（机械制造及其自动化专业论文）超硬材料刀具高速铣削钛合金研究.pdf

r 一7 1 。j 。 j1-1 n a n j i n gu 1 1 i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h e ( h a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo fm e c h a i l i c a l 趾de l e c t r i c a le n 西n e 耐n g h i g hs p e e dm i l l i n go f t i t a n i u m a l l o yw i t h s u p e r h a r d t 0 0 l s a t h e s i si l l m e c h a l l i c a le n g i i l e e 血g b y f e n gs u l i l l g a 捌s e d b y p r o x uj i m m a s u b m i t t e di i lp 卸r t i a lf u l f i l l m e n t o fm er q u i r e m e n t s f 0 r 廿1 ed e 伊e eo f m a s t e ro fe n g i l l e e 血g j u n e ，2 0 1 0 i_， p。，i；j 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 冱盘硷 日 期：垫l 垒盔壶日垄日 j i r | 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 钛合金是一种难加工材料，如何提高钛合金加工效率的问题一直是航空航天业迫切需要解 决的难题。超硬刀具具有优良的性能，包括高硬度，高耐磨性；较低的热膨胀系数；良好的导 热性；较低的摩擦系数。本文重点研究超硬刀具高速铣削高强度钛合金1 a 1 5 时的切削力、切 削温度和刀具磨损等问题。 1 超硬刀具高速铣削钛合金切削力研究 建立了可转位铣刀的力学模型，通过正交实验得到了p c d 和p c b n 刀具各切削参数影响切 削力的回归公式。研究了切削用量、刀具磨损以及两类超硬材料刀具对高速铣削钛合金时铣削 力的影响。 2 超硬刀具高速铣削钛合金切削温度研究 采用夹丝热电偶测温方法对钛合金铣削温度进行了测量，建立了p c d 和p c b n 刀具高速铣 削钛合金时切削温度的经验公式。并研究了各切削用量、刀具磨损以及两类超硬材料刀具对高 速铣削钛合金时切削温度的影响。 3 超硬刀具高速铣削钛合金刀具磨损研究 对切削用量与刀具寿命的关系进行了研究，建立了p c d 刀具寿命的经验公式。采用扫描电 镜和能谱仪对刀具的损伤形态进行了分析，并探讨了超硬刀具高速铣削钛合金时刀具损伤机理。 关键词：p c d ，p c b n ，钛合金，刀具磨损，切削温度，切削力 超硬材料刀具高速铣削钛合金 a b s t l a c t t i t a 】匝啪a l l o y sh a v ef 0 衄dm o 陀a n dm o 他a p p l i c 撕o mi nm 觚yi i l d l l s t r i “丘e l d sb e c 卸o f 也e i r e x c e u e mp r o p 硎e s h 们佗v i t i t a n i 啪a l l o yi sw e u 虹o w n 笛ad i 伍c u l t - t 0 - 玎1 a c h i n em a t e r i a l h o wt o i q ，v ei t sm a c h i n i n ge 伍c i e n c yi s 翟 t m tt os o l 、r e s u p 盱h a r dt o o l sa g e r 旧r a l l yu s e df 研m a c h i n 堍 h 砌c ra 1 1 0 ) ，s 蛐c h 雒h a 】池鹏dh i g hc r s 钯e l s ，恤“u m a n dn i c k e la l l o y s m t o o l s 玳e 冲e c 硼t 0a c t w e nw h 饥m 幽j n gi nh i g hs p e e d 加i i l l i l l gb e c 眦o f 位i rh i g l lh a r 血e s s ，l o wm 咖a lc d u 嘶、殖t ) r a n dt l l 豇m a le x p a n s i o nc o e 伍c i e n t i l lt h i sp a p e r 鼠咀圮m s e a r c h e sw e 他c 枷e do u to nt h e 如n i a m e n t a l a s p e c t so fh i g hs p dm m i n go ft i t a l l i 啪a l l o y s 谢也跚p e f h a r dt 0 0 l s ，s u c h 勰c 删缸gf o r c e ，c u t t i n g 脚豇姗，t o o lw e a r 1 c u 劬唱蠡批ei nh i 啦s p dm m i n go f6 t a l l i u ma l l o yw i t l ls 叩e r h a r d 白d 0 l s t h ec u 劬昭f o r c em o d e lo fi i l d e x a b l el n i l l i i 唱c 删盯w 鹪骼t a ，b l i s h e dt h e r e l a 缸。璐b 酏孵饥c u t t i n g f o r c ea n d l i u i l l gp 缸赳n t e 璐，t 1w e a r a n dd i 筇舢t 咖lm a 钯d a l sw e 咒i n v e s 廿g 曲e d1 1 e s p e c t i v e l y 2 g t e i 印e m t u r e i n l l i g t ls p e e d i i l j m 唱o f 缸妇a j l o y 喇t l l 则埘h a r d t o o l s c u t 6 i l g 呻e m t i l 他w 笛m e 嬲u r e db yac o l 蚓c a | 1 t a n 娟咖i e c et h e r m a lc o u p l e t h ee 仃e c t so f c u 蜘咀gp 啪e t e 巧，t 0 0 1w e 觚锄dd i 任e r e n ts u p 豇h a r dt o o lm a t c l i a l so nt h e 加m i n gt e m 耻嬲l u w e 肌s 6 9 a t t 泣b e s “l c s ，t h e 唧i r i c a le q u 撕。璐o f c l l t t i 】唱t e m p e 舭w 啪e 北l b j b s h e 也 3 1 o o l w e 缸 0 n h 0 9 0 n a l 锄ds i i l g l e 缸t o r 【p 豇i i i l e 鹏w e 他c a i r i e do u tt oi n v e s 缸g a t ct l l er e l a ：t i sb l 舰锄t 0 0 l l i f e 锄dc u t 6 n gp a 脚m e t e 硌皿圮e 妇f e c t so fd i 肫瑚tt lm a t i 嘶a l s t o o ll 王国眦a l s os t u d i e d a n d t h e 唧i r i c a le q u a l i o fp c dt o o ll 流w 触e 北i b i l i s h e 正1 抽1w e 盯m e c h a n i s mw 鹤蛆a 陋db y 柚n i n ge l e c 仃0 nm i c m o p e ( s e m ) 孤d c 1 1 9 ) rd i j ；p e 培i v es p e c 呐s c o p y d s ) x e 川o r d s ：p c d ，p c b n ，t i t a n i u m t 0 0 1w e 碣c u 缸昭钯q 崩锄u ，饥蚰1 9f 0 鹏 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 钛合金材料的特性及其应用1 1 1 1 钛合金的主要物理力学性能j1 1 1 2 钛合金的切削加工特性l 1 2 高速切削技术概述2 1 3 超硬刀具的性能特点3 1 3 1p c d 材料的特性4 1 3 2p c b n 材料的特性4 1 4 高速切削钛合金研究现状。5 1 4 1 关于切削力和切削温度的研究。5 1 4 2 关于刀具寿命和刀具磨损的研究。6 1 4 3 关于加工表面完整性的研究。7 1 5 本课题研究目的与意义。8 1 6 本课题拟开展的主要工作8 第二章高速铣削钛合金切削力研究9 2 1 可转位立铣刀铣削力理论模型9 2 2 试验方案及条件1 2 2 2 1 试验主要设备及仪器1 2 2 2 2 试验方案1 6 2 2 2 1 正交实验设计1 7 2 2 2 2 单因素实验设计1 7 2 3 可转位铣刀铣削试验研究1 8 2 3 1 正交试验结果与分析1 8 2 3 2 铣削用量与切削力的关系1 9 2 3 3 刀具磨损对切削力的影响2 l 2 3 4 刀具材料对切削力的影响。2 2 2 4 本章小结2 3 第三章高速铣削钛合金切削温度研究2 4 3 1 试验方案及条件2 4 3 2 夹丝热电偶测温方法及其标定2 4 3 3 典型温度信号及其物理意义2 5 3 4 正交试验结果及分析。2 6 3 5 切削用量与铣削温度的关系2 8 m 超硬材料刀具高速铣削钛合金 3 5 1 切削速度对铣削温度的影响2 8 3 5 2 每齿进给量对铣削温度的影响2 8 3 5 3 径向切深对铣削温度的影响2 9 3 6 刀具磨损对切削温度的影响：2 9 3 7 刀具材料对切削温度的影响3 0 3 8 本章小结3 1 第四章高速铣削钛合金刀具磨损研究3 2 4 1 试验方案及条件3 2 4 1 1 试验主要设备及仪器3 2 -1ij1j|j 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 七种典型工件材料的高速切削速度范围。3 图2 1 可转位铣刀刀体。9 图2 2 可转位铣刀铣削示意图1 0 图2 - 3 铣削力分解示意图1 2 图2 4m 泌o nu c p 7 1 0 五坐标加工中心1 3 图2 5 飚s n e r 测力仪及电荷放大器1 3 图2 6 铣削力测量系统1 3 图2 7 k 锄锄e t a lp c d 与硬质合金刀具刀具磨损图1 4 图2 8 磁t a lp c d 前刀面磨损形态1 5 图2 9s e ( 、op c d 2 0 前刀面磨损形态1 5 图2 1 0s e c op c d 0 5 后刀面磨损形态1 5 图2 1 1 元素六p c d 前刀面磨损形态1 5 图2 1 2 典型的铣削力信号图1 9 图2 1 3 切削速度与铣削力关系。2 0 图2 1 4 每齿进给量与铣削力关系。2 1 图2 1 5 径向切深与铣削力关系2 l 图2 1 6 铣削力与后刀面磨损v b 的关系2 2 图2 1 7 不同刀具材料后刀面磨损与铣削力的关系2 3 图3 1 夹丝半人工热电偶测温示意图2 5 图3 2p c d 刀具铣削1 a 1 5 时的切削温度衄线( 5 0 n 妇1 i n ，干切削) 2 6 图3 3 切削速度与铣削温度关系2 8 图3 4 每齿进给量与铣削温度关系2 8 图3 5 径向切深与铣削温度关系2 9 图3 6 铣削温度与后刀面磨损v b 的关系3 0 图3 7 不同刀具材料切削速度与铣削温度的关系3 0 图4 1p c d 刀具各切削速度下刀具磨损曲线。3 4 图4 2p c d 和p c b n 刀具寿命的对比3 5 图4 3 刀具前后刀面磨损形态3 7 图4 4p c d 刀具后刀面微崩刃3 7 图4 5p c b n 刀具前刀面微崩刃3 7 图4 6p c b n 刀具后刀面层片状剥落3 8 图4 7 刀具后刀面磨损3 8 图4 8p c d 刀具后刀面磨损3 9 v 超硬材料刀具高速铣削钛合金 图4 9p c b n 刀具后刀面磨损3 9 图4 1 0p c d 刀具前刀面磨粒磨损4 0 图4 1 1p c d 刀具后刀面粘结状态4 1 图4 1 2p c b n 刀具后刀面粘结状态4 2 图4 1 3 两种刀具后刀面上元素的能谱分析( 未浸蚀) 4 3 图4 1 4 刀具后刀面上粘结撕裂磨损4 3 图4 1 5p c d 刀具后刀面磨损形貌4 4 图4 1 6p c d 刀具能谱分析。4 4 图4 1 7p c d 刀具一工件接触区元素扩散示意图k 。4 5 图4 1 8p c b n 刀具后刀面磨损形态4 6 图4 1 9p c 日i n 刀具能谱分析4 6 图4 2 0p c b n 刀具一工件接触区元素扩散示意图4 7 表清单 表1 1p c d 和p c b n 材料与硬质合金材料的性能比划5 1 3 表2 1 刀体的规格( 单位：姗) 1 0 表2 2 硒s c r9 2 6 5 b 动态测力仪主要性能指标1 2 表2 3 试验用刀具材料1 3 表2 4 试验用铣刀片的几何参数1 6 表2 5 钛合金1 a 1 5 的化学成分1 6 表2 6 钛合金1 a 1 5 室温下的主要物理力学性能。1 6 表2 7 正交试验因素及其水平设置1 7 表2 8p c d 刀具铣削用量1 7 表2 9p c d 刀具铣削力正交试验表及结果1 8 表2 1 0p c b n 刀具铣削力正交试验表及结果1 8 表3 1p c d 刀具铣削温度正交试验表及结果2 7 表3 2p c b n 刀具铣削温度正交试验表及结果2 7 表4 1p c d 刀具磨损试验因素水平表3 3 表4 2p c d 刀具磨损正交试验表及结果分析3 3 表4 3 两类超硬刀具铣削1 - a 1 5 的刀具寿命对比表3 5 表4 4p c d 刀具不同位置的e d s 能谱分析( 训) 4 5 南京航空航天大学硕士学位论文 符号 f 只、毋、尼 只、r 、凡 ， 五 吻 口e r 护 f 彳。 口0 口w 厨 口 ；i r r 西 口o 占 fo c 主要符号表 中文注释 切削合力 工件参考系切削分力 沿刀具切向、径向和轴向分力 切削速度 每齿进给量 轴向切深 径向切深 刀具寿命 铣削温度 切削层的截面积 切削厚度 切削宽度 主偏角 瞬时接触角 切削弧区所对应的圆心角 剪切面上的剪应力 前刀面与切屑之间的摩擦角 剪切角 前角 后角 应变 剪切面温度 v 靴n n n枷一ii-i耐一一： 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 钛合金材料的特性及其应用 1 1 1 钛合金的主要物理力学性能 ( 1 ) 熔点高，为1 6 6 8 士1 0 。金属钛在8 8 2 时具有同素异型转变点t c ，在小于t c 的低温 侧，结晶组织具有密排六方晶格( 1 1 c p ) 的a 相，在高温下则为体心立方晶格( b c c ) 的卢相。 ( 2 ) 导热系数低，为8 7 9 1 2 9 8w 1 ( m ) 。 ( 3 ) 比热小，为5 4 5 5 8 6j ( k g ) ，与不锈钢相似。 ( 4 ) 线膨胀系数低，为8 5 1 0 - o 。 ( 5 ) 密度小，工业纯钛密度为4 5 0 7 士o 0 0 5 酢m ，仅为钢或不锈钢的6 0 左右。 ( 6 ) 强度高，工业纯钛的抗拉强度为2 “6 - 6 1 7 4 m p a ：钛合金的抗拉强度为6 8 每1 1 7 6 m p a ， 最高达1 7 “ 佃a 。 ( 7 ) 硬度较高，工业纯钛( 经加工) 的硬度为h b 2 0 0 - 2 9 5 ，钛合金( 退火处理) 的硬度为 h r c 3 2 3 8 。 ( 8 ) 弹性模量低，钛合金( 退火) 抗拉弹性模量为1 0 7 8 1 0 。1 1 7 6 1 0 。m p a ，约为钢和 不锈钢的一半。 ( 9 ) 高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持有效的机械性能，钛合金的耐热性 远高于铝合金，其工作温度范围较宽，目前先进耐热钛合金的工作温度可达5 5 0 击o o ；在低 温下，钛合金的强度反而比常温时增加，而且有良好的韧性，低温钛合金在2 5 3 时还能保持 良好的韧性。 ( 1 0 ) 耐腐蚀性能优良，钛对氧有极大的亲和力，在含氧的环境中能生成坚固的氧化物保 护膜，有优异的耐腐蚀性能。 另外，由于钛合金具有很高的强度，而其密度仅为钢的6 0 左右，所以钛合金具有很高的 比强度。钛合金相对于其他金属材料在比强度方面有很大的优越性。使用钛合金，可以在保证 强度的前提下使结构的重量减轻，这一特性对飞机制造业有重要的意义，推动了钛合金在航空 航天工业中的广泛应用。 1 1 2 钛合金的切削加工特性 ( 1 ) 钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，刀具应有较高的强度和硬度。 ( 2 ) 切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与4 5 钢相比，钛合金的切削力虽然只有其 2 3 3 4 ，可是钛合金切屑与前刀面的接触面积却更小，只有4 5 钢的l 2 2 3 ，所以刀具切削 l 超硬材料刀具高速铣削钛合金 刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容易磨损。 ( 3 ) 钛合金摩擦系数大，导热系数低，分别仅为铁和铝的l 4 和1 1 6 ；刀具与切屑的接触 长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而散发；这些因素使得钛合金的切削温度很高， 造成刀具磨损加快并影响加工质量。 ( 4 ) 由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和 工件变形。 ( 5 ) 钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成 硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损。 ( 6 ) 钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具 易于产生扩散磨损和粘结磨损【阉。 综上所述，作为一种物理力学性能优良的材料，钛合金在航空航天工业和其他工业部门有 广泛的应用前景，但是受到了加工效率和加工成本的制约。目前生产中钛合金切削加工效率还 比较低，硬质合金刀具推荐的切削速度约在4 0 6 0 妇l i n 。所以，提高加工效率和加工质量已 成为钛合金切削加工研究中重要的课题之一。 1 2 高速切削技术概述 高速切削加工技术是一种用比常规切削高得多的切削速度进行切削加工的高效新工艺技 术。高速切削加工可用于加工有色金属、铸铁、钢、纤维强化复合材料等，还可用于切削加工 各种难加工材料。高速切削技术是切削加工的发展方向，已成为切削加工的主流。 高速切削加工概念由德国的c a l l j s 2 l l o 咖博士首先提出。从1 9 2 4 年至1 9 3 1 年，他在大 量铣削试验的基础上，提出切削温度随着切削速度的提高而升高，直到在某一速度值上切削温 度达到峰值，此时的切削速度称为临界速度。超过临界速度后，切削温度反而随切削速度的提 高而下降。s a l o m 博士提出在临界切削速度两侧存在一个切削速度范围，在此范围内，由于 切削温度过高而不适于进行切削加工，这一范围被称为“死谷”( v i l l l e yo f d l h ) 。根据这一理 论，如果切削速度可以越过“死谷一，则可以在比常规切削速度高出很多的超高速区域进行切削 加工，即在切削温度的下降区域进行切削r 7 l 。 各国对高速切削的速度范围迄今为止尚未作出明确统一的规定，但是通常切削速度比常规 高出5 1 0 倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。目前，人们根据切削线速度、主轴转 速、机床d n 值( 主轴轴承孔径d 与最大转速n 的乘积) 等各种不同的标准来划分高速切削的 速度范围。高速切削不能简单地用某一具体的切削速度值来定义，对于不同的工件材料，其高 速切削的速度范围是不同的。考虑到目前的生产实际，不同工件材料切削速度范围的划分如图 1 1 所示。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 纤维强化 塑料 侈多哆跃殳父受怒述萏冯 铭【似乃吱q q q q q q a 黄铜夕夕多夕乡夕伙x x x x 渊 铸铁 畛乡夕乡夕夕纠蜀西萏玟父鲥 锎 杉( 杉萏萏拣舀5 5 萏舀 钬 匕哆乡p o 圣圣圣圣圣圣圣d 镍合金 驴z 杉杉釜釜釜圣圣圣圣圣圣翻 匿薹豳 高 速切削 区匿薹勿 过渡区 图1 1 七种典型工件材料的高速切削速度范围 o m 脚匝n ) 高速切削与常规切削加工相比，其优点主要表现在一下几个方面n l o 】： ( 1 ) 材料切除率高： ( 2 ) 切削力低； ( 3 ) 减少热变形； ( 4 ) 加工效率高； ( 5 ) 实现高精度加工； ( 6 ) 增加机床结构稳定性： ( 7 ) 良好的技术经济效益。 高速加工由于上述优异特点，已应用于航空工业轻合金的加工，模具制造业，汽车工业等。 1 3 超硬刀具的性能特点 表1 1p c d 和p c b n 材料与硬质合金刀具材料的性能比较嗍 超硬材料刀具主要是指金刚石和立方氮化硼刀具，以人造聚晶金刚石( p o l 烨t a l l m d i 锄d ，简称p c d ) 和聚晶立方氮化硼( p o l y c 口s t a l l h 他c u b i cb 鲫吼n i t r i d e ，简称p c b n ) 刀 3 超硬材料刀具高速铣削钛合金 具的应用最为广泛。p c d 和p c b n 材料有良好的物理性能和切削性能，见表1 1 。 1 3 1p c d 材料的特性 ( 1 ) 极高的硬度及寿命：人造聚晶金刚石( p c d ) 的硬度很高，仅次于天然金刚石，是目 前世界上人工合成的最硬物质，其硬度是硬质合金材料硬度的3 4 倍；在加工铝硅合金时，人 造聚晶金刚石刀具的使用寿命是硬质合金刀具的2 啦! 0 0 倍。 ( 2 ) 很低的摩擦系数：p c d 金刚石刀具非常适合加工铝合金、镁合金等有色金属，它与有 色金属的摩擦系数低于o - 3 ( 约为硬质合金的一半) ，这对切屑的顺利排出、杜绝积屑瘤的产生、 降低切削力和切削热非常有利： ( 3 ) 非常锋利的刀刃：根据不同的工艺要求，p c d 金刚石刀具的刃面粗糙度一般在 r z 3 4 “0 弘m 左右，如有特殊要求，可经过表面抛光研磨处理至r z l 7 2 1 i i l m ，刀刃钝圆半径可 达0 0 1 i i 肛n 以下。 ( 4 ) 优异的导热性：p c d 刀具的导热性略低于天然金刚石，约为硬质合金的3 5 倍，这有 利于降低刀尖部分的温度，提高刀具的使用寿命。 ( 5 ) 低的热膨胀系数：p c d 刀具的热膨胀系数约为硬质合金的l 4 。因此，p c d 金刚石刀 具的热稳定性非常好，能长时间保持刀具的尺寸精度和锋利性。 金刚石刀具具有的上述特性可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率，而这些特性 是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个 碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从 而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石口c d ) 的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体， 虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于p c d 烧结体表现为各向同性， 因此不易沿单一解理面裂开。 1 3 2p c b n 材料的特性 ( 1 ) 很高的硬度及耐磨性能 聚晶立方氮化硼口c b 】叼是高温高压人工合成的另一种超硬刀具材料，其硬度略低于聚晶金 刚石口c d ) 。在加工淬硬钢时，其刀具耐用度是硬质合金的1 0 5 0 倍左右，切削速率可提高2 倍以上。 ( 2 ) 优良的热稳定性和化学稳定性 p c b n 的耐热温度可达1 4 0 0 左右，比金刚石的耐热温度7 0 0 高一倍。在1 2 0 0 时也不 与铁基材料起化学反应。与碳在2 0 0 0 时才发生反应；在中性、还原性的气体中，对酸碱都是 稳定的。其对各种材料的粘结扩散作用比硬质合金小得多。 ( 3 ) 良好的导热性 4 南京航空航天大学硕士学位论文 p c b n 的导热性低于金刚石，但比硬质合金高很多，并且随着切削温度的提高，它的导热 系数还会提高。 ( 4 ) 较低的摩擦系数 p c b n 与淬硬钢之间的摩擦系数约为硬质合金与淬硬钢之间摩擦系数的1 2 【1 1 t 1 扪。 刀具材料对刀具磨损、加工效率、加工质量和加工成本有很大影响。选择切削性能优异的 刀具材料是解决钛合金铣削工艺最有效的措施，因此优选刀具材料至关重要。超硬材料刀具虽 然有很多优点，但其韧性不足，易出现崩刃。这一缺点需要通过选用合适的试验条件来避免出 现崩刃现象。 1 4 高速切削钛合金研究现状 随着钛合金应用的日益广泛，钛合金难加工的问题逐渐显现出来。目前加工钛合金材料主 要采用硬质合金刀具，实际生产中加工钛合金的切削速度多在4 0 6 0 n 炯i n ，加工效率低【”1 4 1 。 采用超硬刀具高速加工钛合金具有加工速度快、刀具寿命长等优点。超硬刀具高速切削是目前 能够高效可靠地解决这一问题的最经济的加工手段。 1 4 1 关于切削力和切削温度的研究 n 矾n a h 对车削和铣削t i 6 4 v 合金的切削力和切削温度进行了比较全面的研究。试验表 明，在2 0 2 0 0 n 妇血的切削速度范围内，车削t i _ 6 舢4 v 的切削力随速度升高而基本保持不变， 其大小约为同样条件下车4 5 钢的7 0 。在车削温度方面，t i - 6 舢4 v 的车削温度在7 0 0 以上。 当切削速度达到3 0 0 m m i n 时，车削温度超过1 0 0 0 。相对于钛合金较低的切削力，可见较高 的切削温度是导致钛合金难于进行切削加工的主要原因【1 5 l 。南京航空航天大学的李亮等人对 t i - 6 舢季v 钛合金的铣削温度进行了研究，对夹丝热电偶的测温原理进行了阐述，并通过对温度 信号和切削力信号的比较，揭示了铣削过程中切削温度峰值相对于切削力峰值的滞后现象，试 验在1 0 0 8 0 0 n 妇l i n 的速度范围内测量了刀刃温度和工件表面温度的变化，未发现随切削速度 提高，切削温度的升高趋缓的现象【幡嘲。 印度学者z 0 对1 9 】采用p c b n 刀具对q + b 相钛合金进行了高速车削试验，采用醯t l 盯三向 动态测力仪测量切削力，红外法测温。研究表明：p c b n 刀具在v f l 8 5 2 8 0 l l 妇l i n 、产0 0 5 删叽r 、 口。= 0 5 衄下切削力合力的变化。切削力的变化都是遵循先减小再增大的趋势。这是由于，在切 削初始阶段，刀具刚刚接触工件表面切削，刀具一工件还处于磨合阶段，此时切削力比较大； 当切削一段时间后，刀具磨损趋于平稳，切削力下降；进一步切削，切削力开始增加，并且随 着切削时间的增加，切削力急剧增加，直到刀具达到磨钝标准，此时属于刀具急剧磨损阶段。 而硬质合金刀具切削时不存在切削力下降的过程。山东大学刘战强【2 0 】等采用p c b n 刀具高速铣 削t c 4 也得到同样的趋势。日本学者e 加伊m 等采用不同规格的c b n 刀具对钛合金t c 4 进行 5 超硬材料刀具高速铣削钛合金 了高速车削试验，与硬质合金刀具比较，采用p c b n 刀具能稍减小切削力【2 。z o y a 还测得p c b n 刀具在v f l 8 5 2 8 0 i 】加i n 、户o 0 5 删n ，r 、a p = o 5 衄下切削温度的变化均不明显直至刀具剧烈磨 损阶段。且不同切削速度下临界温度均为7 0 0 。c ，在此温度以上刀具切削性能下降。但n a b h 觚i 【2 1 l 采用压痕试验法得到的p c b n 刀具粘结磨损产生的临界温度9 0 0 0 c 。7 0 0 0 c 时刀具的稳定切削 阶段结束，可以作为刀具的磨钝标准。 1 4 2 关于刀具寿命和刀具磨损的研究 关于硬质合金高速切削钛合金时刀具磨损机理和寿命方面已进行了比较多的研究。 m n o u 撕和a g i n 6 n g 瞄】对c v d 复合涂层和未涂层硬质合金刀具在干切削条件下端铣钛合金 时的刀具磨损机理和刀具寿命进行了试验和理论分析，认为刀具的磨损机理包括两个方面：一 方面是由工件材料在刀具表面的粘结和撕裂所导致的机械磨损，另一方面则是由于较高的切削 温度所导致的刀具材料与工件材料之间的扩散磨损。并发现当后刀面磨损达到o 3 衄时，刀具 会产生脆性断裂、塑性变形和涂层材料剥落等现象，导致刀具剧烈磨损。在1 0 0 1 1 0 玎讥n i n 的 铣削速度下，进行铣削试验获得的刀具寿命约为6 1 3 m i n 。王珉田】对于硬质合金刀具铣削钛合 金刀具磨损机理进行了系统深入的研究，指出钛合金在低速铣削时的磨损机理为粘结撕裂磨损， 在高速铣削时以扩散磨损为主；并指出在发生扩散磨损时，并不是h a i t l m g 认为的刀具表面层脱 碳，而是刀具表面层富碳而次表面层贫碳，且刀具表层贫钴导致刀具表面层弱化和次表面层脆 化的刀具磨损机理。 z 0 ) l a 采用p c b n 刀具对q + b 相钛合金进行了高速车削试验，采用扫描电镜观察刀具表面 磨损形貌【2 4 1 。1 8 5 删，m i l i 切削时刀具刀尖震动引起局部磨损，切屑流动在前刀面产生条纹，副后 刀面有微弱的边界磨损，c b n 刀具切削钛合金时7 0 0 0 c 以下没有任何扩散磨损。2 2 0 n 蛐切 削时切削温度升高，刀具材料被氧化，使得刀尖磨损加剧，后刀面远离刀尖处产生梳状裂纹， 8 0 0 0 c 时钛合金易与氧和c b n 中的氮发生反应。2 8 0 力蛐切削时后刀面磨损加剧，切削温度 升高至9 0 0 0 c 时刀具前刀面有撕裂现象，刀具磨损为扩散磨损和粘结磨损。 山东大学刘战强【2 5 】等人采用p c b n 刀具对钛合金1 4 进行了高速车削试验，在萨8 0 n 妇血、 户o i 删田r 、口。= o 2 5 m m 时，刀具前刀面上存在白色层状物，能谱分析显示刀具前刀面上还存在 氧元素，故刀具主要磨损机理为粘结磨损和氧化磨损。且p c b n 刀具相对未涂层和涂层硬质合 金刀具刀具寿命最高。但l 咖g 、u 口1 1 等采用不同规格的c b n 刀具对钛合金t c 4 进行了高速车削 试验，发现采用p c b n 刀具能稍减小切削力，但采用硬质合金刀具能得到更好的刀具寿命。 5 0 c b n 含量刀具寿命最长，c b n 含量越高，沟槽磨损越厉害，刀具寿命降低。高压冷却液对 低含量c b n 刀具的刀具寿命影响显著。采用1 1 m p a 高压冷却液时刀具寿命相比传统冷却液可 提高6 8 ，2 0 3 m p a 提高1 5 0 ；涂层硬质合金刀具寿命分别提高1 2 3 和1 1 1 意大利e 1 ( 1 l l i a n i c 口q 采用p c d 刀具精铣低刚度钛合金t c 4 压缩机叶片。在 ，产l1 0 n 妇i n ， 6 南京航空航天大学硕士学位论文 铲o 2 姗，口c - 5 m m ，后旬1 2 5 n 毗，冷却液冷却条件下，弘3 8 1 m i i l 。切削时间为1 0 8 i n i i l 时， 切削刃无磨损。用扫描电镜和能谱仪分析时发现p c d 刀具表面有t i 和砧，表明刀具与切屑间 形成t i c 层，阻止刀具与工件化学成分相互扩散，减少了月牙洼磨损。马来西亚学者n l 删l a m i l l 【2 7 】等采用扫描电镜分析刀具磨损形貌，硬质合金刀片主要磨损机理为扩散磨损和超塑性变 形，而p c d 刀片主要是扩散磨损，机械磨损和磨粒磨损。但英国学者n a b h a i l i 【2 8 】采用压痕试验 法发现对涂层硬质合金、p c d 、p c b n 黏结磨损临界温度分别为7 4 0 0 c 、7 6 0 0 c 、9 0 0 0 c ，名义 接触压力分别为0 2 3 、o 1 4 2 、o 1 4 6 g p a 。破裂只出现在刀具本体上，而不是在工件上。在硬质 合金和p c b n 刀具上观察到严重的扩散磨损，p c d 刀具则没有明显的扩散磨损。采用快速落刀 装置研究切屑形成机理和刀具磨损。车削t a 4 8 ，俨7 5 m m i n 、户o 2 5 删曲、铲l 衄时，观察 到涂层硬质合金和p c b n 刀具切削的切屑，刀具材料从前刀面上剥落，而p c d 刀具切削时则 没有观察到明显现象。与采用压痕试验得到的结果相同。涂层硬质合金刀具和p c b n 刀具寿命 分别为9 m i i l 和1 1 m i n ，而p c d 刀具可达3 0 m i l l 以上。因此相对于涂层硬质合金和p c b n 刀具， p c d 刀具最适合切削钛合金，可以得到最好的工件表面质量，更低的刀具磨损速率。 另外，新加坡的王志刚【2 ”2 1 等人研究出了一种新型的c b n 刀具b c b n ( b i n d 甜e s sc b n ， 无粘结剂的c b n ) 高速铣削钛合金t i 6 砧4 v ，并与p c d 、p c b n 和硬质合金刀具作了比较。b c m 叮 刀具寿命最长，在高速、低进给、低轴向切深条件下更优。b c b n 刀具寿命较长的主要原因是 其较高的热导率、高硬度且不含粘结相，对温度不敏感。b c b n 刀具加工的表面粗糙度较好。 1 4 3 关于加工表面完整性的研究 有关已加工表面完整性的研究方面，s h 卸姗和脚删p 3 】对精车t i 舢合金的表面完整性进 行了研究，对2 5 m ，m i n 和4 0 l 】仉血的切削速度下的表面完整性对比显示，较高的切削速度有利于 减少已加工表面上微裂纹的尺寸和密度，有助于提高加工表面质量。s a i 州等人在1 6 0 4 4 0 m m j n 的铣削速度范围内对两种材料的表面完整性进行了研究，结果表明，随切削速度的提高，表面 粗糙度明显降低，加工表面的硬化程度和硬化深度都有所增加。但是切削速度提高使平行于进 给方向的残余拉应力增大，而垂直于进给方向的残余压应力减小。耿国盛等【3 5 】对采用硬质合金 刀具高速铣削钛合金t a l 5 的表面完整性进了比较完整的研究，已加工表面粗糙度r a 一般不大于 0 4j c m 。 山东大学刘战强阁等人采用p c b n 刀具对钛合金t c 4 进行了高速车削试验。在高速、低进 给量、低背吃刀量的条件下，相对硬质合金刀具有更长的刀具寿命和更好的工件加工表面粗糙 度，因此p c b n 刀具更适合用作钛合金的精加工日本学者e 孤铲m 【2 l 】等采用不同规格的c b n 刀具对钛合金t c 4 进行了高速车削试验。研究发现 ，尸1 5 0 i i 咖血、户0 1 5 删n r 、口尹o 5 咖条件 下，采用p c b n 刀具能稍减小切削力，但采用硬质合金刀具能得到更好的刀具寿命和加工表面 质量。 7 超硬材料刀具高速铣削钛合金 n u r u la m i n 【2 7 1 采用硬质合金刀具和p c d 刀具端铣t c 4 ，分别在肾= 4 1 0 i i 妇l i n 和胪1 2 0 l l 妇血 时得到的表面粗糙度可与抛光比拟。e z u 卵m 【3 刀等还采用p c d 刀具对1 4 进行了高速精车试验， 比较了高压冷却液与传统冷却液冷却条件下的表面完整性。v = 1 7 5 蛐，2 0 0 删蛐、 尹司1 5 删r 、口d = o 5 姗条件下，高压射流辅助切削加工，表面粗糙度r a 均小于1 6l im 。p c d 刀具磨损缓慢，振动少，所得到的表面粗糙度值小于硬质合金刀具。高压冷却液与传统冷却液 冷却条件下均无亚表面缺陷，如裂纹、粘结、撕裂。采用高压射流冷却，加工表面加工硬化效 应明显减弱。d 舡i n i 【2 8 1 车削1 a 4 8