TC4鈦合金具有比強(qiáng)度高、高溫?zé)釓?qiáng)性和耐熱性能高、抗腐蝕性好等優(yōu)良性能，因此成為航空航天工業(yè)中應(yīng)用前景極其廣闊的材料。同時(shí)，由于化學(xué)活性大、變形系數(shù)小、熱傳導(dǎo)率低等特點(diǎn)又使其成為一種典型的難加工材料。目前，硬質(zhì)合金是切削TC4鈦合金的主要刀具材料，且可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的使用越來(lái)越廣泛。在加工過(guò)程中，可轉(zhuǎn)位刀片的槽型對(duì)切削過(guò)程有很大影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刀片槽型對(duì)切削加工的影響進(jìn)行了深入的研究,波蘭學(xué)者Grzesik對(duì)三維槽型刀具切削鋼材的切屑折斷機(jī)理進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)對(duì)接觸面的控制是影響切屑折斷的一個(gè)重要因素。中山一雄認(rèn)為:切屑受擠壓而卷曲是由于斷屑槽施加彎矩作用的結(jié)果，并認(rèn)為斷屑槽型的不同會(huì)導(dǎo)致斷屑性能的不同。Worthington等人研究了棱帶寬度在切削過(guò)程中的斷屑作用,并給出棱帶的寬度范圍,同時(shí)給出了切屑卷曲半徑。方寧研究了刀片槽型對(duì)斷屑性能的影響,并應(yīng)用多重線(xiàn)性衰退方法,建立了兩種預(yù)測(cè)新型刀片斷屑性能的數(shù)學(xué)模型。
綜上所述，目前對(duì)切削加工中槽型對(duì)切削影響的研究主要集中在斷屑方向。事實(shí)上，刀片的槽型對(duì)刀片本身的磨損也有很大影響，特別是高速切削TC4鈦合金時(shí)刀具磨損很快，此時(shí)，槽型對(duì)刀片磨損的影響就顯得更為突出。本文選用山特維克可樂(lè)滿(mǎn)CNMG120408刀片的SM和QM兩種槽型進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)對(duì)比分析不同切削速度下兩種槽型刀片的磨損特點(diǎn)。
1 試驗(yàn)設(shè)備及條件
1.1 試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)選用的是沈陽(yáng)第一機(jī)床廠(chǎng)生產(chǎn)的數(shù)控車(chē)床CAK6150(如圖1)，其主軸最大轉(zhuǎn)速為1800r/min。
刀片磨損的觀(guān)測(cè)采用基恩士VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)(如圖2)。
1.2 刀片的幾何參數(shù)及槽型特征
試驗(yàn)選用刀片的牌號(hào)為H13A，它是山特維克可樂(lè)滿(mǎn)公司針對(duì)鈦合金及耐熱合金切削開(kāi)發(fā)的一種新型細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具牌號(hào)，具有良好的耐磨粒磨損性和韌性，適用于鈦合金的車(chē)削加工。
刀片型號(hào)為CNMG120408，其安裝后的刀具幾何參數(shù)如表1。
試驗(yàn)選用了CNMG120408的兩種槽型，即QM槽型和SM槽型刀片進(jìn)行對(duì)比研究。兩種刀片槽型的結(jié)構(gòu)特征如圖3所示，它們的前角均為15°，QM槽型采用波浪形槽背，同時(shí)它具有較大的棱帶寬度，寬深比較小。SM槽型的棱帶寬度較小，基本可以忽略，因而刀刃比較鋒利，槽型較平緩，寬深比較大。
1.3 試驗(yàn)方案
TC4鈦合金常用切削速度為40～50m/min,為深入研究高速車(chē)削時(shí)刀片槽型對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，試驗(yàn)選擇兩種不同的切削速度進(jìn)行對(duì)比分析，其切削速度分別為：95m/min、139m/min。具體切削條件如表2所示。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 切削速度為95m/min時(shí)刀具磨損的形態(tài)
圖4為切削速度95m/min時(shí)兩種槽型刀片的磨損情況。在前刀面上，兩種槽型刀片的磨損形貌主要是月牙洼磨損，QM槽型刀片磨損更為嚴(yán)重，可觀(guān)察到刀具材料由于高溫發(fā)生了塑性變形。在后刀面上，由于鈦合金的回彈較大，后刀面和工件的接觸應(yīng)力增大，切削區(qū)的溫度升高，因此刀具后刀面的磨損比切削其他材料時(shí)要相對(duì)嚴(yán)重一些。由圖4可知，兩種槽型刀片中QM槽型刀片后刀面磨損比SM槽型刀片嚴(yán)重得多，能夠明顯觀(guān)察到刀具材料高溫軟化后工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)在刀具上劃擦產(chǎn)生的犁溝，同時(shí)可見(jiàn)由于高溫使刀具材料產(chǎn)生塑性變形引起的粘結(jié)磨損。SM槽型刀片的后刀面磨損較輕，僅產(chǎn)生了較小的機(jī)械磨損,未見(jiàn)明顯犁溝。
圖5為兩種槽型刀片在切削速度95m/min時(shí)的磨損曲線(xiàn)，可以看出，在切削初始階段QM槽型刀片磨損稍大，隨著切削的持續(xù)，SM槽型刀片有很長(zhǎng)的一段正常磨損階段，切削路程達(dá)到1400m后，后刀面磨損量仍小于0.15mm。QM槽型刀片的正常磨損階段要短得多，后刀面磨損量在切削路程為1300m時(shí)達(dá)到0.25mm，此后刀具磨損加劇，進(jìn)入急劇磨損階段，切削路程達(dá)到1400m時(shí)后刀面磨損量已超過(guò)0.5mm。在切削速度為95m/min時(shí)SM槽型刀片的磨損明顯小于QM槽型刀片，SM槽型刀片具有更好的切削性能。
2.2 切削速度為139m/min時(shí)刀具磨損的形態(tài)
圖6為切削速度為139m/min時(shí)兩種槽型刀片的磨損情況。兩種槽型刀片在前刀面上的月牙洼磨損均較為嚴(yán)重，且均可觀(guān)察到高溫引起的塑性變形。在后刀面上，兩種槽型刀片均能明顯觀(guān)察到由于高溫產(chǎn)生的粘結(jié)磨損和刀具材料高溫軟化后產(chǎn)生的犁溝磨損，且SM槽型刀片的后刀面磨損較重。
圖7為兩種槽型刀片在切削速度為139m/min時(shí)的磨損曲線(xiàn)，可以看出，在切削初始階段，兩種槽型刀片磨損大致相同，隨著切削的持續(xù)，兩種槽型刀片的磨損均較快，主要原因是高速切削時(shí)刀具與工件接觸頻率增大，刀尖的散熱時(shí)間縮短，導(dǎo)致切削區(qū)的溫度急劇增加，刀具磨損速度加快。與切削速度為95m/min時(shí)不同，此時(shí)QM槽型刀片磨損相對(duì)較小，切削路程達(dá)到300m以前刀具的磨損都比較平穩(wěn)，為正常磨損階段，而SM槽型刀片在切削路程達(dá)到250m時(shí)就進(jìn)入了急劇磨損階段，正常磨損階段較短。與切削速度為95m/min時(shí)相比，兩種槽型刀片的磨損均迅速得多。SM槽型刀片的后刀面磨損量達(dá)到0.3mm時(shí)，切削路程不足450m，刀具使用壽命比切削速度為95m/min時(shí)大幅降低。QM槽型刀片的后刀面磨損量達(dá)到0.3mm時(shí)，切削路程約為500m，刀具使用壽命不及切削速度為95m/min時(shí)的一半。在整個(gè)磨損過(guò)程中QM槽型刀片的磨損小于SM槽型刀片，此時(shí)QM槽型刀片具有更好的切削性能。
2.3 兩種切削速度下兩種槽型刀片性能差異的分析
比較圖5和圖7不難發(fā)現(xiàn)，兩種槽型刀片在兩種切削速度下的切削性能表現(xiàn)恰好相反。在相對(duì)較低的95m/min切削條件下，SM槽型要比QM槽型刀片的切削性能好，而在相對(duì)較高的139m/min切削條件下，結(jié)果相反，QM槽型刀片的磨損一直小于SM槽型刀片。
如圖3所示，分析SM槽型與QM槽型的區(qū)別可知，SM槽型刀片刃口鋒利，刀尖體積較小，QM槽型刀片刃口粗鈍，刀尖體積較大。在切削過(guò)程中切削區(qū)的溫度是影響刀具磨損機(jī)理與速率的決定性因素，而切削區(qū)的溫度又由切削時(shí)切削熱的產(chǎn)生速率與散出速率共同決定。換言之，切削時(shí)單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量經(jīng)切屑、刀具、工件和周?chē)橘|(zhì)散出后，留存在切削區(qū)內(nèi)的熱量決定了其切削溫度，進(jìn)而決定了刀具的磨損機(jī)理與速率。
采用95m/min的切削速度時(shí)，由于SM槽型刀片刃口鋒利，切屑從前刀面流出更順暢，摩擦熱產(chǎn)生較少，切削區(qū)內(nèi)刀尖處的溫度相對(duì)較低，因此SM槽型刀片磨損較少。
當(dāng)采用139m/min的切削速度時(shí)，高速切削條件下兩種槽型刀片產(chǎn)生切削熱的速率均遠(yuǎn)高于較低的95m/min速度時(shí)的切削加工，此時(shí)切削區(qū)的散熱條件對(duì)切削區(qū)溫度的影響作用凸顯出來(lái)。在干切削時(shí)切削熱的傳出途徑除去切屑和工件散熱外，刀具散熱是切削熱傳出的重要途徑，特別是對(duì)于導(dǎo)熱性不好的鈦合金零件，其工件散熱較慢，刀具散熱就顯得更為重要。此時(shí)，SM槽型刀片雖然產(chǎn)熱較少，但其散熱條件相對(duì)更差，QM槽型刀片雖然產(chǎn)熱較多，但其粗鈍的刃口和較大的刀尖體積大大改善了散熱條件，這樣，在切削熱的產(chǎn)生與散出這對(duì)矛盾中，QM槽型刀片勝出，QM槽型刀片在切削區(qū)內(nèi)刀尖處的溫度低于SM槽型。同時(shí)，此時(shí)兩種槽型刀片的切削溫度都遠(yuǎn)高于95m/min時(shí)的切削溫度，粘接磨損成為此時(shí)刀具的主要磨損形式。QM槽形刀片刃口粗鈍，更有利于抵抗工件材料的粘接，從而減小刀具的磨損。因此，在切削速度為139m/min時(shí)，QM槽形刀片表現(xiàn)出更好的切削性能。
3 結(jié)語(yǔ)
本文研究了高速車(chē)削TC4鈦合金時(shí)刀片槽型對(duì)其磨損的影響，得到如下結(jié)論：
(1)H13牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具干式車(chē)削TC4鈦合金時(shí)主要的磨損形式為機(jī)械磨損和粘接磨損。
(2)采用95m/min的切削速度時(shí)，兩種槽型刀片的主要磨損形式為機(jī)械磨損，QM槽型刀片的后刀面上可觀(guān)察到明顯犁溝，且刀尖處發(fā)生了粘接磨損，QM槽型刀片比SM槽型刀片嚴(yán)重得多。
(3)采用139m/min的切削速度時(shí)，機(jī)械磨損與粘接磨損均稱(chēng)為兩種槽型刀片的重要磨損形式，QM槽型刀片磨損較慢，切削性能更好。
(4)對(duì)于可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金車(chē)削刀片，刃口是否鋒利與刀片的磨損速率沒(méi)有必然聯(lián)系，刀尖粗鈍產(chǎn)生的切削熱較多，但同時(shí)散熱能力也較強(qiáng)，切削溫度可能反而較低。因此，高速切削鈦合金時(shí)刃口槽型的選擇應(yīng)結(jié)合切削速度，綜合考慮切削區(qū)產(chǎn)熱和散熱條件進(jìn)行選擇。
