钛基复合材料铣削刀具磨损研究

1、Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate SchoolCollege of Mechanical and Electrical EngineeringStudy on Tool Wear of Milling TitaniumMatrix CompositesA Thesis inMechanical Manufacture and AutomationbyZhang YuAdvised byProf. Su HonghuaSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requ

2、irementsfor the Degree ofMaster of EngineeringJanuary, 2013承诺书本人所呈交的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，中不包含其他人已经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而使用过的材料。本人南京航空航天大学可以将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、缩印或扫描等保存、汇编。（的在后适用本承诺书）作者签名： 日期： 南京航空航天大学摘要钛基复合材料（Titanium Matrix Composites）具有许多优异的物理及力学性能，比如高比

3、强度、比模量、耐高温、耐腐蚀和耐疲劳等，在众多工业领域具有广泛的应用前景。但是由于高硬度、高强度的增强相的加入使得钛基复合材料的切削性很差，切削过程中刀具磨损严重，成本高，切削效率低，的精度和表面质量都难以保证，由于这些切削中存在的问题很大程度上限制了钛基复合材料的进一步推广与应用。因此，优选铣削钛基复合材料的刀具，深入研究铣削钛基复合材料的刀具磨损，分析铣削钛基复合材料的刀具磨损机理具有十分重要的意义。本文以体分比为 10%的 TiC 颗粒与 TiB 晶须混合增强的钛基复合材料（TiCp+TiBw）/TC4 为研究对象，进行钛基复合材料铣削的刀具磨损试验研究，研究不同刀具材料（PCD 和硬质

4、合金刀具）、刀具角度、颗粒度（硬质合金刀具中硬质相颗粒的大小，PCD 中石颗粒的大小）铣削钛基复合材料的刀具磨损，主要研究工作包括以下几个方面：（1）铣削钛基复合材料刀具耐用度试验研究。通过试验研究和理论分析，探究刀具铣削钛基复合材料的刀具，对比不同刀具材料（PCD、硬质合金）、刀具角度、颗粒度对铣削钛基复合材料的刀具耐用度，并分析其影响规律。（2）铣削钛基复合材料刀具损伤和刀具磨损机理研究。使用三维显微镜、扫描电镜（SEM）以及能谱分析（EDS）等分析仪器，对不同刀具铣削钛基复合材料的刀具磨损状态进行跟踪观察测量，分析研究 PCD 刀具和硬质合金刀具铣削钛基复合材料时的刀具磨损、破损形貌，并

5、测量与分析铣削过程中的切削力和切削温度，辅助分析揭示了刀具的磨损机理。（3）铣削钛基复合材料表面粗糙度及显微硬度研究。使用粗糙度仪和显微硬度仪对已表面粗糙度值以及表面层显微硬度进量，对比不同刀具磨损状态及切削用量下已表面粗糙度值、表面层显微硬度，并分析其影响规律。：钛基复合材料，铣削，刀具磨损，表面完整性i钛基复合材料刀具磨损研究ABSTRACTTitanium matrix composites (TMCs) have a wide ranges of application, because of itsoutstanding properties, such as high specif

6、ic modulus, high heat and wear, anti-fatigueand so on, thus TMCs will increasingly be used in many fields such as aeronautics, astronautics and auto industry, etc. But TMCs consist of a soft matrix holding together extremely hard reinforcing particulate or whisker reinforcements which result in poor

7、 machinability and extremely rapid tool wear, low machining efficiency and high cost. So Titanium matrix composites are limited in the further popularization and application.Thus, it is very significant to optimize milling tools, deeply study the tool wear and tool wear mechanism. Experimental resea

8、rch were carried out by different tools (material, degree, granularity) when milling TMCs which volume fraction with 10% enhanced by TiC particles and TiB whisker hybrid .The following works have been developed:1. Experimental research on tool life in milling of TMCs was investigated. The effects of

9、 different tool materials (PCD, cemented carbide), degree, granularity on tool life were studied.2. Experimental research on tool damage and tool wear mechanism in milling of TMCs withdifferent tools was developed. The three-dimensionalmicroscope, SEM and EDS wereutilized to measure and observe tool

10、 wear. Cutting forces and cutting temperature in machine process were measured and analyzed. On this basis of above researches, the tool wear mechanism was revealed.3. Study on surface roughness and micro-hardness in milling of TMCs were carried out. Roughmeter and micro-hardness meter were utilized

11、 to measure roughness and micro-hardness. The influences of surface roughness and micro-hardness were analyzed under different tool wearconditions and milling parametersKeywords: titanium matrix composites, milling, tool wear, surface integrityii南京航空航天大学目录第一章绪论11.1 钛基复合材料的分类、及应用现状11.1.1 钛基复合材料的分类11.

12、1.2 钛基复合材料的应用现状31.2 材料的切削特性41.3. 4钛基复合材料铣削刀具材料与难1.3.1 钛基复合材料难. 41.3.2钛基复合材料的刀具材料51.41.51.6第二章钛基复合材料刀具磨损形式及机理研究现状6课题研究的构想7课题拟开展的主要研究工作8铣削钛基复合材料刀具耐用度试验研究9试验条件与方案92.1.1 试验条件92.1.2 试验方案11刀具耐用度影响因素分析112.12.22.2.12.2.22.2.3几何角度对耐用度的影响11刀具颗粒度对耐用度的影响13刀具材料对耐用度的影响142.3第三章本章小结15刀具损伤与刀具磨损机理研究16试验条件与方案163.1.1 试

13、验条件163.1.2 试验方案22铣削过程中切削力的变化233.2.1 刀具材料对切削力的影响233.2.2 修光刃对切削力的影响243.2.3 涂层对切削力的影响253.2.4 每齿进给量对切削力的影响25铣削过程中切削温度的变化263.3.1 温度快速标定263.13.23.3iii钛基复合材料刀具磨损研究3.3.2 刀具材料对切削温度的影响273.3.3 涂层对切削温度的影响283.3.4 冷却方式对切削温度影响29刀具损伤过程及形态分析303.4.1 刀具破损303.4.2 前刀面磨损333.4.3 后刀面磨损36刀具磨损机理分析383.5.1 磨粒磨损393.5.2 粘结磨损40本章

14、小结433.43.53.6第四章刀具磨损条件下已表面完整性研究444.1试验条件与方案444.1.1 试验条件444.1.2 试验方案46表面粗糙度研究464.2.1 刀具颗粒度对表面粗糙度的影响464.2.2 刀具磨损对表面粗糙度的影响474.2.3 每齿进给量对表面粗糙度的影响484.2.4 切削速度对表面粗糙度的影响49显微硬度研究504.3.1 刀具磨损对显微硬度的影响504.3.2 每齿进给量对显微硬度的影响504.3.3 切削速度对显微硬度的影响51本章小结52总结和展望54总结54展望554.24.34.4第五章5.15.2参考文献56致 谢59在学期间的研究成果及的学术.60i

15、v南京航空航天大学图1.12.12.22.32.42.52.63.13.23.33.43.53.63.73.83.9钛基复合材料分类方法2米克朗UCP710 五轴机床9（TiCp+TiBw）/TC4 金相微观组织10图图图KH-7700 三维显微镜11图不同刀具铣削钛基复合材料刀具磨损量随时间变化曲线12不同刀具铣削钛基复合材料刀具磨损量随时间变化曲线13不同刀具铣削钛基复合材料刀具磨损量随时间变化曲线14测力仪器17原始切削力信号曲线图（编号 6 刀具，v=100m/min， fz=0.08mm/z）18夹丝法测温示意图19温度系统20热电势典型信号曲线图（编号 9 刀具，MQL 冷却）21

16、标定试样及装置21热电偶标定试验现场图22Hitachi S-3400 型扫描电子显微镜22不同刀具材料切削力对比图（v=100m/min， fz=0.08mm/z）23修光刃对切削力的影响（v=100m/min， fz=0.08mm/z）24涂层对切削力的影响（v=100m/min， fz=0.08mm/z）25每齿进给量对切削力的影响（v=100m/min）26（TiCp+TiBw）/TC4-康铜热电偶标定曲线27不同刀具材料切削温度对比图（v=100m/min， fz=0.08mm/z）28涂层对切削温度的影响（v=100m/min， fz=0.08mm/z）29冷却方式对切削温度的影响

17、（v=100m/min， fz=0.08mm/z）30PCD 刀具微崩刃30PCD 刀具崩刃31PCD 刀具颗粒脱落32硬质合金刀具微裂纹32硬质合金刀具剥落33图图图图图图图图图图图图3.103.113.123.133.143.153.163.173.183.193.203.213.223.233.24图图图图图图图图图图图图后刀具前刀面磨损形貌（v=100m/min， fz=0.08mm/z）35后刀具后刀面磨损形貌（v=100m/min， fz=0.08mm/z）38图腐蚀图腐蚀图刀具磨粒磨损（v=100m/min， fz=0.08mm/z）39v钛基复合材料刀具磨损研究图3.253.2

18、63.274.14.24.34.44.54.64.74.84.94.104.11刀具钛合金粘结状况（v=100m/min， fz=0.08mm/z）41PCD 刀具能谱分析41图图腐蚀后刀具磨损（v=100m/min， fz=0.08mm/z）42图Mahr Perthometer M1 粗糙度仪44HXS-1000A 显微硬度仪45显微硬度加载取点方式45显微硬度测量示意图46PCD 颗粒度对表面粗糙度的影响（v=100m/min， fz=0.08mm/z）47刀具磨损对表面粗糙度的影响（v=100m/min， fz=0.08mm/z）48每齿进给量对表面粗糙度的影响（v=100m/min）

19、48切削速度对表面粗糙度的影响（fz=0.08mm/z）49刀具磨损对显微硬度的影响（v=100m/min， fz=0.08mm/z）50每齿进给量对显微硬度的影响（v=100m/min）51切削速度对显微硬度的影响（fz=0.08mm/z）52图图图图图图图图图图vi南京航空航天大学表2.12.22.32.43.13.24.1米克朗五轴机床工作参数9（TiCp+TiBw）/TC4 物理力学性能10刀具明细表10刀具耐用度试验铣削用量11Kistler9272 动态测力仪主要性能指标16铣削切削力试验切削参数表22表面粗糙度及显微硬度试验铣削参数46表表表表表表表vii钛基复合材料刀具磨损研究

20、注释表符号v fz ap aw Fx Fy FzVBRa Tro o中文名称m/min mm/z mm mmN N Nmm m min mm°切削速度每齿进给量轴向切削深度径向切宽速度方向切削力径向切削力轴向切削力后刀面平均刀具磨损量轮廓算术平均偏差刀具耐用度刀尖圆弧半径刀具前角°刀具后角viii南京航空航天大学第一章 绪论随着现代科技的迅速发展，许多工业领域都对材料的综合性能提出了更高的要求，而传统的单一材料的性能往往较为局限，难以在高温等恶劣环境下工作，已航空航天等领域的性能要求，而复合材料恰恰克服了单一材料的以上缺点，具有优良的综合性能，能够满足在高温、高压等的环境中

21、服役的要求。所谓复合材料就是按照一定的工艺将两种或两种以上不同力学物理性能、组织结构的材料结合在一起，不但使之既保留了原有组分材料的性能优点，而且具有单一材料某些所无法达到的综合性能，克服了传统的单一材料性能上的制约与不足，扩大了材料的应用范围，是一种适应现代高技术发展的需求的新型材料1-2。从 20 世纪 60 年代初开始发展的金属基复合材料是复合材料的一个重要组成部分，是以 Ti、Al、Mg 等作为基体材料，以 TiC、TiB、SiC、Al2O3 等颗粒或作为增强相，通过粉末冶金、搅拌铸造等方备而成3。金属基复合材料兼具金属与非金属增强相的综合性能，与传统的金属相比，金属基复合材料具有高比

22、强度、高比模量、耐磨、耐热、优良的导电、导热性、不吸潮、抗辐射、低热膨胀系数、高冲击性等优良性能4。铝基复合材料是其中一种应用最为成金属基复合材料，也已广泛应用于航空与汽车领域，例如美国的 F-16 战斗机已将铝基复合材料 SiCp/Al 作为蒙皮材料5； 用了铝基复合材料用于汽车活塞的制造，大大提高了活塞的耐磨性6。但是随着航空、航天等领域的发展，需要材料在高温、高压以及强烈腐蚀等恶劣的环同样使境下服役，对材料的性能提出了更高的要求，铝基复合材料逐渐已其要求，急需寻找一种基体材料性能更为优越的金属基复合材料。而钛基复合材料的基体材料钛合金具有耐高温、耐腐蚀性好、比强度高等多种优良性能。其使用

23、量已经占到航空航天领域金属使用总量的 70%左右，主要用途包括航天器、飞机、民用飞机、尾翼、高强螺栓、箱等。在飞机上钛合金的使用量占整个飞机总质量的 41%70%，其中每架 F-15 战斗机中钛合金用量为整机重量的 27%，而每架美国新型 F-22 战斗机中， 钛合金的使用量高达飞机总质量的 41%7-10。因此，钛基复合材料相比较铝基复合材料具有更好的耐燃性、耐腐蚀性，具有更高的强度与硬度，满足在高温、高压等恶劣环境下工作的条件，在先进系统、航空航天等领域具有更加广泛的应用前景。1.1 钛基复合材料的分类、及应用现状1.1.1 钛基复合材料的分类钛基复合材料TMCs（Titanium Mat

24、rix Composites），是指在钛或钛合金基体之中加入1钛基复合材料刀具磨损研究高模量、高强度、高硬度和良好高温性能增强相的一类新型材料。弥散于基体材料中的高强度、高模量的增强相大大基体材料钛合金的比强度、比模量，同时综合了基体金属材料的延展性与韧性，使之具有更好的高温性能、耐腐蚀性能和疲劳性能。钛合金基体材料的性能及增强相的特性、体分比和排布等是影响钛基复合材料性能的主要因素，此外，的工艺方法是影响钛基复合材料其性能的另一个重要因素则，不同性能的钛基复合材料其应用范围和领域也会有所不同。因此钛基复合材料分类方式有很多种，图 1.1 为其主要的几种分类方法。图 1.1钛基复合材料分类方法

25、根据其加入钛合金基体中的增强相种类可分为两大类：连续增强和非连续增强钛基复合材料，其中非连续增强钛基复合材料又可细分为颗粒增强、晶须增强和短增强钛基复合材料。早期的研究主要集中于可大大钛合金机械性能的连续增强钛基复合材料，但是增强钛基复合材料由于成本高昂、工艺繁复、界面反应和各向异性等因素，极大的限制了它的发展空间。因此，各国逐渐将研究的重点转移到非连续增强钛基复合材料上。非连续增强钛基复合材料解决了连续增强钛基复合材料过程复杂、工艺不成熟、成本过高等问题，使生产成本大大降低；此外由于增强相在基体中呈弥散分布，使其具有各向同性，能够承受复杂的应力载荷，并且具有比连续增强钛基复合材料更性11-1

26、3.。好的机械此外，钛基复合材料还可根据其方法的不同分为两类：外加增强相和原位自生成钛基复合材料。其中，外加增强相技术具有很多缺点，比如价格较高，工艺繁复，易造成增强相的偏聚与结合效果不佳等。为克服以上缺点，科研研发了一种原位自生成工艺方法来非连续增强钛基复合材料，与外加法不同，该工艺方法的增强相不是预先准备好后加入到基体中，而是通过原材料中各种元间发生化学反应生成的。相比较外加增强相的传统复合技术，通过该技术的钛基复合材料具有以下优点：由2南京航空航天大学于增强相不是从外部加入基体中，可大大减少杂质的污染，使得增强相与基体的结合效果更佳；避免了增强相的偏聚，均匀性较好；可以生产大显著降低14

27、。的坯料，工艺简单，成本本文是以原位生成的 TiC 颗粒和 TiB 晶须混合增强的非连续增强钛基复合材料（TiCp+TiBw）/TC4 作为研究对象，研究刀具铣削钛基复合材料的刀具磨损。1.1.2 钛基复合材料的应用现状钛基复合材料作为一种新型的复合材料，近几十年来，在国际上得到了极为迅速的发展。各国都加大了对钛基复合材料的研究力度，并获得了一些的，部分已实现规模化、的应用。目前，钛基复合材料的规模化应用主要集中在航空航天和汽车领域。在航空航天工业领域，高性能的航天器要求其结构重量轻，以减小油耗，延长留空时间，使之具有更好的机动性，提高飞行器的综合性能。资料表明，减轻结构重量可大大节约飞机的使

28、用成本，取得明显的效益15。因此钛基复合材料最初的应用领域就在航空航天等高端工业领域。美国研制的以 TC4 钛合金为基体，以碳化钛颗粒增强的钛基复合材及壳体16。其研制开发的 XD 钛铝复合材料在 600以上的强料已经应用于度和 750以上的弹性模量均高于 17-4PH 钢，使用这种复合材料制作翼片，可以极大提高的工作温度17。而美国Atlantic Research Corp （ARC）与Goodrich Corp 也正积极研制钛基复合材料，将其应用于飞机起落架，可将起落将重量降低一半18。美国GKN 宇航工业公司与波音公司已经将某系列的钛基复合材料应用于波音 787 飞机发机架连杆，用这种

29、复合材料制造的发机架连杆，重量比传统钢材或镍基高温合金减轻了25%至 40%，并且使用温度也得到了很大的提高。英国公司拟在 RB211 发上将钛基复合材料用于整体环片结构及风扇、压气机、涡轮叶片、环、机匣、轴等。而美国拟在F22 战斗机和 F119 发上使用钛基复合材料制作喷管的作动器活塞。美国国防部制定计划指出：尖端发展需要提供各种不同基体不同用途的金属基复合材料，用于发关键部件及系统关键件，减轻重量，提高使用性能，实现全钛复合材料压气机和在涡轮、燃烧室、喷口等的应用19。在汽车工业领域，丰田公司的 Altezza 汽车使用了由粉末冶金备的 TiB 晶须增强Ti-6Al-4V 复合材料做制造

30、汽车发气门，使得发整体质量相对于之前降低了将近40%，同时也提高了发的综合性能，提高了发的最高转速的提高，降低了高转速区运行噪声等等20。该汽车同时使用了 TiB 晶须增强的 Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si 耐热钛基复合材料来制造发的排气阀，降低了发和阀门的总质量，生产成本大大降低，这些的零部件，具有良好的质量和较长的使用21。许多欧美的汽车生产钛基复合材料公司正在探究采用非连续性的颗粒增强的钛基复合材料来制造汽车的重要零部件，以达到的目的17。减轻车身自重、提高其使用3钛基复合材料刀具磨损研究可见，钛基复合材料具有极好的发展和应用前景，但占总成本 60%以上的成本已经成为阻碍钛基复

31、合材料扩大其应用领域的的最重要因素，降低钛基复合材料的机械成本成为其未来发展的主要趋势22。本文旨在优选钛基复合材料铣削刀具，研究其切削性能与刀具磨损机理，对钛基复合材料的推广与应用具有的意义。1.2 材料的切削特性切削性是指材料被切削的难易程度。对于不一样的要求，材料切削性的衡量标准往往不同，即使是同种工件材料在不同的条件下其切削性也可能不同，因此材料的切削性的概念具有其局限性和相对性，目前，关于材料的切削性尚还没有统一的衡量标准23。根据切削的目的或要求的不同，材料的切削性的衡量指标也会不同。或只需要一项指标用于衡量其切削性，或可兼用几项指标24。（1）以刀具耐用度 T 为评价指标性，在相

32、同的工艺条件下，刀具耐用度 T刀具耐用度能够直观的反应材料的切削越大，其切削性越好。因此本文在后续的试验中将主要以刀具耐用度 T 来作为评价钛基复合材料切削性的一个衡量指标。（2）以切削力与切削温度为评价指标切削力与切削温度能够反应刀具在切削过程中与工件及切屑的受力与做功情况，在相同的工艺条件下，切削力、温度越高，其切削性越差。切削力与切削温度不但影响刀具耐用度，且随着切削力的增大，切削过程中消耗功率增大，当切削力过大，则会引起工件变形，影响精度；而随着切削温度的增大，同样会影响精度。因此本文在后续的试验中将以切削力与切削温度作为评价钛基复合材料切削性的一个衡量指标。（3）以已表面完整性为评价

33、指标在精中，已表面完整性是一个切削性的重要评价标准。已表面完整性包括表面粗糙度、显微硬度和残余应力等几个方面。以表面粗糙度为例，在相同切削条件下，能够得到较好的表面粗糙度的材料，其性较好；反之较差。因此本文在后续的试验中将以表面粗糙度与显微硬度作为评价钛基复合材料切削性的一个衡量指标。1.3 钛基复合材料铣削刀具材料与难1.3.1 钛基复合材料难钛基复合材料由于其基体材料钛合金的化学、物理及机械特性和弥散于基体中的增强相的相互作用，成为难的材料。造成钛基复合材料切削性差的主要有：（1）基体材料钛合金的摩擦系数大，导热系数小。钛合金的导热系数较低，仅为 45钢的 1/51/7，而摩擦系数较大，导

34、致切削热积聚在切削刃较小范围内而不易散发，导致切4南京航空航天大学削温度较高，容易加剧刀具的损伤。（2） 基体材料钛合金的弹性模量大。易造成刀具后刀面磨损加剧以及工件的变形。（3） 基体材料钛合金形成的切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大，易加剧刀尖以及切削刃的磨损与崩刃。（4）基体材料钛合金易造成严重的硬化。（5）基体材料中弥散分布高硬度、高强度、高模量以及良好高温性能的增强相，增强相的加入，使钛基复合材料的强度与硬度都得到很大提高，同时在切削过程中，增强相不断对刀具造成碰撞、刮擦与研磨的作用，使得刀具的磨损大大加剧。由于钛基复合材料其基体材料与增强相的以上特性，使得在铣削钛基复合材料中的切削

35、力与切削温度较大，刀具磨损严重，刀具耐用度较低，不易获得较好的表面质量，机械极为，急需寻找一种合适的刀具来进行钛基复合材料的机械。在实际生产过程当中，钛基复合材料的零件坯料通常是使用近净成形技术制成的，后续仅有极少量的余量，因此，通过近净成形生产出的零件只需要通过少量的精甚至不需要后续机械直接使用25-26。而在复合材料的零件制造方面，近净成形技术仍不能达到不需要后续机械就可以直接使用的要求27。因此深入研究钛基复合材料的刀具磨损与切削特性及寻找一种适合的刀具仍然具有重要的意义。1.3.2钛基复合材料的刀具材料由于钛基复合材料切削性较差，传统刀具显然不适合用于切削钛基复合材料，刀具材料的选择对

36、于钛基复合材料的切削具有很大的影响。在实际生产以及过往的试验研究中切削钛基复合材料使用的刀具材料主要有：高速钢、硬质合金、聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶（1）高速钢刀具石（PCD）。高速钢刀具具有较好的韧性，但是在导热系数较低，在高温下强度较差，在 600的高温下会发生刀具材料软化现象。对于钛合金的切削，高速钢刀具的切削速度较低，其切削速度一般在 30m/min下使用高速钢钻头对连续以下，而对于钛基复合材料的切削，Hayes 在低切削速度增强钛基复合材料进行钻削试验，在极短的时间内，高速钢钻头即失去切削能力28-29。因此高速钢不适于切削（2）硬质合金刀具硬质合金刀具具有价格低廉、导热性能较

37、好、韧性和红硬性较高等优点，且在实际加钛基复合材料。工中，通常采用 K 类硬质合金刀具来进行钛合金的切削。且研究表明，当硬质合金中在 0.81.4m 之间时效果最优30。硬质相颗粒度大小是影一，通常硬质合金刀具的硬质相颗粒度越小其强度、韧性越Co 含量为 6wt%，WC 颗粒响硬质合金刀具性能的因好。R.G. Vargas Perez 使用不同颗粒度的硬质合金刀具进行 -TiAl 合金的切削试验，结果表明细 颗粒 度 硬 质合 金 刀 具 的 耐用 度 好 于 粗 颗粒 度 刀具 31 。 边卫亮等人在 5钛基复合材料刀具磨损研究60m/min120m/min 的切削速度范围内，使用 K313

38、 硬质合金刀具对（TiCp+TiBw）/TC4 钛基复合材料进行车削试验，结果表面在较短时间内，K313 刀具即失去切削能力。因此硬质合金刀具不适合用于车削钛基复合材料。（3）PCBN 刀具PCBN 刀具的硬度高、耐磨性好，热稳定性和化学稳定性高，这些性能是切削钛基复合材料所应该具备的，但是 PCBN 刀具材料的韧性以及抗冲击性能较差，在切削过程中容易发生刀具的崩刃和破损，且价格较昂贵，这在一定程度上限制了 PCBN 刀具在切削钛基复合材料的应用。（4）PCD 刀具PCD 刀具材料具有天然石的高硬度、高强度和极佳的耐磨性，但没有天然石对破损的敏感性。PCD 是在高温、高压的条件下，由人造石颗粒

39、聚合而成，制成 PCD复片，将 PCD 复片切割成所需形状以及刀具几何角度焊接到刀片基体上。具有如下一些优异的性能：（1） 具有极高的耐磨性和硬度。PCD 由于其各向同性，因此具有极好的耐磨性，同时其硬度高达 8000HV，是硬质合金的 80120 倍。（2） 摩擦系数小。一般仅为 0.10.3，仅为硬质合金 1/3，因此 PCD 刀具可以显著降低切削力和切削温度。（3） 导热性良好。PCD 的热传导系数为 700W/mK，是硬质合金的 1.59 倍，可显著降低切削温度。（4） 热膨胀系数低。PCD 的热膨胀系数约为 1×10 -6，硬质合金是 PCD 的 5 倍，因此相比较硬质合金

40、刀具，可显著减小在切削过程中的由于切削热的影响造成的刀具变形，有利于精度的。由于 PCD 刀具上述优越的性能，因此被认为是最适宜切削料32。钛基复合材料的刀具材1.4 钛基复合材料刀具磨损形式及机理研究现状Hayes. SM 和 Ramulu. M 在干切的条件下，使用高速钢和硬质合金刀具对 SiC连续增强钛基复合材料进行了车削和钻削试验，并对刀具磨损和表面质量进行了研究，综合评价了该复合材料的切削性：两类刀具都发生了严重的刀具磨损现象，其中后刀面发生了严重的磨粒磨损；高速钢刀具完全不适合切削该种钛基复合材料，刀具在极短时间即失去切削能力；硬质合金刀具的刀具耐用度也较短，且快速的刀具磨损导致其

41、表面质量较差，因此硬质合金刀具仅适合在较短时间内切削粗该钛基复合材料。R. Bejjani 和 B. Shi26等学者采用 PCD 刀具对增强相质量比为 10%12%的 TiC颗粒增强钛基复合材料进行激光辅助车削试验研究，切削速度为 v=100m/min 和170m/min，切削深度为 ap=0.15mm，进给量为 fr=0.2mm/r。得出以下结论：和切削其他6南京航空航天大学复合材料相类似，磨粒磨损是 PCD 刀具切削 TiC 颗粒增强钛基复合材料主要的磨损形式， 而在高温高速的切削条件下，PCD 刀具不仅存在有后刀面的磨粒磨损，同时前刀面也出现了月牙洼磨损。激光辅助切削 TiC 颗粒增强

42、钛基复合材料时，激光的加热作用使得切削区域温度上升导致基体材料软化，导致切削时增强相颗粒在软化基体材料中移动，从而降低了增强相颗粒被切削刃切断的现象，减弱了增强相颗粒对刀具的磨粒磨损，有效提高了刀具，但造成表面粗糙度增大，已表面质量下降。随着激光加热温度的上升以及切削速度的提高，PCD 刀具的扩散磨损现象进一步加剧，从而导致刀具耐用度的减小。南京航空航天大学边卫亮、宦海翔等人以不同的方法（粉末冶金法以及熔炼法）的具有不同增强相的钛基复合材料作为研究对象， 在切削速度 v=60m/min 、v=80m/min、v=100m/min 和 v=120m/min，切削深度 ap=0.5mm，进给量 f

43、r=0.08mm/r 的切削参数下，采用 PCD 刀具和硬质合金 K313 刀具对钛基复合材料进行车削试验研究，并选择基体材料钛合金 TC4 作为对比，探究了钛基复合材料和基体材料钛合金之间切削性相差巨大的，对比分析了 PCD 刀具和硬质合金 K313 刀具车削钛基复合材料的切削性能，并对两类材料刀具在不同车削条件下的刀具磨损形貌和磨损机理进行了研究。得出以下结论：在相同的切削条件下，两类刀具车削钛基复合材料的刀具远远低于切削TC4 时的刀具，钛基复合材料中增强相的体分比含量是影响刀具的一个主要因素，刀具耐用度随着钛基复合材料增强相体分比的增加显著降低。切削速度越高增强相体分比含量对刀具耐用度

44、的影响程度越大。同样的车削条件下，PCD 刀具车削钛基复合材料的刀具要明显高于硬质合金，且随着切削速度的上升，两种材料的刀具差距也越来越明显，结果表明硬质合金刀具不适宜在高速下切削钛基复合材料。PCD 刀具的刀具破损形式主要包括有微崩刃和崩刃、前刀面的剥落，而硬质合金刀具的刀具破损形式主要是前刀面的剥落。PCD 刀具车削钛基复合材料时主要磨损形式为磨粒磨损、粘结磨损以及扩散磨损，而 PCD 刀具车削 TC4 时不存在磨粒磨损，主要的磨损形式是粘结磨损和扩散磨损。硬质合金刀具车削钛基复合材料时主要的磨损形式为粘结磨损和扩散磨损。在车削过程中使用水基冷却液可有效降低切削温度，减缓刀具磨损，提高刀具

45、。1.5 课题研究的构想随着钛基复合材料的应用领域日益广泛，越来越多的学者开始关注钛基复合材料的切削性。但是对于 PCD 刀具和硬质合金刀具铣削钛基复合材料的刀具磨损和切削性的研究还较少，研究深度非常有限，国内外鲜有文献对铣削钛基复合材料时刀具具体的磨损过程与磨损机理以及已表面质量等进行深入研究和探讨。本课题上述问题，在熟悉掌握金属切削原理和钛基复合材料性能的基础之上，通过进行大量的铣削试验和全面的理论分析深入系统的研究铣削钛基复合材料刀具磨损过程及磨损机理。为优选钛基复合材料铣削刀具和钛基复合材料铣削性的正确评价以及生产实际中制定低成本高效率的工艺规范提供科学理论依据。7钛基复合材料刀具磨损

46、研究1.6 课题拟开展的主要研究工作本文以 TiC 颗粒 TiB 晶须混合增强钛基复合材料（TiCp+TiBw）/TC4）为研究对象， 进行钛基复合材料铣削试验研究，研究不同刀具材料（PCD 和硬质合金）、刀具角度、刀具颗粒度对铣削钛基复合材料的刀具耐用度及其影响因素，测量分析铣削过程中的切削力、切削温度，以及铣削钛基复合材料的刀具破损形式及磨损机理，并分析研究不同切削用量以及刀具磨损状态对已表面的表面粗糙度以及硬化显微硬度的影响。具体研究内容包括以下几个方面：（1）切削钛基复合材料刀具耐用度试验研究选取刀具耐用度作为优选钛基复合材料铣削刀具的主要标准，并综合考虑刀具损伤及已表面质量，对比不同

47、材料、角度以及颗粒度的刀具铣削钛基复合材料的刀具耐用度，并分析其影响因素。（2）刀具损伤和刀具磨损机理研究显微镜对刀具磨损状态跟踪测量观察，使用 SEM 以及 EDS 观察分析刀利用三维具铣削钛基复合材料的刀具损伤形貌，并测量分析刀具铣削钛基复合材料中的切削力和切削温度，分析切削力和切削温度的变化规律以及其对刀具磨损的影响，并在此基础上揭示刀具的磨损机理。（3）已表面粗糙度及显微硬度研究使用粗糙度仪和显微硬度仪测量已表面粗糙度值以及表面层显微硬度，对比不同刀具磨损状态及切削用量下铣削钛基复合材料所得到的已表面粗糙度值、表面层显微硬度，并分析其影响规律。8南京航空航天大学第二章 铣削钛基复合材料

48、刀具耐用度试验研究由于钛基复合材料的切削性较差，刀具磨损快，刀具耐用度低，表面质量较差，成本高，这些都制约了钛基复合材料的推广与应用。而刀具耐用度是衡量刀具对于材料切削性最直接、最普遍的评价标准。如何提高刀具耐用度，是铣削钛基复合材料的急需解决的重要问题。因此本章以刀具耐用度为衡量标准，从刀具几何角度、材料和颗粒度三个方面优选钛基复合材料铣削刀具。2.1 试验条件与方案2.1.1 试验条件（1）机床铣削钛基复合材料刀具耐用度试验在米克朗的 UCP710五轴机完成，其工作参数详见表 2.1，机床如图 2.1 所示。图 2.1表 2.1米克朗UCP710 五轴机床米克朗五轴机床工作参数行程（X/Y

49、/Z）（mm）额定功率（KW）转速（rpm）最大工作进给速度（m/min）快速进给速度（m/min）16100180002030710/550/500（2）工件材料试验所使用工件材料选用原位自生成、真空自耗熔炼和热锻技术的钛基复合材料（TiCp+TiBw）/TC4，其基体材料为 Ti-6Al-4V（TC4），增强相为 TiC 颗粒和 TiB 晶须，两种增强相的摩尔比为 1:1，增强相体分比为 10%。该钛基复合材料材料的详细信息见表9钛基复合材料刀具磨损研究2.2，（TiCp+TiBw）/TC4 金相微观组织如图 2.2 所示。图 2.2 （TiCp+TiBw）/TC4 金相微观组织表 2.2

50、（TiCp+TiBw）/TC4 物理力学性能增强相类型体分比（%）增强相平均（m）硬度颗粒直径晶须长度HRCHv颗粒+晶须101.5-2035-8035383.4（3）刀具材料试验选用 PCD 和硬质合金两类刀具材料刀片，为方便后续讨论，将各刀具明细见下表2.3，其中编号 9 和编号 10 为刀具手册推荐用于钛合金铣削的硬质合金刀具。表2.3 刀具明细表刀具刀具颗粒度（m）后角（°）前角（°）刀尖圆弧半径（mm）修光刃涂层编号材料12345678910PCD PCD PCD PCD PCD PCD PCD PCD硬质合金WMG40硬质合金WXN15101025252530+

51、230+2100.520.5115151010101010102020008000002525无无有有无有无无有有0.40.80.80.80.80.80.80.80.80.8无无无无无无无无无TiAlN其中编号 1 和 2 刀具所使用的刀杆牌号为 SECO R217.69-2020.0-09-2A，其余刀具所使杆牌号为 WALTER F3040.H63A.025.Z02.15，表中的刀具角度都为安装角度。（4）刀具磨损测量系统10南京航空航天大学使用 KH-7700 三维显微镜（图 2.3）对刀具前后刀面破损及磨损情况进行跟踪拍照，并测量其磨损量数值。图 2.3KH-7700 三维显微镜2.1

52、.2 试验方案由于实际生产当中的钛基复合材料的零部件通常采用近净成形技术，留给后续的机械余量较小，因此本文中的铣削试验于钛基复合材料的精，将刀具的磨钝0.2mm，（2）刀标准规定为：（1）刀具后刀面的平均磨损量 VB 值或刃口崩刃宽度大于具后刀面的最大磨损量 VBmax 大于 0.4mm。使用三维削刃的破损和磨损形貌。对于钛基复合材料的铣削精显微镜观察刀具前后刀面以及切，试验选用的铣削参数见下表 2.4 所示，试验在无说明的前提下都在顺铣、湿切条件下进行，所用切削液为水基乳化液。2.4刀具耐用度试验铣削用量表轴向切深 ap（mm）切削速度 v（m/min）径向切深 aw(mm)每齿进给量 fz(mm/z)310010.082.2 刀具耐用度影响因素分析影响刀具耐用度的因素有很多，在相同的切削条件下，影响其刀具耐用度的主要因素有