TC4鈦合金具有比強度高、高溫熱強性和耐熱性能高、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，由于化學活性大、變形系數(shù)小、熱傳導率低等特點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越廣泛。在加工過程中，可轉(zhuǎn)位刀片的槽型對切削過程有很大影響，國內(nèi)外學者對刀片槽型對切削加工的影響進行了深入的研究,波蘭學者Grzesik對三維槽型刀具切削鋼材的切屑折斷機理進行了研究,發(fā)現(xiàn)對接觸面的控制是影響切屑折斷的一個重要因素。中山一雄認為:切屑受擠壓而卷曲是由于斷屑槽施加彎矩作用的結(jié)果，并認為斷屑槽型的不同會導致斷屑性能的不同。Worthington等人研究了棱帶寬度在切削過程中的斷屑作用,并給出棱帶的寬度范圍,同時給出了切屑卷曲半徑。方寧研究了刀片槽型對斷屑性能的影響,并應(yīng)用多重線性衰退方法,建立了兩種預(yù)測新型刀片斷屑性能的數(shù)學模型。
綜上所述，目前對切削加工中槽型對切削影響的研究主要集中在斷屑方向。事實上，刀片的槽型對刀片本身的磨損也有很大影響，特別是高速切削TC4鈦合金時刀具磨損很快，此時，槽型對刀片磨損的影響就顯得更為突出。本文選用山特維克可樂滿CNMG120408刀片的SM和QM兩種槽型進行研究，通過試驗來對比分析不同切削速度下兩種槽型刀片的磨損特點。
1 試驗設(shè)備及條件
1.1 試驗設(shè)備
試驗選用的是沈陽第一機床廠生產(chǎn)的數(shù)控車床CAK6150(如圖1)，其主軸最大轉(zhuǎn)速為1800r/min。
刀片磨損的觀測采用基恩士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
試驗選用刀片的牌號為H13A，它是山特維克可樂滿公司針對鈦合金及耐熱合金切削開發(fā)的一種新型細晶硬質(zhì)合金刀具牌號，具有良好的耐磨粒磨損性和韌性，適用于鈦合金的車削加工。
刀片型號為CNMG120408，其安裝后的刀具幾何參數(shù)如表1。
試驗選用了CNMG120408的兩種槽型，即QM槽型和SM槽型刀片進行對比研究。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 試驗方案
TC4鈦合金常用切削速度為40～50m/min,為深入研究高速車削時刀片槽型對刀具磨損的影響規(guī)律，試驗選擇兩種不同的切削速度進行對比分析，其切削速度分別為：95m/min、139m/min。具體切削條件如表2所示。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 切削速度為95m/min時刀具磨損的形態(tài)
圖4為切削速度95m/min時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重，可觀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要相對嚴重一些。由圖4可知，兩種槽型刀片中QM槽型刀片后刀面磨損比SM槽型刀片嚴重得多，能夠明顯觀察到刀具材料高溫軟化后工件材料中的硬質(zhì)點在刀具上劃擦產(chǎn)生的犁溝，同時可見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)生了較小的機械磨損,未見明顯犁溝。
圖5為兩種槽型刀片在切削速度95m/min時的磨損曲線，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槽型刀片有很長的一段正常磨損階段，切削路程達到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時達到0.25mm，此后刀具磨損加劇，進入急劇磨損階段，切削路程達到1400m時后刀面磨損量已超過0.5mm。在切削速度為95m/min時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時刀具磨損的形態(tài)
圖6為切削速度為139m/min時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重，且均可觀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時的磨損曲線，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刀具與工件接觸頻率增大，刀尖的散熱時間縮短，導致切削區(qū)的溫度急劇增加，刀具磨損速度加快。與切削速度為95m/min時不同，此時QM槽型刀片磨損相對較小，切削路程達到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到250m時就進入了急劇磨損階段，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到0.3mm時，切削路程不足450m，刀具使用壽命比切削速度為95m/min時大幅降低。QM槽型刀片的后刀面磨損量達到0.3mm時，切削路程約為500m，刀具使用壽命不及切削速度為95m/min時的一半。在整個磨損過程中QM槽型刀片的磨損小于SM槽型刀片，此時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。在切削過程中切削區(qū)的溫度是影響刀具磨損機理與速率的決定性因素，而切削區(qū)的溫度又由切削時切削熱的產(chǎn)生速率與散出速率共同決定。換言之，切削時單位時間產(chǎn)生的熱量經(jīng)切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)散出后，留存在切削區(qū)內(nèi)的熱量決定了其切削溫度，進而決定了刀具的磨損機理與速率。
采用95m/min的切削速度時，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)刀尖處的溫度相對較低，因此SM槽型刀片磨損較少。
當采用139m/min的切削速度時，高速切削條件下兩種槽型刀片產(chǎn)生切削熱的速率均遠高于較低的95m/min速度時的切削加工，此時切削區(qū)的散熱條件對切削區(qū)溫度的影響作用凸顯出來。在干切削時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，特別是對于導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，SM槽型刀片雖然產(chǎn)熱較少，但其散熱條件相對更差，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，此時兩種槽型刀片的切削溫度都遠高于95m/min時的切削溫度，粘接磨損成為此時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，QM槽形刀片表現(xiàn)出更好的切削性能。
3 結(jié)語
本文研究了高速車削TC4鈦合金時刀片槽型對其磨損的影響，得到如下結(jié)論：
(1)H13牌號硬質(zhì)合金刀具干式車削TC4鈦合金時主要的磨損形式為機械磨損和粘接磨損。
(2)采用95m/min的切削速度時，兩種槽型刀片的主要磨損形式為機械磨損，QM槽型刀片的后刀面上可觀察到明顯犁溝，且刀尖處發(fā)生了粘接磨損，QM槽型刀片比SM槽型刀片嚴重得多。
(3)采用139m/min的切削速度時，機械磨損與粘接磨損均稱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)對于可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金車削刀片，刃口是否鋒利與刀片的磨損速率沒有必然聯(lián)系，刀尖粗鈍產(chǎn)生的切削熱較多，但同時散熱能力也較強，切削溫度可能反而較低。因此，高速切削鈦合金時刃口槽型的選擇應(yīng)結(jié)合切削速度，綜合考慮切削區(qū)產(chǎn)熱和散熱條件進行選擇。
