鈦合金是航空航天工業(yè)中典型難加工材料，因其導(dǎo)熱系數(shù)小，化學(xué)活性高，摩擦系數(shù)大，導(dǎo)致加工時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了鈦合金的加工效率和加工質(zhì)量[1]。因此，研究刀具的磨損機(jī)理，防止刀具過(guò)早、過(guò)多磨損，以便延長(zhǎng)刀具的使用壽命顯得非常重要。
TC21鈦合金是我國(guó)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一個(gè)高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金[2]，目前，國(guó)內(nèi)同行僅對(duì)材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行了初步研究，在機(jī)械加工領(lǐng)域尤其是高速銑削[3]的研究還是一片空白。在實(shí)際加工中沒(méi)有成熟的理論根據(jù)，只能不斷摸索，總結(jié)優(yōu)化。
TC21鈦合金銑削比車削加工困難，銑削時(shí)切削刃區(qū)域容易與鈦發(fā)生粘結(jié)，刀齒易崩刃，刀具耐用度低[4]。通過(guò)銑削刀具磨損試驗(yàn)以及掃描電鏡（SEM）觀察手段[5]，來(lái)研究高速銑削TC21合金時(shí)刀具磨損的形式和形成機(jī)理，獲得高效加工參數(shù)。
刀具磨損試驗(yàn)
1試驗(yàn)條件
試驗(yàn)材料選用尺寸為140mm×140mm×140mm的TC21鈦合金，主要成分為Tr6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr- 2Nb。試驗(yàn)在三坐標(biāo)數(shù)控加工中心TK5680上進(jìn)行；使用的是美國(guó)SGS公司生產(chǎn)的帶TiAlN涂層的整體硬質(zhì)合金刀具（硬質(zhì)合金K30，刀具直徑為20mm，齒數(shù)為4），如圖1所示。
采用刀具磨損量體式顯微鏡測(cè)量系統(tǒng)，顯微鏡型號(hào)為L(zhǎng)eica DMLM/11888605。采用掃描電子顯微鏡（SEM）JSM-6360LV對(duì)TC21鈦合金不同加工方式下的刀具刀尖磨損微觀形貌進(jìn)行觀察和分析，并利用SEM自帶的能譜儀EDS對(duì)磨損產(chǎn)物進(jìn)行成分的定性分析。
2試驗(yàn)方案
在評(píng)定刀具切削性能和研究試驗(yàn)時(shí)，都以刀具表面的磨損量作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO規(guī)定，以1/2切削深度處后刀面上測(cè)量的磨損帶寬度作為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。
由于銑削加工刀具為4齒的整體硬質(zhì)合金刀具，在銑削過(guò)程中，刀具4個(gè)齒均參與切削加工，磨損發(fā)生在4個(gè)齒上，為簡(jiǎn)化研究過(guò)程，在考察刀具磨損情況時(shí)，以磨損最為嚴(yán)重的齒的平均磨損量VB為考察對(duì)象。
針對(duì)鈦合金切削加工的刀具磨損試驗(yàn)成本高昂、耗時(shí)巨大等缺點(diǎn)，為能用較少的試驗(yàn)次數(shù)取得較正確的試驗(yàn)結(jié)果，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法四因素三水平的L9（34）形式來(lái)安排試驗(yàn)，如表1所示。然后分別進(jìn)行直觀極差分析法、方差分析法研究切削加工刀具磨損試驗(yàn)結(jié)果。
試驗(yàn)結(jié)果分析
1試驗(yàn)結(jié)果
銑削TC21鈦合金材料，測(cè)得刀具磨損的正交試驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表2所示。分析結(jié)果可以看出各影響因素的極差關(guān)系為：RA>RB=RC>RD，由此可以得到影響刀具后刀面磨損量各因素的主次順序?yàn)椋壕€速度A>每齒進(jìn)給量B=切削寬度C>切削深度D。
對(duì)正交試驗(yàn)刀具磨損量進(jìn)行極差分析，各影響因素對(duì)刀具后刀面磨損量的影響趨勢(shì)直觀圖（圖2）。從圖中可以看出因素A對(duì)銑削加工時(shí)的刀具磨損影響最大，當(dāng)銑削加工時(shí)線速度較低或較高均會(huì)造成刀具磨損嚴(yán)重；隨著每齒進(jìn)給量的增加，刀具磨損量單調(diào)遞增；切削寬度變化時(shí)刀具磨損量存在最大值，切削深度變化時(shí)刀具磨損量存在最小值。
從圖2可以直觀分析得到獲得刀具后刀面磨損量較小的優(yōu)化銑削加工參數(shù)組合方案：A2B1C3D2，即切削線速度為60m/min-1、每齒進(jìn)給量為0.05mm/z、切削寬度為1.5mm，切削深度為20mm。
方差分析及F值顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
正常本次試驗(yàn)無(wú)空列，因D列偏差平方和較小，故以D列作為誤差列。方差分析及顯著性檢驗(yàn)分析表明，對(duì)于給定顯著水平α=0.01或0.05，只有因素A對(duì)刀具磨損程度的影響是最為顯著的，其他因素對(duì)銑削加工中刀具磨損的影響不顯著。
為分析銑削TC21的9種情況刀具磨損量隨切削量的磨損行為，在最終切削相同的金屬切除量的條件下，分別采集5個(gè)時(shí)間點(diǎn)做出刀具磨損量隨切削量變化曲線，如圖3所示。
從圖3中可以看到，當(dāng)切削線速度為100m/min時(shí)，3種切削條件的刀具磨損都較其他情況嚴(yán)重，而線速度為60m/min時(shí)3種切削條件與20m/min磨損行為曲線規(guī)律近似，但磨損量降低。為實(shí)現(xiàn)高效加工工廠的實(shí)際切削速度有望從20m/min提高到60m/min。
2刀具磨損形態(tài)及行為的研究
2.1宏觀分析
高速銑削航空鈦合金時(shí)刀具受到更大的沖擊，同時(shí)切削溫度高導(dǎo)致切削過(guò)程有著強(qiáng)烈的化學(xué)作用，刀具的崩刃破損現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)更多，特別是粗加工，崩刃現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。刀具在正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)銑削鈦合金TC21時(shí)，刀具后刀面磨損的的宏觀形態(tài)，如圖4所示（×100倍）。
從圖4可以看出，TC21-X-3、TC21-X-4、TC21-X-5、TC21-X-6這4組刀具的刀刃沒(méi)有破損，只是涂層的磨損。其他組的刀具刀刃均有不同程度的崩刃現(xiàn)象。如果單從切削速度來(lái)考慮問(wèn)題的話，在不同的銑削速度下，刀具后刀面磨損形態(tài)也是不同。在20m/min時(shí)，刀具后刀面磨損沿切削深度方向的分布，在靠近最大切深處的溝槽磨損比較嚴(yán)重，此處磨損帶寬度的進(jìn)展也較快。切削速度升高到60m/min，刀具磨損的現(xiàn)象明顯降低，并且刀具后刀面磨損帶主要發(fā)生在靠近切削刃中部的位置，且磨損帶發(fā)展比較均勻，這將有利于延長(zhǎng)刀具的使用壽命。當(dāng)切削速度達(dá)到100m/min，刀具磨損加劇，最大切深線附近的溝槽磨損嚴(yán)重，其磨損帶寬度和發(fā)展速度均超過(guò)其他部位。此時(shí)磨損帶不是均勻發(fā)展，而是集中在最大切深處附近，使后刀面磨損很快達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。得到的結(jié)論是：銑削速度過(guò)低或過(guò)高時(shí)均磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象,當(dāng)銑削速度為60m/min時(shí)有利于刀具壽命的延長(zhǎng)。另外，從圖4中也可以看到鈦合金銑削過(guò)程中，除在后刀面產(chǎn)生磨損帶以外，切削刃附近的刀具材料會(huì)因摩擦和粘結(jié)等原因而受到磨損，使切削刃在整體上產(chǎn)生“后退”現(xiàn)象，并且不能保持其原來(lái)比較銳利的形狀，切削力和切削溫度進(jìn)一步升高，使磨損過(guò)程加劇。
2.2微觀分析
通過(guò)EDS分析了刀具涂層的元素情況，分析結(jié)果如表4所示。
為了更進(jìn)一步研究后刀面的磨損機(jī)理，再對(duì)磨損后的后刀面做EDS分析，從表5可以分析切削鈦合金時(shí)刀具磨損的微觀機(jī)制。
（1）存在粘結(jié)磨損現(xiàn)象，譜圖2可以證實(shí)，測(cè)到了TC21鈦合金的主要組成元素如Ti、Al、Cr、Sn等粘著于刀具上。造成刀具粘著磨損的重要原因有：鈦合金彈性模量小，切削時(shí)接觸面積增加；化學(xué)活性高，與刀具的親和力強(qiáng)；刀具涂層為TiAlN涂層，與工件材料中的Ti具有無(wú)限互溶性，容易粘刀。
（2）刀面上存在著氧化磨損現(xiàn)象，通過(guò) EDS分析中發(fā)現(xiàn)了氧元素的存在。由于銑削時(shí)切削區(qū)有很高的溫度，刀具材料和鈦合金在高溫下與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，從而加劇刀具的磨損。
此外，刀具存在擴(kuò)散磨損。在切削高溫的影響下，工件材料和刀具材料化學(xué)元素會(huì)相互擴(kuò)散，也會(huì)造成刀具的磨損。擴(kuò)散的同時(shí)往往伴有化學(xué)置換反應(yīng)（Ti+WC=TiC+W）。
針對(duì)上述3種磨損機(jī)理，在選用切削液時(shí)應(yīng)采取能夠有效冷卻潤(rùn)滑降低切削區(qū)的溫度，并且避免高溫下與鈦合金反應(yīng)的切削液。植物油基切削液能夠在工件表面形成較厚的潤(rùn)滑薄膜，潤(rùn)滑效果更明顯，而且具有較高的熔點(diǎn)，有利于提高金屬切削率和實(shí)施清潔生產(chǎn)。
結(jié)論
根據(jù)極差分析結(jié)果，從刀具壽命的角度考慮，銑削參數(shù)可以選擇較大的切削寬度，較小的每齒進(jìn)給量和軸向銑削深度，適當(dāng)?shù)你娤魉俣龋?0m/min）。各種磨損形式之間既有區(qū)別又有著緊密的聯(lián)系，粘結(jié)材料會(huì)產(chǎn)生氧化和擴(kuò)散，而氧化則為磨粒磨損提供了硬質(zhì)點(diǎn)，刀具的磨損失效是在多種磨損機(jī)制下共同作用的結(jié)果。針對(duì)各種機(jī)理從提高刀具壽命的角度，應(yīng)選擇植物油基的切削液。
