復合噴霧冷卻TC4鈦合金高速車削的刀具磨損分析

劉文剛

摘 要：在高速車削加工中，刀具的磨損問題非常關鍵，直接影響著加工的質量和效率。本文結合相應的對比實驗，以TC4鈦合金的加工為例，對復合噴霧冷卻條件下高速車削加工刀具的磨損情況進行了研究。結果表明，在不同的切削速度和冷卻條件下，刀具的磨損速度也有所不同，需要根據實際情況，進行復合噴霧冷卻的合理選擇。

關鍵詞：復合噴霧；TC4鈦合金；高速車削；刀具磨損

與一般合金相比，鈦合金的硬度更高，同時具有極強的抗腐蝕能力和抗裂紋擴張能力，在醫療化工、航空航天等領域有著廣泛的應用。不過，鈦合金本身的特性使得其加工變得非常困難，在高速車削中會造成刀具的嚴重磨損，需要做好相應的潤滑和冷卻工作。復合噴霧是高速車削加工中刀具冷卻技術的一種，可以在減少冷卻液用量的同時，對環境污染進行有效控制，也因此受到了廣泛的關注。

1 試驗設備與條件

以TC4鈦合金為原材料，進行復合噴霧冷卻條件下高速車削的刀具磨損分析。

1.1 試驗設備

選擇CAK6150型數控車床，以VHX-1000C型超景深三維顯微系統對刀具加工過程中前后刀面的磨損情況進行觀察，同時也可以準確測量后刀面的磨損量。復合噴霧冷卻系統的基本工作原理，是對微量植物油與水的混合物進行特殊的壓縮處理，利用特殊噴嘴以霧狀高速噴出，可以在刀具表面形成油膜，從而起到潤滑的效果，而油膜水滴在受熱后，會產生汽化，實現對刀具的降溫冷卻[ 1 ]。

1.2 試驗刀具

選擇硬質合金刀具，型號為CNMG120408，在刀桿前端設置兩個小孔，復合噴霧可以從孔內噴出，對刀具進行潤滑和冷卻。刀具安裝的幾何參數為：前角6°、后角7°、主偏角95°、副偏角4°、刀尖圓弧半徑0.8mm、刃傾角-5.5°。

1.3 試驗方案

為了使得試驗的結果更加明確，分析不同加工條件對于刀具磨損的影響，這里設置兩種不同的切削速度，進行對比試驗。試驗條件如表1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 磨損形態

鈦合金本身的塑性較小，切屑收縮系數與普通的碳鋼相比要小的多，這也使得切削在離開主體后，會立即向上翻卷，與前刀面的接觸面積僅為鋼材的1/3，刀具接觸面的局部壓力和溫度會大大增加，在切屑的擠壓和摩擦作用下，前刀面會出現比較嚴重的月牙洼磨損形態。而較高的壓力和溫度還會使得前刀面的刀尖位置出現粘結物，這些粘結物會在切屑的擠壓和摩擦下逐漸脫落，而在這個過程中，前刀面的月牙洼磨損會不斷加劇。后刀面的磨損以機械磨損為主，呈現出一種比較典型的磨粒磨損形態，在極高的切削溫度下，硬質合金材料中Co的粘結劑作用會有所削弱，進而使得刀具產生粘結磨損。

2.2 對比分析

2.2.1不同切削速度

當切削速度為95m/min時，無論是干切削還是復合噴霧冷卻切削，前刀面的磨損形態均為月牙洼磨損，相比之下，干切削的磨損更加嚴重，刀具材料出現了明顯的塑性變形。而在后刀面，干切削的加工下的刀具磨損非常嚴重，可以直觀的觀察到刀具材料在高溫軟化后，被工件材料劃擦形成的溝紋，也可以看到明顯的塑性變形。與之相比，復合噴霧冷卻加工方式下，后刀面的僅產生較小的機械磨損，并沒有出現明顯的溝紋[ 2 ]。

當切削速度為139m/min時，干切削和復合噴霧冷卻切削加工方式下，前刀面的磨損形態均為月牙洼磨損，而且磨損較為嚴重，復合噴霧條件下刀具前刀面的出現了比較明顯的塑性變化。兩種加工方式下的后刀面同樣存在著較為嚴重的磨損問題，可以觀察到高溫條件下的粘結磨損以及刀具材料在高溫軟化后，被工件材料劃擦形成的機械磨損溝紋，將兩種加工方式進行對比，復合噴霧條件下后刀面的磨損更加嚴重。

2.2.2差異分析

在不同切削速度下，復合噴霧冷卻條件對于刀具磨損的影響存在著非常顯著的差異：當切削速度較低時（95m/min），相比較干切削，復合噴霧冷卻加工的方式可以減緩刀具磨損，切削性能較好；當切削速度較高時（139m/min），復合噴霧冷卻加工的方式會在一定程度上加劇刀具的磨損，切削性能不如干切削加工。

分析原因，主要是鈦合金材料以及刀具本身材料的強度與溫度存在非常密切的聯系，溫度越高，材料的強度越低。當切削速度較低時，切削區的溫度也相對較低，鈦合金的強度沒有出現明顯變化，通過復合噴霧冷卻，能夠降低刀具的溫度，提升刀具強度，以此能夠減緩刀具的磨損；當切削速度較高時，切削區的溫度較高，鈦合金材料的強度出現了明顯的下降，如果采用復合噴霧冷卻，雖然降低了刀具的溫度，提升了其強度，但是同時也降低了鈦合金材料的溫度，使得其高溫軟化效果大大削弱，換言之，鈦合金材料的強度同樣有所提升，在這種情況下，工件的加工難度增大，刀具的磨損也更加嚴重。因此，當切削速度較高時，采用復合噴霧冷卻的加工方式，反而會導致刀具磨損的加劇。

3 結論

結合上述試驗分析，可以得出以下結論：

1）在對TC4鈦合金材料進行高速車削加工時，硬質合金刀具的磨損以機械磨損和粘結磨損為主。

2）切削速度為95m/min時，與干切削相比，復合噴霧冷卻可以顯著降低刀具的磨損；切削速度為139m/min時，與干切削相比，復合噴霧冷卻會在一定程度上加劇刀具的磨損。

3）在針對TC4鈦合金進行高速車削加工時，應該根據不同的切削速度，選擇不同的加工方式。

參考文獻：

[1] 賀連梁，劉朋和，王曉亮，等.基于復合噴霧冷卻的TC4鈦合金切削溫度的研究[J].工具技術，2014，48（4）：25-27.

[2] 劉暐，劉朋和，姜增輝.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[J].制造技術與機床，2014，（12）：128-131.