高速铣削TC6钛合金的刀具磨损机理_徐锦泱

收 稿 日 期 ：２０１１－０８－２９ 基金项 目：国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 （９７３）项 目 （２０１０ＣＢ７３１７０３，２０１１ＣＢ７０６８０４），国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （８６３）项 目
（２００９ＡＡ０４Ｚ１５０），国 家 科 技 重 大 专 项 课 题 （２０１１ＺＸ０４０１５－０３１，２０１２ＺＸ０４００３－０５１，２０１２ＺＸ０４０１２－０２１） 作 者 简 介 ：徐 锦 泱 （１９８７－），男 ，江 苏 省 泰 州 市 人 ，硕 士 生 ，主 要 从 事 高 速 切 削 理 论 与 工 艺 研 究 ．
１ 试验部分
铣 削 工 件 材 料 选 用 尺 寸 为 １００ ｍｍ×１４０ ｍｍ× ７０ｍｍ 的 ＴＣ６钛合金，名 义 成 分 为 Ｔｉ－６Ａｌ－２．５Ｍｏ－ ２Ｃｒ－０．５Ｆｅ－０．３Ｓｉ，其 基 体 化 学 成 分 （质 量 分 数 ）为： Ｔｉ（８５．８％ ～ ９１．１％），Ａｌ （５．５％ ～ ７．０％）， Ｍｏ （２．０％～３．０％），Ｃｒ （０．８％ ～ ２．３％）， Ｆｅ（０．５％～１．５％），Ｓｉ（余 量 ）．试 验 所 用 ＴＣ６ 钛 合金的机械力学及物理性能为：拉伸强度９８０ ＭＰａ， 断 面 收 缩 率 ３４％，表 面 硬 度 ＨＢ３５５，导 热 系 数 （２０°Ｃ）５．４４ Ｗ／（ｍ · Ｋ），密 度 （２０°Ｃ）４．４５ ｇ／ｃｍ３．图１所示为 ＴＣ６钛合金的金相组织图，其中 白色部分为α 相，黑色部分为β相．由图可见，β相所 占 比 例 较 大 ，材 料 趋 于 难 加 工 性 ．
图 １ ＴＣ６ 钛 合 金 金 相 组 织 图 Ｆｉｇ．１ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ＴＣ６
采 用 德 国 ＤＭＵ７０Ｖ 型 加 工 中 心 进 行 铣 削 试 验 ．试 验 中 选 用 物 理 气 相 沉 积 （Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐ－ ｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＶＤ）涂层 （ＴｉＮ＋ＴｉＡｌＮ）硬 质 合 金 刀 具 和 化学气 相 沉 积 （Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ） 涂层（ＴｉＮ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＣＮ）硬 质 合 金 刀 具 进 行 切 削 加工，所用刀具的几何参数均为：前角 １０°、后角 ７°、 主偏角９５°、刀 尖 圆 弧 半 径 ０．８ ｍｍ．图 ２ 所 示 为 铣 削 所 用 刀 片 ．铣 削 方 式 为 顺 铣 ，选 取 试 验 优 化 的 铣 削 参数：切削速度ｖｃ＝５０ ｍ／ｍｉｎ，刀 具 进 给 量 ｆ＝０．１ ｍｍ／ｚ，切削深度ａｐ＝１ ｍｍ，取 磨 钝 标 准 ＶＢ＝０．２ ｍｍ 进行铣削试验，试验过程中均不使用切削液．
（上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 ２００２４０）
摘 要：通过物理气相沉积（ＰＶＤ）和 化 学 气 相 沉 积 （ＣＶＤ）涂 层 硬 质 合 金 刀 具 对α＋β 相 钛 合 金 ＴＣ６进行高速铣削加工，研究了 ＰＶＤ 与 ＣＶＤ 刀 具 在 铣 削 ＴＣ６ 钛 合 金 过 程 中 的 刀 具 磨 损 形 态 和 磨损机理．结果表明：在相同的切削条件下，ＰＶＤ 涂层刀具后刀面磨损量更小，刀具 寿命更长，更 适 合 ＴＣ６钛合金的加工．其前刀面主要发生黏结磨损和氧化磨损，后刀面则为边界 磨损，由 于前刀 面 黏结磨损和后刀面边界磨损对切削刃的 弱 化 作 用，使 得 主 切 削 刃 发 生 了 微 崩 刃．ＣＶＤ 涂 层 刀 具 寿 命 较 短 ，其 前 刀 面 主 要 发 生 初 期 微 崩 刃 和 随 之 而 来 的 月 牙 洼 磨 损 以 及 黏 结 磨 损 ；后 刀 面 则 为 磨 粒 磨 损 ，失 效 形 式 为 涂 层 剥 落 ． 关 键 词 ：ＴＣ６ 钛 合 金 ；高 速 铣 削 ；涂 层 刀 具 ；磨 损 机 理 中 图 分 类 号 ：ＴＧ ５０１；ＴＧ ７１４ 文 献 标 志 码 ：Ａ
ＴＣ６钛合金 在 室 温 下 具 有 较 高 的 拉 伸 强 度 和 屈服强度（σｂ≈９８０ ＭＰａ，σｓ≈８４０ ＭＰａ），表 面 硬 度 值为３２０～３６０ ＨＢ，由 于 组 织 中β 相 钛 合 金 的 含 量 较高，具 有 较 高 的 强 度 和 硬 度，故 与 α 型 钛 合 金 ＴＡ１５和α＋β相钛合金 ＴＣ４相比，其切削加工性更 差，刀具磨 损 更 厉 害．ＴＣ６ 钛 合 金 在 切 削 时 切 屑 与 前刀面的接触长度短（常为钢的 １／２～２／３），导 热 系 数小且摩擦系数大，导 致 切 削 过 程 中 大 量 切 削 热 集 中 在 刀 具 切 削 刃 上 ，致 使 切 削 刃 温 度 大 幅 度 增 高 ，刀 具磨损加剧，寿 命 缩 短．切 削 ＴＣ６ 钛 合 金 时 刀 具 主 要 以 黏 结 磨 损 、氧 化 磨 损 和 扩 散 磨 损 为 主 ，其 中 扩 散 磨损对刀具前刀面 磨 损 起 关 键 作 用．由 于 切 削 区 温 度很高，钛合金中的 Ｔｉ极易与空气中的 Ｈ、Ｏ 和 Ｎ 发 生 化 学 反 应 形 成 脆 性 层 ，降 低 材 料 的 塑 性 ，促 使 刀 具 磨 损 加 剧 ．因 此 ，实 际 加 工 中 常 采 用 高 速 切 削 和 涂 层刀具进行 ＴＣ６的切削加工，以提高加工效率和降 低刀具磨损．
第４６卷 第７期 ２０１２ 年 ７ 月
上海交通大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
文 章 编 号 ：１００６－２４６７（２０１２）０７－１０３７－０６
Ｖｏｌ．４６ Ｎｏ．７ Ｊｕபைடு நூலகம்．２０１２
高速铣削 ＴＣ６钛合金的刀具磨损机理
徐锦泱， 郑小虎， 安庆龙， 陈 明
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＰＶＤ ａｎｄ ＣＶＤ ｃｏａｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｔｏｏｌｓ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｏｆα＋βｐｈａｓｅ ｔｉｔａｎｉ－ ｕｍ ａｌｌｏｙ ＴＣ６．Ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｗｅａｒ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ＰＶＤ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌ ｏｂｔａｉｎｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｏｏｌ ｆｌａｎｋ ｗｅａｒ，ｌｏｎｇｅｒ ｔｏｏｌ ｌｉｆｅ，ａｎｄ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍｉｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌ－ ｌｏｙ ＴＣ６ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ＣＶＤ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒａｋｅ ｆａｃｅ ｏｆ ＰＶＤ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌ ｍａｉｎｌｙ ｓｕｆｆｅｒｓ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｗｅａｒ ａｎｄ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｗｅａｒ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｆｌａｎｋ ｆａｃｅ ｓｕｆｆｅｒｓ ｂｏｒｄｅｒ ｗｅａｒ．Ｍｉｃｒｏ ｃｈｉｐ－ ｐｉｎｇ ｉｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｏｏｌ ｆａｉｌｕｒｅ ａｓｃｒｉｂｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｗｅａｒ ａｎｄ ｂｏｒｄｅｒ ｗｅａｒ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅ．Ｉｎ ｃｏｎｔｒａｓｔ，ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｌｉｆｅ ｏｆ ＣＶＤ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌ ｉｓ ｓｈｏｒｔｅｒ；ｉｔｓ ｒａｋｅ ｆａｃｅ ｍａｉｎｌｙ ｓｕｆｆｅｒｓ ｅａｒｌｙ ｍｉｃｒｏ－ｃｈｉｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｃｒａｔｅｒ ｗｅａｒ ａｎｄ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｗｅａｒ ｗｈｉｌｅ ｉｔｓ ｆｌａｎｋ ｆａｃｅ ｓｕｆｆｅｒｓ ａｂｒａ－ ｓｉｖｅ ｗｅａｒ．Ｃｏａｔｉｎｇ ｐｅｅｌｉｎｇ ｉｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｏｏｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｒ ＣＶＤ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ＴＣ６；ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ；ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌｓ；ｗｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
钛 合 金 具 有 比 强 度 高 、耐 腐 蚀 性 好 、耐 高 温 等 优 点 ，其 优 越 性 能 在 各 行 各 业 中 获 得 了 广 泛 应 用 ．ＴＣ６ 钛合金 是 一 种 新 型 两 相 热 强 钛 合 金，名 义 成 分 为
Ｔｉ－６Ａｌ－１．５Ｃｒ－２．５Ｍｏ－０．５Ｆｅ－０．３Ｓｉ．其 中，Ａｌ、Ｃｒ元 素在合金中主要 起 固 溶 强 化 作 用，通 过 强 化α 相 使 合金获得相应的高 温 持 久 和 蠕 变 强 度；而 含 有 的 适
Ｗｅａｒ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｔｏｏｌ ｉｎ Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｍｉｌｌｉｎｇ ｏｆ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ ＴＣ６
ＸＵ Ｊｉｎ－ｙａｎｇ， ＺＨＥＮＧ Ｘｉａｏ－ｈｕ， ＡＮ Ｑｉｎｇ－ｌｏｎｇ， ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
试验中采 用 Ｎｉｋｏｎ 显 微 镜 观 察 刀 具 的 刃 口 形 貌，刀具前、后刀面 的 磨 损 形 态，并 通 过 自 行 开 发 的 软件测量刀具后 刀 面 磨 损 量．同 时，通 过 ＫＩＳＴＬＥＲ 四向压电式测力仪测量刀具磨损过程中的铣削力变 化情 况，以 辅 助 分 析 刀 具 的 磨 损 机 理．最 后，使 用 Ｓ１５０ＳＥＭ 扫描电 镜 和 ＥＤＸ 能 谱 分 析 仪 完 成 刀 具 的 金 相 组 织 研 究 、化 学 成 分 分 析 以 及 磨 损 机 理 研 究 ．
陈 明 （联 系 人 ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，电 话 （Ｔｅｌ．）：０２１－３４２０６３１７；Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｃｈｅｎ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
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上 海 交 通 大 学 学 报
第 ４６ 卷
当β相稳定元素 Ｍｏ，则可以提高材料的室温和高温 拉伸强度，增 加 合 金 的 热 稳 定 性．ＴＣ６ 钛 合 金 由 于 在高温下具有优异耐腐蚀和抗断裂性能而被用于制 造 军 用 飞 机 的 发 动 机 叶 片 、涡 轮 盘 等 重 要 部 件 ，也 可 以用于制造飞机的隔框、接头等零件 ． ［１－２］