1、引言
TC4鈦合金具有良好的綜合力學(xué)性能，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫等特性，已廣泛用于航空航天、化工和醫(yī)療等行業(yè)。但鈦合金材料導(dǎo)熱性差以及化學(xué)活性高，使刀具在切削加工中承受高溫、熱沖擊和機(jī)械載荷，易加劇刀具磨損。加工鈦合金的理想刀具材料必須同時(shí)具備較高的高溫硬度、良好的韌性和耐磨性、高導(dǎo)熱系數(shù)和較低的化學(xué)活性，在銑削時(shí)，刀具還應(yīng)具備良好的抗沖擊性[1]。
目前對(duì)于鈦合金加工主要研究方向是通過(guò)優(yōu)化加工策略或刀具幾何參數(shù)，建立切削力模型和刀具磨損模型來(lái)提高鈦合金材料的加工效率及刀具耐用度[2-4]。刀具幾何參數(shù)、涂層和切削參數(shù)均會(huì)影響鈦合金加工表面的晶粒尺寸，進(jìn)而影響鈦合金表面完整性[5]。同時(shí)，鈍圓半徑對(duì)刀具切削力和耐用度影響顯著，這也是提高鈦合金加工用整體立銑刀使用壽命的主要方法[6]。同時(shí)，建立新型的冷卻環(huán)境、降低加工鈦合金實(shí)際切削溫度也是提高刀具使用壽命的常用方法[7]。肖虎等[8]通過(guò)低溫CO2射流降低切削溫度，抑制了刀具磨損并提高鈦合金表面質(zhì)量。易湘斌等[9]利用微量油霧潤(rùn)滑減小切削力，提高了切削效率。萇浩等[10]研究發(fā)現(xiàn)，以氮?dú)鉃榍邢鹘橘|(zhì)可改善刀具的磨損狀況和提高刀具的壽命。另一些學(xué)者通過(guò)分析高速切削刀具材料的進(jìn)展和應(yīng)用，提高刀具材料的高溫物理特性方面為切削鈦合金提供發(fā)展方向[11，12]。姜增輝等[13]利用多種不同型號(hào)硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行鈦合金切削實(shí)驗(yàn)，分析了刀具材料中的合金成分對(duì)刀具磨損機(jī)理及特征的影響。ChengY.等[14]研究了硬質(zhì)合金的高溫力學(xué)性能，并根據(jù)涂層性能綜合設(shè)計(jì)刀具幾何參數(shù)，為重型切削加工提供了解決方案。文獻(xiàn)[15，16]研究了TaC含量對(duì)WC-Co基硬質(zhì)合金高溫硬度保持性的影響，證明適度添加TaC(NbC)可以有效提高WC-Co基硬質(zhì)合金的常溫硬度和抗彎強(qiáng)度，并有助于提高硬質(zhì)合金的高溫硬度。
本文通過(guò)添加TaC(NbC)難熔金屬碳化物制備WC-Co基硬質(zhì)合金基體材質(zhì)，采用高溫硬度計(jì)檢測(cè)材料的高溫硬度和高溫?cái)嗔秧g性，制備了相同幾何參數(shù)的兩種整體硬質(zhì)合金立銑刀。為了排除刀具涂層對(duì)刀具磨損性能的影響，采用無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行試驗(yàn)，研究硬質(zhì)合金材質(zhì)的高溫性能對(duì)TC4鈦合金高速銑削加工的影響。
2、試驗(yàn)條件與方案
通過(guò)添加TaC(NbC)難熔金屬碳化物制備主元素含量一致的WC-Co基硬質(zhì)合金材質(zhì)，制備兩種硬質(zhì)合金材質(zhì)A和B，其成分見(jiàn)表1。
在硬質(zhì)合金整體立銑刀切削鈦合金的過(guò)程中，熱沖擊和機(jī)械載荷是刀具切削刃失效的主要因素，并且由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)(100μm)較低，切削溫度會(huì)比加工其它材料更高。因此，硬質(zhì)合金材料在高溫下的硬度和斷裂韌性直接決定了刀具性能。
試驗(yàn)采用HTV-PHS30高溫硬度計(jì)測(cè)量硬質(zhì)合金材料的高溫硬度。加載力為10kgf，保持時(shí)間為10s，每組溫度下測(cè)量3次取平均值。試樣加載完成后，可得壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度2d和裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度l(見(jiàn)圖1)。硬質(zhì)合金材料的高溫?cái)嗔秧g性可由下式計(jì)算得出
式中，l為裂紋長(zhǎng)度;d為壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度的一半;KIC為斷裂韌性;H為硬度;E為彈性模量;φ=3。
由圖2和圖3可知，當(dāng)切削溫度達(dá)400℃時(shí)，硬質(zhì)合金A比硬質(zhì)合金B(yǎng)的高溫硬度提升約5%，高溫?cái)嗔秧g性提升約4%;當(dāng)切削溫度達(dá)800℃時(shí)，硬質(zhì)合金A比硬質(zhì)合金B(yǎng)高溫硬度提升約14.5%，高溫?cái)嗔秧g性提升約10.2%。由此可見(jiàn)，通過(guò)在WC-Co基硬質(zhì)合金中添加微量元素TaC(NbC)，可使硬質(zhì)合金的高溫性能得到顯著提高。這是因?yàn)門(mén)aC(NbC)微量元素能夠提高WC晶粒在Co粘結(jié)相中的固溶度，抑制WC晶粒在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中的晶粒增長(zhǎng)，提高了WC-Co基硬質(zhì)合金在高溫下的硬度和斷裂韌性[15]。
為進(jìn)一步驗(yàn)證添加TaC(NbC)的WC-Co基硬質(zhì)合金加工鈦合金的實(shí)際效果，將A、B兩種硬質(zhì)合金材料以相同幾何參數(shù)制備為兩組整體硬質(zhì)合金立銑刀，分別命名為刀具A和刀具B。試驗(yàn)刀具的幾何參數(shù)見(jiàn)表2。
試驗(yàn)工件材料為退火態(tài)TC4鈦合金，硬度約為28.2HＲC;機(jī)床為MazakNexus430A-Ⅱ立式加工中心，試驗(yàn)方式采用方肩順銑;水基乳化液冷卻，使用熱縮刀柄夾持保證加工狀態(tài)的穩(wěn)定性，加工參數(shù)見(jiàn)表3。
試驗(yàn)過(guò)程中，以切削距離10m為測(cè)量基準(zhǔn)，在切削距離相同的條件下，采用KeyenceVHX-950F光學(xué)顯微鏡觀(guān)察試驗(yàn)銑刀A和B磨損情況，測(cè)量后刀面磨損寬度VB。為了能更細(xì)致研究硬質(zhì)合金高溫性能對(duì)刀具磨損的影響，當(dāng)試驗(yàn)刀具的后刀面磨損寬度達(dá)到0.05mm時(shí)即停止。
3、試驗(yàn)結(jié)果分析
在相同切削加工條件下，加工TC4鈦合金的整體硬質(zhì)合金立銑刀A和立銑刀B后刀面的磨損曲線(xiàn)如圖4所示。
由圖可知，當(dāng)銑刀A切削長(zhǎng)度為80m時(shí)，刀具后刀面磨損量為0.031mm;銑刀A切削長(zhǎng)度為120m時(shí)，刀具后刀面磨損量約為0.05mm;而銑刀B切削長(zhǎng)度為80m時(shí)，刀具后刀面磨損寬度超過(guò)0.05mm。銑刀A和B在切削長(zhǎng)度約為40m時(shí)，刀具均進(jìn)入均勻磨損階段。由圖5可知，銑刀A在切削長(zhǎng)度為40m時(shí)，刀具前、后刀面顯現(xiàn)出均勻磨損，刀具前刀面靠近刀尖位置基體有輕微剝落。由圖6可知，銑刀B在切削長(zhǎng)度為40m時(shí)，刀尖已出現(xiàn)明顯崩刃，刀具前、后刀面出現(xiàn)明顯磨損，且在刀具前刀面出現(xiàn)多處規(guī)則性的基體剝落。
由圖7和圖8可知:銑刀A在切削長(zhǎng)度為80m時(shí)，刀具磨損加劇，刀尖出現(xiàn)微崩，刀具后刀面仍呈均勻磨損形式，刀具前刀面已出現(xiàn)多處規(guī)則性的基體剝落;銑刀B在切削長(zhǎng)度達(dá)到80m時(shí)，刀尖崩刃持續(xù)擴(kuò)大，后刀面出現(xiàn)多處崩刃，刀具前刀面由之前的多處基體剝落發(fā)展成連續(xù)的基體剝落，刀具磨損程度比銑刀A更嚴(yán)重。
4、刀具失效分析
為進(jìn)一步研究硬質(zhì)合金基體的高溫性能對(duì)刀具磨損機(jī)理的影響，利用掃描電子顯微鏡(SEM)分別對(duì)銑刀A和銑刀B在切削長(zhǎng)度40m時(shí)的刀具刃口進(jìn)行檢測(cè)，刀尖形貌結(jié)果見(jiàn)圖9和圖10。銑刀A在切削40m時(shí)刀尖處為均勻磨損，未發(fā)現(xiàn)顯著的崩刃及基體斷裂裂紋;銑刀B的刀尖出現(xiàn)多塊明顯的基體剝落，將刀尖局部再放大，發(fā)現(xiàn)多條清晰可見(jiàn)的基體斷裂裂紋。由于銑刀A和銑刀B的基體高溫性能不同，銑刀A基體材料有更高的高溫硬度和高溫?cái)嗔秧g性。
在高速銑削過(guò)程中，銑刀A不易出現(xiàn)基體斷裂裂紋，從而呈現(xiàn)出刀具前、后刀面均勻的磨損形式，刀具刃口的保持性更優(yōu);銑刀B的高溫硬度和高溫?cái)嗔秧g性較低，受機(jī)械沖擊的作用，在刀具基體中容易產(chǎn)生微裂紋，隨著切削持續(xù)，微裂紋易縱向擴(kuò)展，使基體發(fā)生大塊的剝落，加劇刀具磨損程度。
5、結(jié)語(yǔ)
(1)對(duì)于WC-Co基硬質(zhì)合金，添加微量合金碳化物TaC(NbC)可以有效提高硬質(zhì)合金材料在高溫下的硬度和斷裂韌性的保持性。在800℃時(shí)，高溫硬度提高約14.5%，高溫?cái)嗔秧g性提高約10.2%。
(2)在相同條件下高速銑削TC4鈦合金時(shí)，添加TaC(NbC)的硬質(zhì)合金整體立銑刀的刀具磨損比未添加TaC(NbC)立銑刀的磨損更輕微，刀具壽命更長(zhǎng)。
(3)由于添加TaC(NbC)硬質(zhì)合金材料的高溫?cái)嗔秧g性更高，高速銑削TC4鈦合金時(shí)可有效緩解刀具裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展，降低了刀尖崩刃、基體剝落等問(wèn)題的發(fā)生，防止刀具過(guò)早失效。
參考文獻(xiàn)
[1]杜敏，姜增輝，馮吉路.鈦合金切削加工特點(diǎn)及刀具材料選用[J].航空制造技術(shù)，2011( 14) : 47-49．
[2]譚靚，張定華，姚倡鋒，等.刀具幾何參數(shù)對(duì)鈦合金銑削力和表面完整性的影響[J].中國(guó)機(jī)械工程，2015，26( 6) : 737-742．
[3]耿國(guó)盛.鈦合金高速銑削技術(shù)的基礎(chǔ)研究[D].南京: 南京航空航天大學(xué)，2006．
[4]陳五一，袁躍峰.鈦合金切削加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2010( 15) : 26-30．
[5]Arisoy Y M，Ozei T.Prediction of machining induced micro-structure in Ti-6Al-4V alloy using 3-D FE-based simula-tions: effects of tool microgeometry，coating and cutting con-ditions[J].Procedia CIＲP，2015，220: 1-26．
[6]Dorlin T，F(xiàn)romentin G，Costes J.Analysis and modeling of the contact radius effect on the cutting forces in cylindrical and face turning of Ti6Al4V Titanium alloy[J].Procedia CIＲP，2015，31: 185-190．
[7]Sui S C，F(xiàn)eng P F.The influences of tool wear on Ti6Al4V cutting temperature and burn defect[J].International Jour-nal of Advanced Manufacturing Technology，2016，85 ( 9 /12) : 2831-2838．
[8]肖虎，李亮.TC4鈦合金在低溫 CO2 冷卻下的切削性能[J].中國(guó)機(jī)械工程，2017，28( 8) : 883-887．
[9]易湘斌，焦愛(ài)勝，常文春，等.不同冷卻潤(rùn)滑條件下 TB6鈦合金高速銑削切削力實(shí)驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2017，42( 9) : 92-97．
[10]萇浩，何寧，滿(mǎn)忠雷.TC4 的銑削加工中銑削力和刀具磨損研究[J].航空精密制造技術(shù)，2003( 3) : 30-33．
[11]艾興，劉戰(zhàn)強(qiáng)，趙軍，等.高速切削刀具材料的進(jìn)展和未來(lái)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2001( 8) : 21-25．
[12]張衛(wèi)兵，劉向中，陳振華，等.WC-Co 硬質(zhì)合金最新進(jìn)展[J].稀有金屬，2015．
[13]姜增輝，王琳琳，石莉，等.硬質(zhì)合金刀具切削 Ti6Al4V的磨損機(jī)理及特征[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50( 1) :178-184．
[14]Cheng Y，Liu L，Wu M，et al.High-temperature mechanical properties of a cemented carbide cutter during extra-heavy cutting process[J].Journal of Harbin Engineering Univer-sity，2015，36( 4) : 560-566．
[15]林亮亮.WC_xTaC-Co 硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)性能及高溫硬度的演變[J].金剛石與磨料磨具工程，2018，38( 4) : 50 －55．
[16]楊小璠，李友生，李凌祥，等.硬質(zhì)合金高溫性能對(duì)碳纖維復(fù)合材料切削加工的影響研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2017，37( 5) : 45-49．
作者: 林鳳添，廈門(mén)金鷺特種合金有限公司，福建廈門(mén) 361100
Author: Lin Fengtian，Xiamen Golden Egret Special AlloyCo.，Ltd.，Xiamen，361100
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