顆粒增強鈦基復合材料車削試驗研究*

霍福松， 宦海祥， 徐九華， 蘇宏華， 濮建飛

(1. 鹽城工學院 機械工程學院， 江蘇 鹽城 224051) (2. 南京航空航天大學 機電學院， 南京 210016)

鈦基復合材料是以鈦合金為基體，在其中加入了高硬度、高模量、高強度和高耐磨性增強相的一種新型金屬基復合材料。它既具備鈦合金高強度、高硬度的優點，同時增強相的加入使得鈦基復合材料具備更好的耐高溫性、抗蠕變性能、高比模量等優異的物理和力學性能。因此在航空航天、生物醫療、汽車船舶等行業具有廣闊的應用前景[1-3]。

鈦合金具有導熱系數小、化學活性高、變形系數小和彈性模量小等特點[4-5]，切削加工困難。在鈦基復合材料基體中彌散分布著高脆硬性陶瓷顆粒增強相(如TiC和TiB)，在切削加工過程中伴隨著增強顆粒的去除過程，會產生加工表面缺陷[6-7]，降低其切削加工性，刀具磨損嚴重，影響加工表面質量和加工效率。

葛英飛等[8]使用聚晶金剛石刀具，在切削速度為15～150 m/min范圍內對增強相體積分數為0～10%的顆粒增強鈦基復合材料開展車削和銑削試驗，發現：PCD刀具切削鈦基復合材料時，隨著切削速度的增加，切削溫度顯著上升；切削速度從 15 m/min增大到150 m/min時，切削溫度上升約330 ℃，同時切削溫度隨顆粒含量增加而略有降低(降幅5%)。章宇等[9]研究了刀具材料及刀具磨損量對鈦基復合材料車削溫度的影響規律，發現：當刀具磨損量增加時，PCD刀具的切削溫度上升幅度大于硬質合金刀具的，但PCD刀具的切削溫度更低且耐用度較好。硬質合金刀具的磨損形式以黏結磨損為主，而PCD刀具以磨粒磨損為主。BEJJANI等[10]對增強相體積分數為10%～12%的鈦基復合材料開展車削和激光輔助車削試驗，發現：PCD刀具前后刀面分別以月牙洼磨損和磨粒磨損為主；激光輔助車削有利于基體材料熱軟化，可提高刀具壽命，但會降低已加工表面質量。

對鈦基復合材料的切削加工性已有大量研究，但多集中在鈦基復合材料切削加工過程中切削力和切削溫度的變化、刀具磨損機理及其破損形貌等方面。針對切削參數對已加工表面粗糙度的影響規律還缺少系統性研究。在生產實際中切削參數的選擇仍以經驗為主，未形成理論性指導，存在加工效率較低、加工表面質量差等問題。因此針對如何改善加工表面質量、優化加工工藝還需進行深入研究。

選用在金屬基復合材料切削加工中表現優異，兼具硬度高和耐磨性好的PCD刀具，對增強顆粒體積分數為5%和10%的鈦基復合材料開展車削試驗研究，分析切削溫度和切削力的變化情況，探究切削參數對已加工表面粗糙度的影響規律。

1 試驗條件

1.1 試驗材料及刀具

試驗材料選用以TC4為基體材料，增強顆粒體積分數為5%的TiC顆粒增強鈦基復合材料(TiCp/TC4)，工件規格為φ60 mm×200 mm。同時選用增強顆粒體積分數為10%的TiC顆粒和TiB晶須以原位自生法混合生成的增強鈦基復合材料(TiCp+TiBw)/TC4為對比對象。試驗材料的金相顯微組織如圖1所示。材料的化學成分和物理性能見表1和表2。

(a) 體積分數5%鈦基復合材料Ti-based composites with 5 vol.%(b) 體積分數10%鈦基復合材料Ti-based composites with 10 vol.%圖1 試驗所用原材料金相顯微組織Fig. 1 Metallurgical structure of experimental materials

表1 試驗材料主要化學成分

表2 試驗材料的物理和力學性能

試驗刀具選用元素六PCD方形機夾刀片。PCD刀片是由基本顆粒尺寸(30+2) μm混合金剛石顆粒聚合而成，其切削性能優異且硬度較高、耐熱性和耐沖擊性良好[11]。試驗所用刀具實際工作幾何參數見表3。

表3 PCD刀片實際工作幾何參數

1.2 試驗方法

車削試驗在SKP50P臥式數控機床上開展。采用自然熱電偶法測量切削溫度，溫度信號通過NI USB-4431數據采集卡采集，用Labview軟件分析處理。采用壓電法對切削力進行測量，試驗儀器為Kister9272型三向壓電測力儀，測力信號經過Kister5019電荷放大器后，用DynoWare軟件分析處理。測力儀可測量3方向切削力，即x向(進給方向)，y向(切深方向)及z向(切削速度方向)，對應的切削力分別為軸向力(進給抗力)Fx，徑向力(切深抗力)Fy和切向力(主切削力)Fz，其合力為F。采用基恩士激光顯微鏡對鈦基復合材料已加工表面粗糙度進行測量。切削加工參數選擇見表4。

表4 切削參數選擇

2 試驗結果與分析

2.1 切削力

采用PCD刀具車削鈦基復合材料時，切削參數對切削力的影響如圖2所示。由圖2a可見：隨切削速度升高，切削力總體呈現先增大后減小的趨勢，其中Fy明顯大于Fx和Fz且Fz始終最小。在切削速度v=30～60 m/min做低速切削時，切削溫度升高較慢，材料變形抗力大，因此切削力增大較顯著；在v=90～120 m/min范圍內，隨切削速度升高，PCD刀具在單位時間內切除的金屬材料體積增大，克服材料變形所耗功增多，切削時產生的熱量增多，導致切削溫度快速升高，切削層金屬材料發生熱軟化效應，變形程度降低，故切削力減小。由圖2b可以看出：切削力隨背吃刀量增大而增大，在切削速度為120 m/min時的切削力始終較小。

由圖2c可見：在不同的切削速度下，進給量對切削力的影響不同。在切削速度為30～60 m/min時，隨進給量增大，切削力相應增大；而在切削速度90～120 m/min時，切削力先減小后增大，當進給量為0.08 mm時切削力最小。這是因為隨進給量增大，材料在單位時間內去除的體積增大，切屑變形系數減小，切削熱不易排出，導致切削溫度升高，材料熱軟化效應明顯，使得切削力減小。結合圖3a發現：隨切削速度升高，切削溫度的升高趨勢變緩，切削層金屬材料熱軟化效應相應減弱，因此切削力呈現再次增大趨勢。

(a) 切削速度的影響Effect of cutting speed(b) 背吃刀量的影響Effect of back-infeed(c) 進給量的影響 Effect of infeed圖2 切削參數對切削力的影響Fig. 2 Effect of cutting parameters on cutting force

2.2 切削溫度

切削參數對切削溫度的影響規律如圖3所示。由圖3a可見：采用PCD刀具車削鈦基復合材料時，隨切削速度升高，切削溫度升高。其中切削速度在30～60 m/min的低速切削范圍內升高時，切削溫度從556.5 ℃上升到976.7 ℃，升高幅度75.5%；切削速度在90～120 m/min范圍內升高時，切削溫度從1 111.7 ℃上升到1 239.2 ℃，升高幅度11.5%。說明相比于低速切削，在較高的切削速度范圍內，切削溫度的升高趨勢放緩。這是因為切削速度升高，在單位時間內刀具后刀面與已加工表面及前刀面與切屑之間產生的摩擦熱增多，切削熱增多，但與此同時切削速度的升高會導致切削層金屬來不及發生變形，切削時金屬材料的彈塑性變形功減小，此外切屑向材料和工件傳熱的時間縮短，切屑帶走較多熱量，因此切削溫度在較高切削速度范圍內變化時總體升高趨勢變緩。

由圖3b、圖3c可知：隨進給量和背吃刀量的增大，切削溫度略微升高，其中進給量在0.04～0.12 mm/min時，切削溫度升高225 ℃；背吃刀量在0.25～0.75 mm時，切削溫度升高270 ℃，且進給量對切削溫度的影響性較小。這主要是由于進給量的增大雖然會使得切削層金屬材料去除率增大，但也使得切屑的變形系數減小，從而導致切除單位體積金屬材料所做功減少。同時，隨進給量增大，刀具和切屑之間的接觸長度增大，因此切屑帶走的切削熱增多，散熱條件得到改善。進給量和背吃刀量應選取合適范圍，若取值過大會增大切削力，導致沖擊載荷增大，使工件產生振動和變形。

(a) 切削速度的影響Effect of cutting speed(b) 進給量的影響Effect of infeed(c) 背吃刀量的影響 Effect of back-infeed圖3 切削參數對切削溫度的影響Fig. 3 Effect of cutting parameters on cutting temperature

2.3 顆粒含量對切削力和切削溫度影響

為研究增強相體積分數對鈦基復合材料切削力和切削溫度的影響，采用增強相體積分數為5%和10%的顆粒增強鈦基復合材料進行對比試驗，不同增強相含量鈦基復合材料導熱系數如表5，參數選擇ap=0.75 mm，f=0.08 mm/r。

圖4a表示PCD刀具車削鈦基復合材料時，切削力隨增強相含量變化情況。從圖4a中可以看出：增強顆粒體積分數為10%的切削力明顯大于體積分數為5%時的切削力，即切削力隨增強顆粒體積分數的增大而增大。這是由于鈦基復合材料中存在的高強度、高硬度增強相含量越高，復合材料的強度越高、硬度越大，切削時需要克服材料彈塑性變形消耗所用功增多，同時在單位時間內增強顆粒對刀具工作面沖擊次數增多，導致刀具磨損嚴重，使得切削力增大。

圖4b表示PCD刀具車削鈦基復合材料時切削溫度隨不同增強相含量變化情況。從圖4b中可見：當鈦基復合材料的增強顆粒含量增加時，切削溫度反而降低。這是由于鈦基復合材料中加入導熱系數為31.8 W/(m·K)的增強相TiC顆粒，材料的導熱系數增大。結合表5可知：鈦基復合材料中增強顆粒含量較高時，導熱系數相對較大，且隨溫度升高，增強顆粒含量對復合材料的導熱系數影響越大，這有助于鈦基復合材料及時傳導熱量。因此切削溫度隨鈦基復合材料增強相含量的升高而降低。

表5 不同增強相含量鈦基復合材料的導熱系數

(a) 對切削力的影響Effect on cutting force(b) 對切削溫度的影響Effect on cutting temperature圖4 增強相含量的影響Fig. 4 Effect of enhancing phase content

2.4 表面粗糙度

圖5表示PCD刀具車削鈦基復合材料時切削參數對表面粗糙度的影響曲線。由圖5a可見：已加工表面粗糙度隨切削速度升高呈現先減小后增大的趨勢，此外在所選用的切削速度范圍內，已加工表面粗糙度值Ra在0.25～0.40 μm范圍內波動。這是由于隨著切削速度升高，切削溫度不斷升高，材料的熱軟化程度增強，工件發生塑性變形所受的變形抗力減小，因此已加工表面粗糙度減?。划斍邢魉俣壤^續上升，增強顆粒對刀具工作面的沖擊頻率增多，導致刀具磨損嚴重，且增強顆粒被拔出或壓入的情況增多，因此加工表面粗糙度增大。

(a) 切削速度的影響Effect of cutting speed(b) 進給量的影響Effect of infeed(c) 背吃刀量的影響 Effect of back-infeed圖5 切削參數對表面粗糙度的影響Fig. 5 Effect of cutting parameters on surface roughness

從圖5b、圖5c可以看出：隨著進給量和背吃刀量的增大，表面粗糙度總體呈現先減小后增大的趨勢。且在進給量為0.08 mm/r，背吃刀量為0.50 mm時已加工表面粗糙度值相對較小。

綜合前述分析，在v=80～100 m/min，ap=0.30～0.60 mm，f=0.06～0.10 mm/r時加工表面質量較好，表面粗糙度Ra不超過0.5 μm。

3 結論

(1)采用PCD刀具車削鈦基復合材料時，隨切削速度升高，切削力先增大后減??；切削力隨背吃刀量增大而增大。當切削速度在90～120 m/min范圍內，進給量為0.08 mm時，切削力明顯較小。

(2)隨切削速度升高、背吃刀量和進給量增大，切削溫度相應升高。其中切削速度對切削溫度影響顯著。切削速度在90～120 m/min時的上升幅度相比于30～60 m/min時的明顯放緩。

(3)鈦基復合材料在進行車削加工時，各向切削力隨增強顆粒含量的升高均有所增大；但切削溫度在增強顆粒含量較低時反而較高。

(4)車削鈦基復合材料時切削參數范圍在v=80～100 m/min，ap=0.30～0.60 mm，f=0.06～0.10 mm/r時可獲得較好加工表面質量，且已加工表面粗糙度Ra均在0.5 μm以下。