鈦合金因具有強度高、密度小、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用於製作飛機發動機壓氣機部件以及火箭、飛彈和高速飛機的結構件。由於鈦合金的工藝性能差，加工時在徑向力作用下容易產生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損。目前研究認為，TiAlN塗層化學穩定性好，具有高熱硬性、極佳抗氧化性、耐磨耗等特點，加工鈦合金時比TiN塗層刀具提高壽命3-4倍。利用硬質合金TiAlN塗層刀具車削TB6鈦合金螺紋進行試驗研究，通過確定最優切削參數以及在最優切削參數下進行硬質合金TiAlN塗層刀具切削性能和磨損試驗，對硬質合金TiAlN塗層刀具車削鈦合金螺紋展開進一步的研究。
1 試驗條件
(1)試驗設備
試驗刀具採用森泰英格(成都)數控刀具有限公司生產的加工鈦合金螺紋用單齒三角形可轉位螺紋車刀刀片。表1為試驗用TiAlN塗層硬質合金刀具參數。
表1
試驗用工件尺寸為φ40mm×200mm的TB6棒料，加工螺紋前工件表面粗糙度要求Ra1.6。利用數控車削加工中心BKG-20進行車削試驗，通過編程可以實現直進刀、側進刀和左右交互式進刀等方式進行螺紋車削。考慮到鈦合金屬於粘硬材料，試驗採用直進法。
(2)試驗方案
試驗分為三個階段：第一階段確定TiAlN塗層硬質合金刀片加工TB6棒料時的最優切削參數；第二階段在最優切削參數下進行刀片切削性能試驗；第三階段進行磨損試驗。
①切削參數優選階段
根據刀片在不同切削速度下的加工性能，保持進給量和背吃刀量一致以獲得最佳切削參數(切削速度)。推薦切削速度範圍為10-40m/min，在該切削速度範圍內進行切削速度試驗。比對測量不同切削速度對應的切削力大小和切削質量，確定最優切削速度，試驗參數見表2。
表2
②刀片切削性能階段
根據得出的優選切削參數進行切削試驗，再將兩種刀片測量的切削力和實際加工質量進行對比，分析兩種刀片的切削性能。
③刀具磨損階段
針對前刀面、後刀面和側刃的磨損狀況進行對比分析。試驗過程中記錄磨損部位的磨損程度，繪製磨損曲線，結合用戶反應的問題，研究鈦合金螺紋刀具車削加工機理。
(3)檢測設備
切削力測量系統由Kistler9347壓電式測力儀和Kistler5041B電荷放大器組成，測試原理見圖1。
圖1 切削力測試原理
2 試驗結果分析
(1)切削參數優選階段結果分析
以A刀片為試驗對象進行最佳切削速度研究，在四種切削速度下的進給力Fx、切深抗力Fy、主切削力Fz如圖2所示。在三個分力中主切削力始終最大(超過1000N)，隨著切削速度的增加逐漸減小，當進給速度V=36m/min時最小為1020N。切深抗力與進給抗力隨著切削速度的增加逐漸減小，但幅度很小。
由試驗得出，當切削深度ap=0.2mm、切削速度V=36m/min時，切削力最小，但V=28m/min時螺紋表面加工質量最高。這可能是因為V=36m/min時的切削溫度比V=28m/min時高，已加工表面彈性恢復程度差造成的。根據本階段試驗得出的最佳切削參數為：ap=0.2mm，f=2.4mm/r，V=28m/min。
圖2 不同切削速度對應的切削力測量結果
(2)刀片優選階段試驗結果分析
①切削力對比分析
根據第一階段確定的最佳切削參數進行試驗。圖3為兩種刀片的切削力測量值，進給力Fx大小几乎相同，A刀片比B刀片的切深抗力Fy小。由於刀具結構存在差異，主切削力Fz差距較大，其中A刀片的主切削力小，B刀片大。在切削過程中，較小的前角使前刀面與切屑的接觸面積增加，以防止切削力過分集中在刃口部位。A刀片採用較大的后角，主要是考慮到鈦合金材料特殊的屬性，其彈性恢復嚴重，使刀片工作后角偏小，減輕了後刀面和已加工表面的擠壓接觸，從而降低了切削力。A刀片幾何角度的合理性與B刀片形成了鮮明的對比。
圖3 兩種刀片各向切削力
②切屑形狀對比分析
在金屬加工中，排屑不暢所造成的切屑纏繞工件或者刀杆，會使已加工表面劃傷或者刀具斷裂。在鈦合金螺紋加工時，刀具斷屑情況更不容忽視。鈦合金的傳熱效率低，彈性模量小，剛度差，易變形。硬度＞350HB時，切削很困難；硬度＜300HB時，容易粘刀，在切削加工中會產生鋸齒狀切屑。由於鈦合金材料彈塑性較大，A、B兩種刀片均產生了較長的切屑(見圖4)。A刀片切削形成的切屑呈有規律的短螺旋形，證明A刀片切削較穩定，且切屑曲率較大，沒有形成纏繞狀，如果對刀片斷屑槽結構稍加改進，適當增大切屑曲率，則很容易實現切屑自動斷裂脫落；B刀片產生的切屑呈無規則的纏繞狀，在加工中可能會纏繞在刀杆上使刀杆變形，或者使工件表面出現劃傷，破壞零件。此外，切屑的螺旋角較小不易斷裂，且長度較長，故斷屑效果不佳。
(a)A刀片切削形態
(b)B刀片切削形態
圖4 刀片切屑形態
③刀具磨損對比階段試驗結果分析
通過比較刀片刃口附近前刀面和後刀面的磨損程度評價兩種刀片的耐用度。如圖5所示，鈦合金螺紋刀片的切削刃由左側刃、右側刃和齒頂圓弧刃三部分構成。由於鈦合金材料特殊的屬性，切削過程中刃口附近的切削力較大，切削溫度較高，尤其是齒頂圓弧刃和左側刃交界區域所處的環境最惡劣。刀片向左進給時，該區域首先受到衝擊載荷，承受切削方向和進給方向兩個力的作用，產生大量的切削熱，且該區域材料擴散情況也最嚴重，是最易發生破損的區域。
圖5 切削刃部位示意圖
圖6為兩種刀片在不同切削長度條件下對應的前刀面磨損圖。兩刀片磨損的部位基本一致，切削到200mm長度時，刀片磨損情況還不是很明顯，刃口還未發生崩缺；切削到500mm長度時，A刀片產生少量氧化層，塗層顏色發生變化，但刃口完好；B刀片在左側刃和齒頂刃之間塗層磨損較嚴重，出現刃口崩缺，如果再繼續切削，會使螺紋報廢。出現這些情況的主要原因是：切削到一定長度，刀—屑接觸區溫度已經超過800℃，而TiAlN塗層的耐熱溫度只有800℃左右，再加上刀尖所承受的衝擊載荷和高速摩擦作用，塗層會漸漸失效脫落，局部基體失去塗層的保護作用，溫度會繼續上升。對比兩種刀片可知，A刀片磨損程度較小，刃口形狀保存較完整。說明切削鈦合金時，刀片採用較小的前角可以增大刀片前刀面和切屑接觸範圍，提高散熱效率。
(a)A刀片切削200mm
(b)B刀片切削200mm
(c)A刀片切削500mm
(d)B刀片切削500mm
圖6 兩種刀片在不同切削長度下的前刀面磨損形貌
圖7為兩種刀片在不同切削長度條件下對應的後刀面磨損圖。可以看出：右後刀面部位塗層的保持性較好，說明此部位摩損較少，主要磨損是在左後刀面；刀片的進給方向是水平向左，由於進給方向阻力作用，即工件對左後刀面存在向右的進給抗力，從而使左後刀面承受的摩擦力更大，故磨損相對右後刀面更嚴重。
(a)A刀片切削200mm
(b)B刀片切削200mm
(c)A刀片切削500mm
(d)B刀片切削500mm
圖7 兩種刀片在不同切削長度下的齒頂刃後刀面磨損形貌
小結
經試驗分析可知，TiAlN塗層硬質合金刀片切削鈦合金螺紋時，在ap=0.2mm、f=2.4mm/r條件下，V=28m/min為優選切削參數，同時切入瞬間產生的衝擊載荷最高接近1200N；刀片左側刃與齒頂圓弧刃的交界區域在主切削力和進給抗力的作用下最易發生破損；在進給量和切深不變的情況下，低速切削有利於減緩磨損，高速切削產生熱量快，刀尖溫度高。由於鈦合金材料導熱係數低、易擴散，高速切削產生的切削熱來不及傳遞出去，極易出現粘刀現象；較小前角能夠分散刀口所承擔的切削力，而后角較大時能夠減輕後刀面和工件間的擠壓摩擦。
原載《工具技術》 作者：李曉曉
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