapidly,andthecuttingforcesofcoatedcarbidetoolaresmallerthanthatofcementedcarbidetoolduringmachiningprocess.Thewearformsofrakefaceofallcuttingtoolmaterialsisnotcraterwear,butslopeplanewearwiththemaximumwearatthecuttingedge,andthewearmechanismofthreekindsoftoolmaterialsincludesabrasivewear,adhesionwearanddiffusion,meanwhileoxidationwearisfoundatthewearedgeofcementedcarbidetoolandcoatedcarbidetool.

Keywords: toolmaterial; titaniumalloys; cuttinglife; wearmechanism

钛合金具有比强度高、热强度高、抗腐蚀性好等优良特性[1-2],在航天、航空等领域越来越受到青睐,它已经被广泛应用于军事和民用领域。同时,由于钛合金材料本身还具有导热系数小、高温化学活性大、弹性模量低、与其它金属材料摩擦系数大等特性,即使在较低的切削速度下切削加工钛合金也会出现切削温度

-5]高、刀具磨损严重、刀具寿命低以及加工表面质量差等现象[3。这使得钛合金成为一种典型的难加工材

料。目前普遍认为切削加工钛合金时,当切削速度大于60m/min即为高速切削[6]。国外许多学者对钛合金材料的高速切削加工进行了一定的研究探讨[7,8],而目前国内学者对钛合金的高速切削加工研究非常少,其中南京航空航天大学的苏宇和何宁等人[9]使用了涂层刀片在冷却和润滑的条件下进行了高速铣削钛合收稿日期:2009-03-22.

基金项目:国家自然科学基金(50675120)和教育部博士点基金(20070422012).:(-),,.E-mail:

金的研究。

该文采用硬质合金刀具、涂层刀具和CBN刀具进行高速车削加工钛合金(T-i6A-l4V)的实验研究,通过对3种刀具材料的刀具寿命、切削力及刀具磨损进行对比研究,揭示出不同刀具材料高速车削加工钛合金的特性,为生产实践中高速切削加工钛合金的刀具材料选择提供依据。

1 实验方案

在CA160车床上使用型号均为SNMG120408MS

的硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具以及型号为

SNGA120408S02020的CBN刀具进行干车削加工T-i

6A-l4V的试验,使用刀杆型号为DSS-

NR2020K12KC04,3种刀具材料的切削参数均为:

V=80m/min,f=0.1mm/r,ap=0.3mm。硬质合

金刀具和硬质合金涂层刀具的磨钝标准为:VBmax=0.6mm,CBN刀具的磨钝标准采用:VB=0.3mm。切削过程中采用SDC-C3M19型三向测力仪实时采集切削力数据,切削一段路程后使用工具显微镜进行后刀面的磨损测量,试验后的磨损刀片采用电子扫描显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)进行分析。表1为3种刀具材料的牌号及成分。表1 3种刀具材料的牌号及成分刀具材料硬质合金刀具CBN刀具牌号K313KD120刀具基体成分WC,CoWC,CoBN涂层成分-TiAlN-硬质合金涂层刀具KC5510

2 结果分析

2.1 刀具寿命分析

图1为3种刀具后刀面磨损量随切削路程的变化。从图1中可以看出:高速切削加工T-i6A-l4V时,硬质合金刀具和涂层刀具的整个磨损过程都是急剧磨损,没有明显的磨损3阶段;涂层刀具的磨损比硬质合金刀具的磨损轻微一些,其刀具寿命约为硬质合金刀具寿命的1.6倍;而CBN刀具的整个磨损过程有明显的初期磨损、正常磨损和急剧磨损3个磨损阶段,刀具使用寿命最长,当后刀面磨损量为0.3mm时,其刀具寿命是硬质合金刀具的3倍。

2.2 切削力对比

图2为3种刀具的三向切削力随切削路程的变化。从图2中可以发现:3种刀具材料车削加工T-i6A-l4V时,都是径向力Fy最大。这是由于钛合金材料价格昂贵,切削参数中f和ap选取过小,同时由于钛合金材料的弹性模量小,弹性变形大,

导致切削加工时径向力较大。

在整个切削过程中,CBN刀具的切削力非常稳定,在一定切削路程范围内,切削力有微小的下降趋势。这是由于切削一段时间后,切削温度迅速升高,高的切削温度使工件材料软化导致切削力减小。切削过程中,硬质合金刀具和涂层刀具的切削力变化趋势基本相同,随着不断的切削,Fy和Fx迅速增大,在最后的切削阶段,Fy和Fx急剧增大,Fx甚至超过Fz。这是由于在高速切削过程中,刀尖迅速磨钝,刀具的后刀面迅速磨损,导致径向力Fy和轴向力Fx急剧增大。整个切削过程中,硬质合金刀具和涂层刀具的切向力Fz都比较稳定。这是因为前刀面虽然磨损,但作用在工件材料上使切屑从工件分离的剪切应力没有太大变化。从图2中还可以发现:涂层刀具的三向切削力比硬质合金刀具的三向力均小。这是因为涂层刀具表面的涂层材料有减磨和润滑作用。

2.3 刀具磨损特性研究

图3为磨损后硬质合金刀具的SEM照片和EDS元素分析。从图3(a)中可以看出:硬质合金刀具前、后刀面出现明显犁沟状的磨粒磨损,但刀具前刀面的磨损形式不同于切削其它金属材料时形成的月牙洼磨损,而是前刀面的磨损区域直接和切削刃相连,最大磨损部位也发生在切削刃处。这是由于高速切削加工T-i6A-l4V时,前刀面的刀-屑接触长度很短,切削力集中在切削刃附近,高的切削温度使切削刃发生软化和变形,形成切削刃处磨损最大的斜面磨损形式[10]。对图3(b)分析,可以发现刀具前、后刀面粘结大量的工件材料,这是造成刀具粘结磨损的重要原因。同时粘结层与刀具前、后刀面紧密接触,在高温高压下,刀具材料中的元素会向粘结层中发生扩散,从而又造成刀具的扩散磨损[11]。所以刀具的粘结磨损和扩散磨损同时发生,又相互促进,共同影响刀具的使用寿命。从图3(b)中还发现在刀具前、后刀面磨损边缘区的3点和4点除粘结少量钛合金材料外,还有O元素。这是由于在高的切削温度作用下,刀具材料与氧气发生化学反应的结果。而刀具材料的高温氧化产物比较疏松,极易被高速滑动的切屑带走,从而造成刀具的氧化磨损[11]。在刀具前、后刀面的磨损区内,没有发现O元素。这是由于切屑与前刀面以及工件与后刀面在切削力作用下紧密接触,

氧气无法渗入。

图4为磨损后硬质合金涂层刀具的SEM照片

和EDS元素分析。对图4进行分析发现:涂层刀

具前刀面的磨损形式与硬质合金刀具的磨损形式

一样,也是切削刃处磨损最大的斜面磨损形式;刀

具前、后刀面也出现明显的磨粒磨损;在刀具前、后

刀面磨损边缘区有较高含量的Al、Ti、N、O和少量

的V元素,这说明在刀具磨损边缘区粘结有少量

工件材料,刀具的涂层未被完全破坏,O元素的存

在说明在涂层刀具的磨损边缘区同样存在刀具的

氧化磨损;在刀具前、后刀面磨损区内,没有发现N

元素,且Al和V元素含量较少,这说明在磨损区内刀具的涂层已经完全被磨损掉;在刀具前、后刀面粘结有工件材料,会发生刀具的粘结磨损和扩散磨损,在刀具前刀面磨损区内还出现W、C和Co元素,这说明前刀面磨损剧烈,刀具表面的粘结层不断被滑动切屑粘结带走,

裸露出刀具基体。

图5为磨损后CBN刀具的SEM照片和EDS元素分析。从图5中可以看出:CBN刀具的前刀面磨损区也与切削刃直接相连,磨损形式为切削刃处磨损最大的斜面磨损;由于CBN刀具的硬度非常高,在刀具前、后刀面没有明显犁沟状的磨粒磨损痕迹,同时由于CBN刀具材料的脆性大,断裂韧性低,在切削过程中,刀具不断受到机械和热的冲击,在刀具前、后刀面还出现刀具材料的大块剥落和微小崩碎现象,但不影响其使用性能;CBN刀具前刀面的切削刃附近磨损剧烈,粘结的工件材料被高速滑动的切屑带走,裸露出黑色的刀具基体,前刀面距离切削刃较远处及刀具后刀面明显存在工件材料的粘结层,刀具表面的粘结层会造成刀具的粘结和扩散磨损;在CBN刀具的磨损边缘区没有发现O元素,这是由于CBN刀具材料的导热系数较大,且CBN的氧化温度在1000 以上[11]。

3 结 论

a.3种刀具材料相同切削参数下高速车削加工T-i6A-l4V时,硬质合金刀具的使用寿命最低,涂层刀具的刀具寿命约为硬质合金刀具的1.6倍,而CBN刀具的使用寿命是硬质合金刀具寿命的3倍以上。

b.整个车削过程中,CBN刀具的切削力比较稳定。随着不断切削,硬质合金刀具和涂层刀具的切削力均迅速增大。车削过程中,涂层刀具的切削力比硬质合金刀具的切削力小。

c.3种刀具的前刀面磨损形式不同于常规月牙洼磨损,而是切削刃处磨损最大的斜面磨损,其中在CBN刀具的前、后刀面还伴有剥落和崩碎现象。3种刀具材料的磨损机理都有磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损,对于硬质合金刀具和涂层刀具在刀具的磨损边缘区还发生氧化磨损。

参考文献

[1] RibeiroMV,MoreiraMRV,FerreiraJR.OptimizationofTitaniumAlloy(6A-l4V)Machining[J].JournalofMaterials

ProcessingTechnology,2003(143-144):458-463.

[2] 张春江.钛合金切削加工技术[M].西安:西北工业大学出版社,1986.

[3] CheharonCH.ToolLifeandSurfaceIntegrityinTurningTitaniumAlloy[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,

2001,118(1-3):231-237.

[4] CheharonCH,JawaidA.TheEffectofMachiningonSurfaceIntegrityofTitanium[J].JournalofMaterialsProcessingTech-

nology,2005,166(2):188-192.

[5] QuJun,PeterJB,ThomosRW,etal.FrictionandWearofTitaniumAlloysSlidingAgainstMetal,Polymer,andCeramic

Counterfaces[J].Wear,2005,258(9):1348-1356.

[6] 艾 兴.高速切削加工技术[M].北京:国防工业出版社,2003.

[7] CheharonCH,GintingA,ArshadH.PerformanceofAlloyedUncoatedandCVD-coatedCarbideToolsinDryMillingofTita-

niumAlloysT-i6242S[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2007,185(1-3):77-82.

[8] ZoyaZA,KrishnamurthyR.ThePerformanceofCBNToolsintheMachiningofTitaniumAlloys[J].JournalofMaterials

ProcessingTechnology,2000,100(1-3):80-86.

[9] SuYu,HeNing.AnExperimentalInvestigationofEffectsofCooling/LubricationConditionsonToolWearinHigh-speedEnd

MillingofT-i6A-l4V[J].Wear,2006,261(7-8):760-766.

[10] 刘战强,艾 兴.高速切削刀具表面形态磨损研究[J].摩擦学学报,2006,22(6):468-470.

[11] 肖诗纲.刀具材料及其合理选择[M].北京:机械工业出版社,1990.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/naim.html