復合噴霧冷卻條件下高速車削TC4 鈦合金硬質合金刀具磨損的研究*

劉 劉朋和 姜增輝

(①沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159;②沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

鈦合金的比強度(強度/密度)很高，遠大于其他金屬，并且具有良好的抗腐蝕性和抗裂紋擴張能力等特點，被廣泛應用于航空航天、醫療化工和冶金船舶等領域［1-2］。鈦合金是典型的難加工材料，切削過程溫度高、刀具磨損嚴重［3-4］，且切削溫度過高是造成刀具磨損嚴重的關鍵因素之一，因此對切削鈦合金時不同冷卻條件下的刀具磨損進行研究，為鈦合金的切削加工選擇有效可行的冷卻潤滑方式具有重要的意義。Hong［5］等在切削Ti-6Al -4V 鈦合金時，分析了不同冷卻條件下刀具的溫度分布和刀具的使用壽命，發現低溫液氮介質可以有效地降低切削區溫度和提高刀具壽命。Nandy［6］等將高壓切削液冷卻方式應用于Ti -6Al-4V 鈦合金的切削過程，發現高壓切削液條件下，鈦合金切屑更容易崩碎，刀具的壽命有了很大提高。王輝［7］等采用靜電冷卻的方式研究了TC4 鈦合金切削過程中的刀具磨損，發現靜電冷卻可減少刀具磨損，有效地提高刀具壽命。牟濤［8］等在不同冷卻條件下進行了銑削Ti -6Al -4V 鈦合金刀具磨損的研究，發現使用切削液銑削Ti -6Al -4V 時，不但沒有提高刀具的壽命，反而加快了刀具磨損，無論是干切削還是切削液環境下，涂層刀具的磨損均比未涂層刀具的磨損慢，刀具壽命長。

為了抑制鈦合金切削過程中較大的溫升和嚴重的刀具磨損，最常見的方法是采用大流量的冷卻液，但它不僅成本高，而且對環境污染嚴重。近年來切削加工中以最小微量潤滑(MQL)為代表的綠色冷卻技術得到了很大發展，主要包括外冷霧化冷卻、內冷霧化冷卻、低溫霧化冷卻和復合噴霧冷卻。本文采用復合噴霧冷卻方法對刀具磨損的特點和規律進行試驗研究，對比分析刀具在干切削和復合噴霧加工條件下切削的刀具磨損特點，為復合噴霧冷卻方法在鈦合金切削中的應用提供依據。

1 試驗設備與條件

1.1 工件材料

試驗選用的切削材料為TC4 鈦合金，其化學成分如表1 所示。

表1 TC4 的化學成分(質量分數)

1.2 刀具材料及幾何參數

試驗選用山特維克可樂滿公司生產的牌號為H13A的無涂層硬質合金刀具。刀片型號為CNMG120408，刀桿由山特維克可樂滿型號為MCLNR2525M12 的標準刀桿改造而成，在前端加工兩個小孔，高壓復合噴霧由此噴出分別對刀片的前刀面與切屑背面擠壓摩擦區域、后刀面與工件擠壓摩擦區域進行冷卻(如圖1)。安裝后刀具幾何參數為:前角γo=6°，后角αo=7°，副后角αo′=7 °，主偏角kr=95°，副偏角kr′=4°，刃傾角λs=-5.5°，刀尖圓弧半徑r=0.8 mm。

1.3 試驗設備

(1)加工設備:切削試驗在CAK6150 型數控車床上進行。

(2)測量裝置:試驗采用VHX -1000C 型超景深三維顯微系統觀察刀具的前、后刀面磨損形貌，并測量后刀面的磨損量。

(3)復合噴霧冷卻系統:試驗選用安默琳節能環保技術有限公司生產的復合噴霧冷卻系統(如圖2 所示)。如圖3 所示，通過該系統微量植物油與微量水經壓縮空氣和特殊噴嘴處理，霧狀化并且形成表面吸附一層薄油膜(0.1 μm 左右)的微小水滴(100～200 μm)，即油膜附水滴(OoW)。OoW在壓縮空氣的作用下通過內冷卻刀桿和刀具內孔由端部噴出(刀桿上油霧孔如圖1 所示)，由于水滴表面的油膜具有擴張性，使得最初到達工件表面的油膜起到較好的潤滑和減磨作用，同時油膜水滴在進入切削區后，吸收切削熱并形成汽化中心，細小水珠產生相變，變成蒸汽帶走大量熱量實現有效降溫。

1.4 試驗方案

為深入研究高速車削時不同加工條件對刀具磨損的影響規律，試驗選擇在95 m/min 和139 m/min 兩種速度下進行對比分析。具體的切削條件如表2 所示。

表2 試驗條件

2 試驗結果與分析

2.1 刀具磨損形態

圖4 為采用硬質合金刀具高速車削TC4 鈦合金時刀具前刀面和后刀面的磨損形貌。圖4a 為前刀面磨損形貌，主要為月牙洼磨損。鈦合金塑性小，切屑的收縮系數遠小于普通碳鋼切屑的收縮系數，這使鈦合金切屑經主切削刃切離后，立即向上翻卷，使切屑與刀具前刀面間僅有一極小的接觸面積(約為鋼材的1/3)，從而使作用在刀具接觸面上的局部壓力和溫度增高，這使得前刀面在切屑劇烈的擠壓和摩擦作用下產生較嚴重的月牙洼磨損。同時，很高的壓力和溫度促使前刀面的刀尖處出現工件材料的粘結物，在切屑連續的擠壓與摩擦下粘結物逐漸脫落，這種粘結物的不斷粘結與脫落也加劇了前刀面月牙洼磨損的產生。

如圖4b 為后刀面磨損形貌，主要為機械磨損。后刀面與已加工表面不斷地接觸和摩擦，產生較大的接觸壓力，使得刀具表面在工件材料中硬質點的劃擦作用下而出現一道道機械磨損溝紋，這是典型的磨粒磨損形態。此外，當切削溫度很高時，硬質合金材料中Co 的粘結劑作用被削弱，部分刀具材料在與工件材料的粘結作用下被帶走而發生粘結磨損。

2.2 切削速度為95 m/min 時的刀具磨損

圖5 為切削速度為95 m/min 時，兩種加工條件下的刀具磨損形貌。在前刀面上，兩種加工方式下的刀具磨損形貌主要為月牙洼磨損，干切削的刀具磨損更為嚴重，并可觀察到由于高溫的作用刀具材料發生了塑性變形。在后刀面上，干切削的刀具磨損比復合噴霧下的嚴重很多，能夠明顯觀察到刀具材料在高溫軟化后被工件材料中的硬質點劃擦所產生的溝紋，同時可見明顯的塑性變形現象，復合噴霧冷卻方式下的刀具后刀面磨損較輕，僅產生了較小的機械磨損，未見明顯溝紋。

圖6 為切削速度為95 m/min 時兩種加工條件下的刀具磨損曲線，可以看到，刀具在復合噴霧條件下有比較長的正常磨損階段，當切削路程達到1 600 m 時，其后刀面磨損量在0.2 mm 以下，而當切削路程為2 070 m時，其磨損量還未超過0.3 mm。干切削條件下刀具的正常磨損階段要短一些，磨損速率明顯大于復合噴霧條件下，當切削路程為1 300 m 時，刀具進入急劇磨損階段，當切削路程為1 570 m 時，其后刀面磨損量超過了0.5 mm。在切削速度為95 m/min 時，刀具在復合噴霧條件下比在干切削條件下具有更好的切削性能。

2.3 切削速度為139 m/min 時的刀具磨損

圖7 為切削速度為139 m/min 時，兩種加工條件下的刀具磨損形貌。在前刀面上，兩種加工方式下的月牙洼磨損均較為嚴重，且復合噴霧條件下刀具前刀面觀察到了明顯的塑性變形。在后刀面上，兩種加工方式下的刀具均能明顯觀察到由于高溫產生的粘結磨損和刀具材料高溫軟化后被工件材料中硬質點劃擦后產生的機械磨損溝紋，且復合噴霧條件下的后刀面磨損明顯較重。

圖8 為切削速度為139 m/min 時兩種加工條件下的刀具磨損曲線，可以看到，在切削初始階段兩種加工方式下的刀具磨損量大致相同，隨著切削過程的進行其磨損量均較快增長，這是因為高速切削時切削區產熱較多，導致切削溫度急劇增加，刀具磨損速度加快。與切削速度為95 m/min 不同，此時復合噴霧冷卻方式下刀具的磨損相對較嚴重，當切削路程為200 m 時就已進入急劇磨損階段，當切削路程為470 m 時，其磨損量已達到0.5 mm;干切削條件下的刀具在380 m 切削路程以前始終處于正常磨損階段，而后進入急劇磨損階段，當切削路程為505 m 時，其磨損量超過0.3 mm。在切削速度為139 m/min 時，刀具在干切削條件下比在復合噴霧條件下具有更好的切削性能。

2.4 兩種切削速度下復合噴霧冷卻對刀具磨損影響差異的分析

比較圖6 和圖8 不難發現，不同切削速度下復合噴霧冷卻對刀具磨損的影響存在明顯差異。在相對較低的95 m/min 速度下，采用復合噴霧冷卻方式刀具磨損較慢，切削性能比干切削好;在相對較高的139 m/min速度下，結果相反，刀具在干切削條件下的切削性能比復合噴霧冷卻條件下好。

造成這種結果差異的主要原因是鈦合金材料和刀具材料的強度都與溫度密切相關，當溫度升高之后，二者的強度都會有不同程度的降低。如圖9 所示，鈦合金的熱強度隨切削溫度增加有一個先緩慢下降再迅速下降的過程。

當切削速度為95 m/min 時，切削區溫度相對不高，鈦合金材料的強度未發生明顯下降，也就是說當采用復合噴霧冷卻時鈦合金材料強度沒有明顯改變，但此時可顯著降低刀具的溫度，使刀具材料的強度比干切削時有明顯增大，因此，在95 m/min 的切削速度時復合噴霧冷卻可明顯減緩刀具的磨損。

當切削速度為139 m/min 時，切削區溫度相對較高，鈦合金材料的強度處于隨溫度增大而迅速下降的階段，鈦合金材料的高溫軟化效果凸顯。當采用復合噴霧冷卻時，一方面可以顯著降低刀具的溫度，提高刀具材料的工作強度，從而減少刀具的磨損;另一方面切削區溫度的降低也大大削弱了鈦合金材料的高溫軟化效果，使其比干切削條件下更難切削，從而增大刀具的磨損。這兩個相互矛盾的作用影響著整個切削過程中的刀具磨損。顯然，在此切削速度下，復合噴霧冷卻產生的使刀具強度增大，進而減少磨損的作用大大低于鈦合金材料強度提高所帶來的加劇刀具磨損的作用。因此，復合噴霧冷卻在此切削速度下反而會加劇刀具的磨損。

3 結語

與干切削對比在兩個不同速度下研究了復合噴霧冷卻對高速車削TC4 鈦合金硬質合金刀具磨損的影響，得到以下結論:

(1)采用H13A 硬質合金刀具高速車削TC4 鈦合金時的磨損形式主要為粘結磨損和機械磨損。

(2)在切削速度為95 m/min 時，與干切削相比復合噴霧冷卻可明顯降低刀具的磨損;在切削速度為139 m/min 時，復合噴霧冷卻下的刀具磨損比干切削時更為嚴重。

(3)在139 m/min 切削速度附近高速車削TC4 鈦合金，使用復合噴霧冷卻會加劇刀具磨損。因此，在高速車削TC4 鈦合金時，應依據切削速度的不同合理選擇冷卻方式。

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