YBM251 車削TC4 鈦合金切削力與刀具磨損的試驗分析*

石 莉 劉朋和 姜增輝 呂 楊

(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽110159)

鈦合金是優良的航空航天材料，但其切削溫度高、回彈量大及化學活性強等特性使其成為典型的難加工材料。目前，國內企業實際生產中鈦合金加工常用的刀具材料為未涂層硬質合金刀具，其加工鈦合金粘結磨損比較嚴重，而且刀具易發生脆性破損，刀具使用壽命低;而切削性能較好的CBN 和PCD刀具材料，由于價格昂貴，應用受到限制［1-4］。硬質合金涂層刀具材料涂層不同，刀具的使用性能不同。本文使用韌性和強度好的基體與TiCN、薄Al2O3、TiN涂層結合的YBM251 涂層刀具加工TC4 鈦合金，對5種切削速度下切削力和刀具磨損以及其關系進行試驗性研究。

1 切削試驗

1.1 試驗條件

試驗使用CAK6150 數控車床，采用株洲鉆石刀具廠生產的機夾式外圓車刀，刀片型號為CNMG432，牌號為YBM251，配套刀桿MCLNR2525M12，前角γ0=6°，后角α0=7°，主偏角kr=95°，副偏角k'r=4°，刃傾角λs=-5.5°，副后角α'0=7°，刀具圓弧半徑r=0.8 mm。

試驗采用瑞士KISTLER9257B 測力儀，通過數據采集卡采集數據，使用日本基恩士公司生產的VHX -1000 電子顯微鏡觀測刀具磨損。試驗材料為TC4 鈦合金，工件長度為334 mm，直徑124 mm。

1.2 試驗方案

為了更好地研究涂層硬質合金YBM251 車削鈦合金時切削速度對切削的影響，每種切削速度下都使用新切削刃或新刀片，試驗研究固定切削深度和進給量條件下，5 種切削速度對切削力及刀具磨損的影響。切削參數如表1 所示。

表1 切削參數表

2 試驗結果分析

2.1 切削力時域信號分析

切削力是切削過程中重要的物理參數之一，它的大小直接影響到加工精度和加工質量，它的大小間接反映了刀具在切削過程中的磨損和破損情況，切削力時域信號能夠反映切削過程特別是刀具狀態的變化，切削力時域信號的分析對研究金屬切削過程，特別是刀具的磨損過程有重要的意義。但通過數據采集卡采集到的切削力信號包含了多種頻率的信號，而車削切削力信號主要集中在低頻段，通過MATLAB 小波信號工具箱對信號進行分解及重構，得到低頻段的切削力信號，圖1 為5 種切削速度下重構的低頻切削力信號。

從圖1 可以看出涂層硬質合金YBM251 切削鈦合金在5 種切削速度下切削力隨時間的變化歷程。從圖1a 和b 可以看出，在切削速度為32 m/min 和45 m/min時，主切削力Fz最大，在有效的切削歷程范圍內切削力變化不大，切削過程非常平穩;從圖1c、d 和e 可以看出，在切削速度分別為68 m/min、94 m/min 和134 m/min 時，在有效的切削歷程范圍內，徑向切削力Fy和軸向切削力Fx隨著切削的繼續都不同程度的增大，而且隨著切削速度的不同切削力增大的幅度也不相同，徑向切削力Fy增大的最快，切削力幅值超過了主切削力，主切削力Fz變化不大。在切削速度為134 m/min 時，徑向切削力出現了直線式跳躍，突然減小，而后又持續增大。

2.2 切削速度對切削力的影響分析

圖1 給出了5 種切削速度下切削力隨時間歷程的信號圖，要研究切削速度對切削力的影響規律，通常情況下繪制切削力隨速度變化圖，但上述切削條件下，當切削速度大于68 m/min 時，穩態切削力隨切削時間有較大波動，簡單取均值或最大值不能真實反映切削過程，不能反映特定的切削參數條件下切削力隨時間的變化趨勢。本文引入切削力時間信號斜率Slope，用來表征切削過程中切削力特別是穩態切削力隨切削時間的變化趨勢。

2.2.1 切削力時域信號斜率Slope 的定義

把經小波分解重構后的切削力信號調入MATLAB SPTOOL 信號處理工具箱，在Signal Browser 界面內，應用命令Trace＆Slope，如圖2 所示，選定maker1 和maker2 兩點，系統自動計算出Slope 的數值。Slope 數值的大小和正負表明了在給定的切削速度下穩態切削力隨切削時間的變化趨勢。

2.2.2 切削速度對切削力的影響分析

研究切削速度對切削力的影響規律，選取刀具穩定切削階段的切削力，即靠近maker1 附近的穩態力。把5 種切削速度下的切削力經MATLAB 分析處理后，得到切削力和切削力時域信號斜率Slope 隨切削速度的變化曲線如圖3 和圖4 所示，

從圖3 可以看出，切削力隨切削速度的增加變化不大，在三向力中主切削力Fz最大，徑向切削力Fy次之，軸向切削力Fx最小。在切削速度為45 m/min 時，徑向切削力和軸向力較小，在切削速度超過94 m/min后，主切削力Fz減小，而軸向切削力Fx和徑向切削力Fy增大。從圖4 可以看出，隨著切削速度的增加，三向切削力時域信號斜率Slope 均增加，特別當切削速度超過94 m/min 時，增加的更快，其中徑向切削力Fy斜率Slope 增加最快，最小值為0.22，最大值為52.26;軸向切削力Fx次之，主切削力Fz變化最小。

綜合圖3 和圖4 分析可知，涂層硬質合金YBM251 切削TC4 鈦合金時，當切削速度小于65 m/min 時，切削力時域信號斜率Slope 較小，切削力在給定的時間歷程內比較穩定，切削過程比較平穩，特別是在切削速度為45 m/min 時，力最小，應該為涂層硬質合金YBM251 切削TC4 鈦合金較為理想的切削速度。當切削速度大于65 m/min，切削力開始增大，切削力時域信號斜率Slope 增大，穩態切削力在給定的時間歷程內逐漸增大，當切削速度為134 m/min 時，切削力時域信號斜率Slope 急劇增大，特別是徑向切削力Fy的斜率Slope 增大到52.26，說明徑向切削力也急劇增大，從圖1d 切削力時域信號可以看出最大穩態徑向切削力約為1128 N，而且切削力出現了跳躍，從1075 N突降為755 N，切削參數固定時，刀具嚴重磨損或破損可能是造成穩態切削力變化的原因。

2.3 切削速度對刀具磨損的影響

使用VHX-1000 電子顯微鏡觀察刀具磨損，圖5為150 倍放大條件下，刀具前面、后面及副后面的磨損照片。從圖中可以看出，在切削速度小于68 m/min時，刀具處于正常磨損階段，前面沒有明顯的粘結物，隨著切削速度增加，前面開始出現小的麻點，當切削速度為68 m/min 時，主、副切削刃，特別是刀尖圓弧附近出現明顯的溝槽或凹坑，逐漸在前面形成月牙洼磨損。當切削速度小于68 m/min 時，后面和副后面磨損均勻，有明顯的磨損帶，切削速度為45 m/min 時，磨損最小，圖3 徑向切削力和軸向切削力最小也從側面說明了這一點。當切削速度為94 m/min 時，涂層脫落明顯，在切削刃附近有切屑粘結物，刀具出現不同程度的粘結磨損。當切削速度為134 m/min 時，刀具壽命劇降，刀具從初期磨損階段直接進入劇烈磨損階段，前面、后面及副后面的涂層材料在較短的切削時間內由于受到內應力及裂紋擴展的影響迅速脫落，硬質合金基體材料參與切削。研究資料表明［5-6］，硬質合金切削鈦合金主要以粘結磨損為主，從圖5e 可以看出，刀具的前面、后面及副后面都有大量的金屬切屑粘結物，隨著切削進行，粘結物尺寸增大，后面與加工表面、副后面與已加工表面的擠壓力增大，徑向切削力和軸向切削力增大。加工鈦合金時，由于鈦合金回彈量較大，為了減小加工表面對后面的擠壓，一般采用大主偏角刀具，但考慮到刀具的強度及散熱，副偏角一般較小。本實驗主偏角kr=95°，副偏角k'r=4°，后角α0=7°副后角α'0=7°，這樣就加劇了已加工表面與副后面的摩擦與擠壓，導致副后面磨損較快，金屬切屑粘結嚴重，因此，當刀具嚴重磨損時，徑向切削力增大最快，幅值甚至超過主切削力，從圖1d 和e 可以證明這一點。當切屑粘結物達到一定尺寸時，粘結物就會被切屑帶走，從而造成切削不穩定，引起切削力突變。因此切屑粘結物從刀具材料的脫落是造成圖1e 切削力時域信號圖及圖4 切削力時域信號斜率Slope 的突變的根本原因。由于前后刀面及切削刃附近粘接大量的切屑粘結物，使得刀具與工件之間的擠壓作用增強，而主切削刃的切削作用因為切屑粘結物的存在而削弱，因此刀具進入嚴重磨損階段以后，徑向切削力增大速度最快，軸向切削力次之，主切削力增大的速度最慢，還有減小的趨勢，嚴重磨損時主切削刃還可能無法切削，主切削力會急劇減小，甚至由切削完全變為擠壓，切削力的方向也會發生改變。

3 結語

通過以上研究，得到下列結論:

(1)速度-切削力圖結合速度-斜率Slope 圖，能較為完整描述試驗過程中穩態力的變化趨勢，切削速度小于94 m/min 時，切削力和斜率Slope 變化不大，切削速度大于94 m/min 時，切削力和Slope 急劇增加。

(2)YBM251 切削TC4 鈦合金，切削速度小于94 m/min 時，切削過程平穩，后面及副后面磨損帶均勻，前面有輕微的月牙洼磨損，切屑粘結物較少。當速度超過94 m/min 時，刀具磨損嚴重，涂層脫落，刀具上有大量的切屑粘結物，刀具以粘結磨損為主。

(3)涂層硬質合金YBM251 加工TC4 鈦合金速度不宜太高。速度太高，涂層脫落，優勢喪失.

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