2. 沈阳理工大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110159
2. School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China
钛合金低温性能好, 强度高, 在航空航天领域应用广泛;但切削时高的切削温度、较大回弹量及强化学活性, 使钛合金成为难加工材料.目前, 常采用车削方法加工钛合金回转体, 但断屑困难, 黏结磨损比较严重[1-6].车铣技术能有效解决切屑的断屑问题, 但国内外关于车铣加工钛合金刀具的磨损形态及机理的资料不多, 为了延长S30T硬质合金刀具正交车铣钛合金时刀具使用寿命、减小刀具磨损及推广车铣加工技术在钛合金加工中的应用, 有必要对其正交车铣钛合金时刀具的磨损形态和磨损机理进行研究.
1 切削试验切削试验选用的工件材料为TC4钛合金, 棒料, 直径为168.7 mm.
机床:Integrex 200Y车铣复合加工中心;刀具:山特维克直柄圆柱可转位铣刀杆R390-025A25-11L, 刀片为涂层刀片S30T, 型号为R390-11 T308M-PL, PVD涂层, 具有锋利的切削刃.
试验过程中保持不变的参数有:轴向进给量fa=9.8 mm/r, 每齿进给量fz=0.1 mm/z, 偏心距e=11 mm, 切削深度ap=0.4 mm.试验条件为干式顺铣正交车铣切削, 切削速度分别为100, 150, 200和250 m/min.
2 试验结果与分析 2.1 切削速度对刀具寿命的影响图 1为不同切削速度下刀具后刀面磨损曲线.可以看出, 随着切削速度的增大, 刀具磨损速率迅速增大, 刀具寿命急剧下降.
图 2是在超景深三维显微系统中观察到的刀具磨损及破损形貌.
由图 2可以看出, 干式切削时, 在正常磨损阶段, 前刀面,特别是靠近刀尖圆弧处,有明显的黏结切屑, 在主切削刃和刀尖圆弧处,有积屑瘤产生, 前刀面产生明显的月牙洼磨损和涂层破损, 后刀面主要以黏结磨损为主.在急剧磨损阶段, 前刀面产生严重的涂层剥落, 后刀面黏结物明显增多, 黏结磨损加剧.
2.3 刀具磨损及破损机理 2.3.1 黏结磨损初期磨损阶段, 由于涂层刀具良好的耐磨性和抗黏结性, 刀具材质和工件材料亲和性较小, 因此减小了刀具和工件间黏吸作用, 切屑黏结物较少.正常磨损阶段, 由于高温的作用, 在切屑与刀具界面上, 涂层表面的一些Al元素和空气中的O元素发生氧化反应, 生成非结晶的Al2O3薄膜, 使刀具在高温下保持了较高的工作温度和硬度、化学稳定性和抗黏结性能;但随着切削继续, 不断流出的切屑逐渐擦去刀具表面的氧化膜和吸附膜, 使刀具与切屑间的冷焊面积逐渐增大, 并由于钛合金亲和力强, 在摩擦和高温高压作用下, 切屑底层金属停滞和积聚在刃口附近, 形成积屑瘤.如图 2a和2c所示, 随着切削继续, 由于磨粒磨损的作用, 刀具后刀面与工件和切屑不断摩擦和挤压, 在刀具后刀面形成一定宽度的磨损带, 切屑流出时, 切屑底层金属黏结在切削刃口处, 黏结物的体积不断增大, 在切削力作用下从刀具表面脱落, 并从表面撕下刀具材料并带走, 形成黏结凹坑, 黏结物在断续切削过程中不断脱落且又重新形成, 从而加剧刀具磨损.
在扫描电镜下对黏结物作能谱分析, 见图 3.能谱显示,表面主要元素为Ti, Al及V等工件材料元素, 证明黏结物来自钛合金工件.
氧化磨损是刀具磨损的重要原因, 但关于刀具氧化磨损的深入研究并不多, 徐锦泱等[7]在研究钛合金氧化磨损时, 主要通过刀具能谱(EDS)分析, 根据能谱图中氧元素判断切削过程中是否存在氧化磨损.李友生等[8]利用电阻炉对硬质合金刀片加热保温, 通过衍射谱(XRD)对硬质合金刀具在不同温度场下的氧化性进行研究, 但刀具所处条件并不是真实的切削加工条件.
本文通过X射线电子能谱(XPS)对顺铣干切削, v=150 m/min车铣加工过的刀片进行表面元素分析.由刀具破检获知涂层主要元素为N, Al, Ti, 基体主要元素为W, Co, Ti;根据涂层及基体含有的元素, 对主要元素进行全谱和精细谱扫描, 对主要谱线分峰处理.图 4为主要元素分峰处理后的电子能谱图.
根据元素的单质态及氧化态结合能不同, 通过分析可知, 正交车铣切削钛合金TC4过程中, 有TiO2, Al2O3, CoO等物质生成.刀具材料或黏结物中Ti元素在切削高温作用下与空气中O元素反应, 生成TiO2, 其使刀具表面材料变脆, 刀体材料更易脱落.Al2O3化学稳定性好, 具有抗氧化性能, 生成的氧化薄膜覆盖在刀具表面, 对刀具有一定的保护作用, 但脱落后会加速刀具磨损.Co为硬质合金基体材料的黏结剂, 在电子能谱图中检测到Co和CoO, 说明电子扫描区域硬质合金涂层已经被严重破坏, 硬质合金基体裸露出来.由于刀具在加工过程中被污染, 在扫描前应用氩离子(Ar+)对表面进行溅射剥离, 导致高价态的氧化物,如Co3O4等,被还原为低价态的氧化物CoO等, 因此, 刀具磨损区域只检测到Co和CoO, 没有Co3O4.CoO或Co3O4是一种组织疏松的氧化物, 改变了刀具材料表面成分和性能, 使其中的硬质相颗粒易于被切屑或工件摩擦破坏掉并粘走, 从而加剧刀具磨损.由以上分析可知, 涂层硬质合金正交车铣TC4钛合金过程中, 有氧化反应发生, 在高温下生成不同的氧化物, 对刀具磨损产生重要影响.
2.3.3 涂层剥落干式切削时, 在刃口附近,特别是靠近刀尖圆弧处, 出现轻微的涂层磨损, 继续切削, 磨损扩展.图 5为切削速度为200 m/min干式切削时涂层剥落的发展过程.试验中切削深度小于刀尖圆弧半径, 刃口圆弧和副切削刃或底刃承担主要的切削工作, 受到的冲击、挤压和剪切作用最大, 从图中看出, 早期的涂层磨损从刀尖圆弧切削刃口及副切削刃开始, 逐渐在刀具前刀面上形成月牙洼磨损, 随着月牙洼逐渐向前、向后的扩大, 当其前缘与切削刃之间的棱边很窄时, 切削刃强度降低, 导致刃口破损, 刃口破损降低了涂层与基体材料的结合强度.刃口破损使切削刃变钝, 增加了刀具与工件之间的摩擦与挤压, 切削过程产生更多的热量, 切削区的切削温度升高, 破损的刃口区域产生微裂纹, 使破损沿着副切削刃方向和前刀面方向扩展, 形成更大面积的破损.
1) 干式切削时前刀面产生积屑瘤和月牙洼磨损, 涂层出现不同程度磨损及破损, 严重时产生层片状剥落, 后刀面由于黏结作用产生凹坑、沟槽及崩刃.
2) 刀具磨损的主要原因为黏结磨损、氧化磨损和涂层剥落.
3) 通过电子能谱(XPS)精细谱图分析, 证明正交车铣加工钛合金过程中发生了氧化反应, 生成TiO2, Al2O3, CoO或Co3O4等氧化物.不同的氧化物对刀具磨损的影响不同.
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