肖波 杨刚 盛卫忠 李选琦
［摘要］：通过对钛合金铣削试验，研究了刀具磨损与刀具几何参数的关系，并同时研究了刀具刃磨过程中，刀具材料、砂轮粒度对刀具表面粗糙度的影响，通过优化刀具几何参数，合理选择刀具材料，砂轮粒度、优化磨削参数，使刀具耐用度有了明显的提高。
［关键词］：钛合金；刀具寿命；磨损机理；磨削
一 引言 数控机床的生产和使用水平在很大程度上反映了一个国家机械工业的水平，数控刀具制
造水平又直接影响到数控机床效率的发挥[1]。由于数控机床迅速普及，数控刀具供不应求的矛盾非常尖锐，数控机床所用的刀具需要具有优良的切削性能，且质量稳定：要求较高的精度和能实现快速换刀。由于我国数控刀具研究工作起步晚。对硬质合金刀具加工性能、材料去除机理、高效率批量生产数控刀片和精化刀具等应用基础研究课题，尚未进行系统的研究，因此，国内生产的数控刀具在质量和品种上还不能满足生产的要求。每年需要支出大量经费去进口数控刀具及工具系统。
金属切削加工工艺是制造业中的关键技术，淬硬钢、钨合金、高锰钢、不锈钢、钛合金、高比强镁合金、高温合金、高强度钢与超高强度钢等难加工材料广泛应用于国防科技工业[2]。受刀具技术与切削工艺的限制，目前以上难加工材料的切削加工只能采用很低的切削速度，导致加工效率低和生产资料消耗严重。因此，在军工制造业广泛开展难加工材料高速切削技术的推广应用对于提高企业竞争力，具有十分重要的现实意义。
超细晶硬质合金在具有高硬度、高耐磨性、红硬性的同时,具有高的强度和韧性，并且可稳定进行规模化批量生产，非常适应现代先进制造技术对高性能刀具材料的技术要求，成为国际工程材料发展的热点，正广泛用于汽车制造、航空航天、模具制造、电子信息等行业的高效高精度切削加工领域[3]。
刀具的参数选择是否合理，直接影响刀具的使用寿命。本文以钛合金(TC4)为加工对象，以硬质合金为刀具材料，通过改变刀具角度来提高钛合金的加工效率。刀具的参数选择是否合理，直接影响刀具的使用寿命。
二 钛合金材料加工性能分析
就加工过程而言，铣削实际上是一系列的间断切削，这意味着进入和退出工件时始终要求刀具有一定的韧性。现如今，铣削中所使用的刀具概念在大多数情况下都具有正前角槽形（具有锋利且为正前角的切削刃）。与车削相比，铣削强调了提高韧性的要求应由牌号——即刀具材料提供。 影响钛合金的加工性能的主要原因：其一是钛合金的弹性模量为1078MPa（约是钢的1 /2），由于钛合金弹性模量小，屈强比大，使得工件的已加工表面在切削过程中极易产生回弹，容易造成
刀具的后刀面磨损加剧和工件变形[4]，为保证工件的表面质量、几何精度，必须选择适当的切削力；其二是钛合金导热系数低，钛合金加工过程中产生大量的切削热无法由切屑带走，会使刀具的温度大幅提高[5]，这样要求刀具在具有高强度，高韧性的同时，还要具有高的红硬性。这就表明在钛合金加工过程中，切削变形和热变形是影响工件几何精度的主要因素之一，而影响切削变形的主要因素就是切削力，所以为了保证工件精加工的几何精度和表面质量，必须在加工过程中控制或选择合适的切削力。
三 刀具材料选择
钛合金切削的刀具材料，应具有抗弯强度高，冲击韧性好，红硬性好，耐磨性好，导热系数高，与钛合金亲和性小的特点。考虑刀具材料的经济性，我们选用YG6硬质合金进行钛合金的粗加工，用YL10.2的细晶粒硬质合金刀具进行钛合金精加工。在YG6合金中,WC是主要成份,其含量达65%~97%,并以Co为结合剂，其硬度为90.5-91.5HRA、抗弯强度再2600MPa以上；YL10.2细晶粒硬质合金主要成分为WC占89.7％，Co占9.5％，硬度为1500-1600HV，抗弯强度在3800MPa以上。硬质合金的晶粒大小对材料的抗弯强度和硬度有很大的影响。如图1是相同成分不同粒度硬质合金硬度和抗弯强度的关系曲线[6]。
由曲线的趋势可以看出，硬质合金随着晶粒的细化，其硬度和抗弯强度都显著提高。
四 硬质合金刀具的刃磨
硬质合金在刃磨过程中砂轮极易钝化，如果砂轮自砺性不良，磨屑堵塞、粘结而失去应有的切削能力，剧烈的摩擦致使刀具表面局部高温形成附加热应力，引起热变形，很容易产生裂纹，因此要和弹性的树脂结合剂的砂轮（砂轮硬度选择在软2到中软2之间），当磨削温度超过250℃时，树脂就会碳化而失去结合能力，与表层钝化的沙粒一起脱落，这样既提高了砂轮的自砺性，降低了
温度，有能防止硬质合金裂纹的产生。其次，要及时修磨砂轮工作表面，同时在刃磨时供给充分的冷却液。
另外，刀具的表面粗糙度也是影响刀具性能的因素，在刀具刃磨过程中，磨削速度和磨粒的大小是影响刀具表面粗糙度的主要因素。
图2所示为磨削速度与刀具表面粗糙度之间的关系，“图2中可以看出，砂轮的粒度不同，磨削速度对表面粗糙度的影响也不同，但大体趋势一致即随着磨削速度的提高，刀具被磨表面的粗糙度逐渐减小”。这是由于砂轮的线速度越高，单位时间内磨粒与被磨削金属层接触次数增多，磨削区的温度升高，而硬质合金的导热系数都很小，切削热集中在被磨金属薄薄的一层内，将刀具材料表层软化，以致砂轮除了磨削部分金属外，还对其表面有碾平和推抹作用，将上一个磨粒所留下的波纹烫平。因此，随着磨削速度的提高，刀具表面粗糙度越小。
图3所示为砂轮粒度和表面粗糙度之间的关系，“从图3中可以看出:随着砂轮粒度的变细，所获得的表面粗糙度越来越小”，这说明：在磨削速度一定的情况下，若砂轮的粒度细，则单位砂轮体积中所含磨粒多。在相同的磨削条件下，每个磨粒的单位切削负荷小，在磨削过程中，磨粒的划擦和耕犁作用成为其主导，故被磨刀具表面被推抹烫平，消除了刀具表面的沟纹，而使表面粗糙度随粒度变细而减小。但同时我们也看到80#和100#的砂轮所磨出的刀具表面粗糙度相差并不大。
通过刃磨YG6硬质合金刀具的试验研究和相应的理论分析，可以得出如下结论：
1．硬质合金刀具刃磨质量的高低取决于砂轮特性参数、磨削用量、刀具材料和磨削方式等因素的综合作用；
2．随着砂轮线速度的增加，砂轮粒度变细，刀具的表面粗糙度值越小；
3．硬质合金刀具刃磨过程中常常产生裂纹，但可以通过调整部分刃磨参数降低产生裂纹的可能性；
4．在工具磨床上刃磨硬质合金刀具最佳砂轮粒度为80#，磨削线速度为20~25m/s。
五 钛合金加工过程中刀具磨损原因分析
由刀具磨损情况可以看出，主切削刃上在周期热应力和机械应力作用下出现了垂直于刃口
的纵向梳状微裂纹[7]。
考虑到铣削加工的断续切削特性，随着切削刃不断地切入和切出工件，一方面刀具将频繁
经历高温与大气室温之间的剧烈加热、冷却交替过程；另一方面，钛合金的导热性差，从而在刀具表面引发源于热振冲击的热疲劳裂纹，所以在钛合金加工过程中，冷却润滑剂的选择也很关键，需要选用渗透性好的冷却润滑剂，在加工精度要求高的情况下，应适当地加少量CCl4，CCl4在高温高压下会产生FeCl3的固体润滑剂，这样可以增加润滑效果，提高工件的表面质量及几何精度。此
外，刃口附近有积屑瘤（见图 4），积屑瘤在脱离前刀面的同时可引发切削刃附近的拉、压应力的交替变化。
图 4 铣刀前刀面的积屑瘤
由热振产生的热疲劳微裂纹在这种拉、压应力作用下不断扩展，与此同时，随着单位切削力的增大和刀-屑接触长度的缩短，在切屑对前刀面单位面积压力增大的同时，刀-屑接触时产生的切削力作用点与切削刃之间的距离缩短。在上述因素的共同作用下，刀尖与切削刃部分产生的微裂纹与微崩刃在刃口区转变为裂纹。随着切削的继续，裂纹不断向刀具内部扩展，最终与前刀面月牙洼会合，引发剥蚀破损,进而导致刀尖及刃口部位机械强度降低、刃口受力状态改变、切屑流动受阻、刀-屑间摩擦力和切削刃附近温度升高。据此可以认为，在钛合金加工过程中，前刀面月牙洼磨损的加剧和切削刃区的剥蚀破损是导致硬质合金刀具失效的主要原因。
通过试验及上述铣刀磨损机理分析，对于提高铣刀寿命应采取以下措施：
1、在铣削钛合金时，加大每次切削量可以避免刀具在工件上打滑，产生加工硬化，使刀具磨损和粘结；
2、在铣削钛合金时，后角是最关键的角度。适当增大后角可以提高刀具的耐用度，但是有可能增加崩刃的现象，如果出现崩刃可以相应的减小后角。
3、钛合金切削时产生的切屑与空气中的氮气发生化学反应，生成了脆硬材料，所以和前刀面接触面积小，对前刀面磨损较小，应该选用较小前角，前角取值应在10°以内；
4、由公式sinγoe=sinγn+cosβ知，螺旋角对刀具前角有较大的影响，应该增大螺旋角来提高刀具实际切削前角，这样既避免了因为前角过大降低刀具的强度，又可以减小切削力，提
2
2
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高刀具寿命，据我们的经验，硬质合金刀具加工钛合金，螺旋角应在30°--40°之间。
试验表明，选用亚细晶硬质合金，对钛合金进行粗加工，通过优化刀具角度，在铣刀连续工作400min时，刀具后刀面最大磨损量为0.27，最小磨损量为0.03。由此可知，优化刀具角度可以使刀具寿命明显提高。另外，数控球头铣刀的角度是随着轮廓的位置不同而不断变化的，也就是说，球头部分每一点的角度值都不相同，所以在刃磨时要求考虑加工过程中刀具的加工位置，进而在刃磨刀具的时候按加工材料的不同，尽量优化刀具加工位置的角度，以保证刀具为满足加工材料应需的角度。
结 束 语
数控刀具中最典型的是球头铣刀，它与传统铣刀相比有自己独特的优点，即加工过程中，刀
具和工件接触点处，工件曲面的法线和刀具的法线重合，这样就可以解决规则曲面和非规则曲面的加工，并且可以保证曲面的轮廓度。对于难加工材料的曲面加工，为了保证曲面的轮廓度，刀具材料起着极其重要的作用，超细晶硬质合金材料其抗弯强度的提高构筑了整体硬质合金立铣刀的发展基础。目前所使用的刀具材料，基本满足低速加工阶段，在高速加工时，刀具寿命急剧降低，为了提高加工效率，降低加工成本，急需解决高速加工所需的刀具材料，从硬质合金的硬度、抗弯强度曲线可知，细化材料晶粒粒度，可以改变刀具材料的性能，由此可知，粒度达到纳米级的硬质合金，他的硬度、抗弯强度、耐磨性、红硬性都应该有很大的提高，所以纳米硬质合金刀具应该具有较好的切削性能，具有广阔的应用前景。
参 考 文 献
[1] 韩荣第,于启勋.难加工材料切削加工[M].北京:机械工业出版社,1996.
[2] 王珉，钛合金铣削加工中刀具磨损的研究，南京航空学院博士学位论文,1985.12 [3] 王文光编译.超细晶粒硬质合金的特点与用途.成都:工具展望,1998年4期
[4] 舒彪、何宁和武凯，氮气介质下钛合金铣削特性的分析研究，航空精密制造技术，2002年12
月，第38卷，第6期：16～19
[5] 史兴宽、杨巧凤和陈明等，钛合金TC4高速铣削表面完整性的研究，科技成果学术论文，2001
年第1期：30～36
[6] 全朝海.硬质合金专用铣削牌号切削性能优化研究[J].硬质合金,1996,13(3):165-169.
[7] 龙震海,王西彬,刘志兵.高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究
(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081)
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