高速切削钛合金刀具磨损的研究现状.doc

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高速切削钛合金刀具磨损的研究现状

学院：

机械与车辆学院

专业：

机械工程

班级：

11级硕3班

目录

目录 2

引言 2

1.钛合金的分类 2

2.高速切削技术 3

3.刀具磨损的形式 4

4.刀具失效机理研究 4

5.高速切削钛合金刀具磨损破损的研究现状 5

6.小结 8

7.参考文献 8

引言

钛合金Ti6A14V具有比强度高、耐热性和耐蚀性好等优良性能，被广泛应用于航空航天工业，然而由于其导热系数低、化学活性高、弹性模量小等特点使成为典型的难加工材料，引起加工过程中刀具磨损破损严重、生产效率低等问题。

分别讨论硬质合金刀具，PCBN刀具，陶瓷刀具切削钛合金的磨损机理及其研究现状的分析。

1.钛合金的分类

钛合金是20世纪50年代初开始工业化生产并逐步发展起来的一种高性能的结构金属，由于其具有比强度高、耐热性好、耐蚀性好等优良的综合性能，不仅使其成为现代航空航天工业中不可缺少的材料，而且在造船、化工、冶金、医疗等方面也获得了广泛的应用。

然而，钛合金具有导热系数低、弹性模量小、化学活性高等固有属性，使其成为一种典型的难加工材料，导致钛合金加工过程中存在加工效率低、刀具寿命短、表面质量差等问题。

钛合金的分类

（1）α钛合金

退火组织为单一α相固溶体的钛合金称为α钛合金。

α钛合金主要含有α稳定元素和中性元素，如铝、锡、锆，基本上不含或仅含少量的β稳定元素，如钒、钥、锰、铁、铬等。

广义的α钛合金可包括在平衡状态下只含很少β相的近α钛合金。

高合金化α钛合金其高温性能好，组织稳定，焊接性和热稳定性好，是高温钛合金发展的方向。

由于近α合金具有优异的综合性能，故大多数高温钛合金属于近α型。

低合金化的a钛合金强度虽较低，但具有较好的低温加工变形性能，因而易于加工成丝材薄壁件如用作发动机导风罩等。

α钛合金在我国的牌号中用TA后面加上一个合金序号表示，如TA2、TA7等。

（2）β钛合金

从β区淬火后能将β相保留到室温的高β稳定元素含量的钛合金，一般称为β钛合金。

广义的β钛合金包括在平衡状态下具有较多α相的近β钛合金、具有较少α相的介稳定β钛合金和不含α相的全β钛合金。

工业上实际应用的多是近α钛合金和介稳定β钛合金。

β钛合金具有良好的变形加工性能，经淬火、时效后可获得很高的室温强度，并具有强度和断裂韧度之间的良好组合，以及较高的应力腐蚀抗力。

该类合金高温组织稳定性差，焊接性能也不好。

β钛合金在我国用TB后跟合金序号表示，如TB2、TB6等。

（3）α+β钛合金

α+β钛合金一般也称为两相钛合金，其平衡状态下的组织以α相为主，β相含量通常9%~30%。

两相钛合金具有较好的综合力学性能，强度高于α钛合金，可热处理强化，热压力加工性好，有些α+β钛合金（如TC11）的耐热性也比较好，但该类合金组织稳定性相对α钛合金较差（指β相的分解）。

低β相含量的α+β钛合金的焊接性能良好，但随着刀相含量的增多，焊接性能逐渐变差。

α+β钛合金是工业上应用最多的一类钛合金。

如TC4、TC11等分别为发动机前轴颈、盘件、叶片和前机匣等关键结构件的材料。

α+β钛合金国内的牌号为TC后跟合金序号，如用量最大的TC4和TC11等。

2.高速切削技术

高速切削技术（HighSpeedCutting，HSC）是近几年发展起来的一种集高效、优质、低耗于一身的先进制造工艺技术，是切削技术的重要发展方向之一。

随着高速机床、高速刀具在航空、航天、汽车、模具等行业的广泛应用，高速切削加工技术的研究己成为衡量一个国家先进制造技术水平的重要标志之一，必将成为21世纪的机械制造业的一场技术革命。

3.刀具磨损的形式

切削时，刀具的前刀面和后刀面经常与切屑和工件相互接触，产生剧烈摩擦，同时在接触区内有相当高的温度和压力。

因此在刀具前、后刀面上产生磨损。

前刀面被磨成月牙洼，后刀面形成磨损带，多数情况是两者同时发生，相互影响。

（1）前刀面磨损

月牙洼磨损的形成过程：

切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，由于切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触和摩擦，化学活性很高，反应很强烈，接触面又有很高的压力和温度，接触面积中有80%以上是实际接触，空气或切削液渗入比较困难，因此在前刀面上形成月牙洼磨损。

使刀刃强度降低，易导致刀刃破损。

（2）后刀面磨损

切削时，工件的新鲜加工表面与刀具后刀面接触，相互摩擦，引起后刀面磨损。

由于切削刃不是理想的锋利，而有一定的钝圆，后刀面与工件表面的接触压力很大，存在着弹性和塑性变形。

因此，后刀面与工件实际上是小面积接触，磨损就发生在这个接触面上。

（3）边界磨损

切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外表皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹。

此两处分别是在主、副切削刃与工件待加工或已加工表面接触的地方。

4.刀具失效机理研究

刀具磨损的原因有：

（1）磨粒磨损，

（2）粘结磨损，（3）扩散磨损，（4）氧化磨损

切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生破损。

刀具损坏到一定程度，就要换刀或更换新的刀刃，才能进行正常切削。

刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。

前者是连续的逐渐磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种。

刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力和切削温度增加，甚至振动，不能继续正常切削。

因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。

由于工件、刀具材料和切削条件变化很大，刀具磨损形式也各不相同，故其磨损原因很复杂。

（1）磨粒磨损

由于切削的相对运动，使刀具的前刀面不断与切屑底面接触摩擦，后刀面不断与工件表面接触摩擦。

在较大的接触应力作用下，刀具表面的高低不平处经常被一些硬质点挤平或擦伤，刻划出深浅不一的沟痕，这主要是硬质点磨粒的切削作用造成的。

在高速铣削钛合金过程中，磨粒磨损属于正常的磨损。

（2）粘接磨损

刀具与工件实际的接触摩擦表面积很小，局部压力很大，接触面之间形成了新鲜表面接触。

当接触面之间的距离达到原子间的距离时就产生粘结，而接触面有了滑动就在粘结处产生剪切破坏，造成粘结磨损。

刀具的粘结磨损是发生在一定的切削条件下，前刀面的粘结特征是出现积屑瘤。

由于钛合金硬度相对较低，化学活性很高，切削过程中极易产生粘结磨损。

磨损的程度与压力、切削速度、工件材料与刀具材料的亲和力、硬度比有关。

当粘结磨损到一定程度后，粘结物的剥落会加快刀具的失效。

（3）扩散磨损

往往同粘结磨损一起产生。

切削时，在高温作用下，刀具表面始终与被切出的新鲜表面接触，接触面间的分子活动能量很大，造成了元素之间的相互扩散、置换。

其结果是降低了刀具表面的强度、硬度，改变了刀具材料的机械性能，如果再经摩擦作用，刀具极容易被磨损。

（4）化学磨损

这是一种化学性质的磨损。

在高温下，主副切削刃与钛合金表面接触，硬质合金中的CO、WC和TIC等元素与空气中的O:

发生氧化作用，化合成脆性、疏松、低强度的氧化膜。

这些化合物与刀具材料连接强度降低，当受到工件表层中氧化皮硬化层和切屑等的冲击和摩擦作用，极容易被切屑或工件擦伤粘走，造成刀具磨损。

5.高速切削钛合金刀具磨损破损的研究现状

在钛合金加工过程中，刀具磨损严重是一个十分突出的问题，由于钛合金化学活性高，导热系数低导致了切削过程中切削温度高，化学反应剧烈，刀具快速失效。

近年来新型刀具发展取得了显著的进步，出现了大量的新型刀具材料，其中包括硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石（PCD）。

针对钛合金加工过程中刀具磨损严重这一问题国内外应用不同的刀具材料对钛合金进行加工试验，并对钛合金加工刀具磨损形式做了大量研究。

（1）高速钢刀具

Bhaumik等指出利用高速钢刀具切削钛合金过程中由于高速钢刀具会与钛合金发生强烈的化学反应而导致刀具的快速磨损。

Lacalle等指出利用高速钢刀具加工钛合金过程中，切削速度不能太高，最大不超过30/min。

李友生等指出适合钛合金加工的高速钢刀具包括高钒高速钢、高钴高速钢、高铝高速钢，其中Co元素能增加高速钢的高温硬度和耐磨性，同时改善它的导热性，从而提高具寿命。

（2）硬质合金刀具

钨钻类硬质合金是目前来加工钛合金最主要的刀具材料。

国内外学者针钛合金加工机理的研究也都大多围绕硬质合金刀具进行。

研究表明硬质合金刀的晶粒大小以及Co元素含量的多少直接影响其切削钛合金时的性能。

李友生等指出YG类硬质合金刀具更适合加工钛合金，而YT类不适合用来加工钛合金料。

Ezugwu指出WC-Co硬质合金刀具具有优良的性能适合加工钛合金材料，当WC晶粒的平均尺寸在0.8-1.4μm时，钨钻类硬质合金刀具的使用性能达最好。

Lacalle和Bhaumik均指出硬质合金刀具不适合在高速下切削钛合金材料

T.Ktagana等人在1997年研究钛合金切削加工中使用K10硬质合金刀具120m/min的切削速度下可切削100多米。

（3）涂层刀具

传统切削加工认为涂层刀具不适合加工钛合金，由于传统的涂层大多为Ti和TICN涂层，而涂层中的Ti元素容易与工件发生亲和而导致刀具快速磨损。

Ezugwn研究了在相同的切削条件下，使用单层TiN的PVD涂层和多层TiN/TiCN/TiN的PVD涂层进行Ti6Al4V的切削，研究表明多层的涂层刀具性能要优于单层。

Lopez等研究了CrN和TiCN涂层的高速钢刀具的切削性能。

（4）立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼具有硬度高，耐热性好而且具有很高的稳定性，这些都使其成为高速切削钛合金的良好的刀具材料。

由于CBN刀具价格昂贵，国内机构还没有深入的进行研究，国外学者已经对CBN和BCBN刀具高速切削钛合金都做了研究，Ezugwu等指出CBN刀具在高速切削钛合金后刀具出现严重破损，CBN刀具不适合在高速下加工钛合金。

Z.A.Zoya和R.Krishnamurthy研究了CBN刀具高速切削钛合金刀具的性能，证明加工钛合金时刀具主要受切削热的影响，由于CBN刀具的热软化和刀尖处的变形，引起了摩擦热的增加，导致刀具磨损加剧。

他们发现，临界温度700℃可以来评价刀具的寿命。

他们还发现切削速度在185m/min时能得到很好的工件加工表面粗糙度，因此用CBN刀具钛合金时的推荐的切削速度范围为185~220m/min。

CBN刀具的磨损下几种形式:

后刀面的塑性变形、扩散磨损和低周期疲劳。

其磨损原决于钛合金、刀具材料、氮和空气中氧的反应。

E.O.Ezugwu等人研究了不同CBN高速切削钛合金Ti6Al4v时刀具的切削性能。

实验切削速度最高达到250m/min，在不同的冷却液条件下进行。

他们研究了刀具磨损和破损，切削力和进给力，以及已加工表面的表面粗糙度。

研究发现CBN刀具在切削速度150m/min下加工钛合金Ti6A14V刀具寿命较短，这可能是因为快速的沟槽磨损和过多的切削刃崩刃与高的扩散磨损率引起的，使得CBN刀具的底层的结合强度变弱。

他们还发现随着CBN含量的增加，沟槽磨损的速度就加快，缩短刀具寿命。

Bhaumik等人用WBN-CBN复合刀片切削加工钛合金Ti6A14V，并且研究了这种刀片的磨损机理。

WBN-CBN复合刀片是通过在高温高压下烧结WBN（密排六方氮化硼）粉末制成的刀具。

在烧结的过程中，一定量的WBN相转化成CBN相，最后形成了WBN-CBN复合物。

基于X射线分析，他们指出月牙洼区域存在钛元素，粘结层也包含钛的一些化合物，例如硼化钛或是氮化钛。

当粘结的物质去除以后，刀具前后刀面的磨损就加剧了。

他们还做了硬质合金刀具切削加工钛合金Ti6Al4V的实验，硬质合金的刀具寿命被前刀面加速增长的月牙洼磨损和刀尖的变形所限制。

Zareena研究了BCBN（无结合剂的CBN）刀具高速铣削钛合金Ti6A14V，并与PCD刀具作了比较。

在实验中