PCD刀具車削鈦基復合材料的刀具磨損研究*

濮建飛, 宦海祥, 徐九華, 蘇宏華, 霍福松

(1. 鹽城工學院 機械工程學院, 江蘇 鹽城 224051) (2. 南京航空航天大學 機電學院, 南京 210016)

鈦基復合材料是以鈦合金為基體，在其中添加碳化鈦、硼化鈦、氧化鋁、氮化鋁等晶須、顆?；蛘哌B續纖維增強相的金屬基復合材料[1]。與鈦合金基體相比，鈦基復合材料具有質量輕、比強度高、抗氧化性好、耐高溫、耐磨、抗蠕變、抗輻射等突出優點。相比于傳統鈦合金，鈦基復合材料能夠滿足復雜環境下的特殊要求，在航空航天、電子信息、半導體照明和交通運輸等領域具有良好的發展前景[2]。

但是，鈦基復合材料是一種典型的難加工材料，其中的增強相具有超高的硬度、強度以及良好的高溫性能。在切削加工時，增強顆粒會對刀具產生嚴重的犁耕、刻劃等作用，降低刀具的使用壽命，影響工件表面的加工質量，導致加工成本高昂[3-5]。因此，實現鈦基復合材料的高效、高質量加工成為此類金屬基復合材料應用的關鍵。

針對此問題，國內外學者開展了一系列研究。ARMESH等[6]使用PCD刀具對增強相體積分數為10%～12%的TiC/Ti-6Al-4V進行不同切削用量的刀具磨損研究。結果表明：當切削速度為80 m/min，進給速度為0.35 mm/r，切深為0.2 mm時，PCD刀具的耐久度僅為2 min；當切削速度為60 m/min，進給速度為0.25 mm/r，切深為0.2 mm時，PCD刀具的耐久度僅為8 min。GE等[7]采用硬質合金刀具和PCD刀具在切削速度為100 m/min，進給速度為0.08 mm/r，切深為0.5 mm時，對增強顆粒體積分數為10%的(TiCp+TiBw)/TC4顆粒增強鈦基復合材料進行高速車削加工研究，結果表明：由于切削溫度較高，硬質合金刀具中的WC與工件中的Ti元素劇烈反應，導致硬質合金刀具的使用壽命不足1 min，而PCD刀具的使用壽命僅有2 min。BEJJANI等[8]用PCD刀具對顆粒體積分數為10%～12%的增強相鈦基復合材料進行普通車削和激光輔助車削試驗，發現：激光輔助車削能夠有效提高刀具的使用壽命，但由于激光的加熱作用使基體軟化，降低了加工表面的質量。

我們將對不同顆粒和晶須含量的鈦基復合材料開展高速切削試驗，對比2種不同增強相體積分數的鈦基復合材料在不同的切削速度下的刀具磨損形貌，并研究刀具的磨損機理，以期減少刀具磨損，提高復合材料表面加工質量和效率。

1 試驗材料及條件

試驗在寶雞機床廠SK50P臥式數控機床上進行，采用水基乳化冷卻液。

1.1 工件材料

工件材料選用經真空自耗熔煉和熱鍛技術制備的鈦基復合材料TiCp/TC4和TiBw/TC4棒，棒材規格為φ60 mm×50 mm，鈦基體材料為TC4(Ti-6Al-4V)。鈦基復合材料的物理力學性能見表1，其金相組織如圖1所示。從圖1可以看出：TiBw是細長型的晶須，而TiCp主要是等軸狀的顆粒。

表1 鈦基復合材料的物理力學性能

(a) 10%TiBw/TC4(b) 20%TiBw/TC4(c) 10%TiCp/TC4 (d) 20%TiCp/TC4圖1 不同含量晶須/顆粒的金相組織圖Fig. 1 Metallographic structure diagrams of whiskers/particles with different contents

1.2 切削刀具及切削參數

采用肯納公司的PCD刀具(型號Kennametal KD1425，簡稱“肯納刀具”)以及希波爾定制PCD刀具(簡稱“希波爾刀具”)。2種刀具的金剛石基本晶粒尺寸都為25 μm，且刀具尺寸相同，其具體參數見表2，切削時的切削參數見表3。

表2 PCD刀具具體參數

2 試驗結果及討論

2.1 刀具耐用度

刀具磨損的快慢，可以用耐用度來衡量。刀具耐用度低，刀具損耗快，影響加工質量，降低生產率，增加加工成本。一般來說，加工時刀具的后刀面都會產生磨損，而測量后刀面的磨損值又比較方便，因此常用刀具后刀面的磨損尺寸來制訂刀具的磨鈍標準。

表3 切削參數

采用肯納刀具切削表1中的4種不同鈦基復合材料，4組試驗均采用全新的PCD刀具進行。后刀面的磨損量VB隨切削時間的變化如圖2所示。從圖2可以看出：肯納刀具切削4種鈦基復合材料時的初始階段劇烈磨損，其磨損值大致相同；經過約1 min的急劇磨損之后，其后刀面的磨損趨于穩定。

圖2中：在切削TiCp/TC4時，增強顆粒體積分數對刀具耐用度影響顯著，切削體積分數為20%的TiCp/TC4時，刀具耐用度遠低于切削體積分數為10%的TiCp/TC4時的。若以磨鈍標準VB=0.1 mm來衡量，切削體積分數為10%的TiCp/TC4時可以切削約7 min，而切削體積分數為20%的TiCp/TC4時僅有1.3 min，相差5.4倍。同時，在切削TiBw/TC4材料時發現體積分數對刀具耐用度也有一定影響，切削體積分數為10%的TiBw/TC4時的刀具耐用度比切削體積分數20%的TiBw/TC4時的稍好。這說明增強相體積分數對PCD刀具耐用度有顯著影響，體積分數越高，刀具的磨損越嚴重，刀具耐用度越低。

從圖2還可以看出：在切削體積分數為10%的TiCp/TC4時，刀具的耐用度優于切削體積分數為10%的TiBw/TC4時的。這是因為TiBw是直徑為0.30～3.00 μm、長為30～100 μm的晶須狀增強相，而TiCp是直徑為1.25～5.00 μm的顆粒狀增強相(表1)。在切削過程中，刀具接觸TiBw晶須的概率要比接觸尺寸較小的TiC顆粒的概率大，而表1中TiBw的硬度高于TiCp的，從而導致刀具切削TiBw/TC4時其后刀面磨損嚴重，刀具的耐用度變差。與此同時，在切削體積分數為20%的TiCp/TC4時，刀具的耐用度稍低于切削體積分數為20%的TiBw/TC4時的。這是因為在切削20%的TiCp/TC4時，切削速度高，彌補了刀具在單位時間內接觸增強顆粒的次數，從而導致切削20%的TiCp/TC4時的刀具后刀面磨損要比切削20%TiBw/TC4時的快。這說明增強相的種類對刀具的耐用度也有明顯影響，并且增強相TiB對刀具耐用度的影響要大于增強相TiC的。

圖2 鈦基復合材料切削時后刀面的磨損曲線

2.2 刀具磨損

2.2.1 刀具的后刀面磨損

后刀面磨損是PCD刀具切削鈦基復合材料中主要的磨損形式[9]。后刀面會與回彈的已加工表面接觸，且相互擠壓摩擦，從而導致后刀面磨損。使用肯納刀具切削4種材料的刀具后刀面磨損如圖3所示。

(a)10%TiBw/TC4(b)20%TiBw/TC4(c)10%TiCp/TC4(d) 20%TiCp/TC4圖3 肯納刀具切削4種鈦基復合材料后的后刀面磨損Fig. 3 Flank wear of Kennametal tool after cutting four kinds of titanium matrix composites

從圖3可以看出：在表3切削條件下，肯納刀具后刀面出現了明顯的犁溝，并且存在如圖4所示的邊界磨損。同時，圖3a～圖3b的磨損明顯大于圖3c～圖3d的磨損，即切削TiBw/TC4鈦基復合材料時的后刀面磨損明顯大于切削TiCp/TC4時的。這進一步說明硬質增強相的種類對刀具后刀面的磨損有顯著影響，其中TiBw的影響要比TiCp的影響大。

圖4 肯納刀具切削20%的TiCp/TC4時的邊界磨損狀態

2.2.2 刀具的前刀面磨損

肯納刀具切削不同鈦基復合材料時的前刀面磨損掃描電鏡形貌如圖5所示。

(a)10%TiBw/TC4(b)20%TiCp/TC4圖5 肯納刀具切削不同鈦基復合材料時的前刀面磨損Fig. 5 Rake face wear of Kennametal tools when cutting different titanium matrix composites

從圖5可以發現：在表3條件下，以v=60 m/min的速度切削10%TiBw/TC4時，刀具前刀面產生了較多的犁溝磨損以及輕微的月牙洼形貌；在以v=120 m/min的速度切削20%TiCp/TC4時，刀具前刀面出現少量的犁溝磨損，且伴有典型的月牙洼形貌。一方面，切屑部分的增強相受高壓影響，不斷在刀具表面劃擦，從而使其出現犁溝磨損形貌；另一方面，由于高溫高壓的作用，切屑中的基體材料會黏結在刀具表面，并且與刀具中的C元素反應形成TiC，而腐蝕刀具。此黏著層理論上可以保護刀具、減緩刀具磨損，但由于缺少黏結劑，黏著層與刀具的結合強度遠低于增強相與基體的結合強度。在切削過程中，硬質增強相對黏著層不斷地沖擊與摩擦，從而導致黏著層脫落，如此周而復始，形成了典型的月牙洼磨損形貌。

2.3 刀具損傷

2.3.1 刀具崩刃

在切削鈦基復合材料這類較硬金屬時，一旦刀具受到的切削力瞬時波動超過刀具本身的強度，就會出現崩刃情況。出現崩刃的主要原因是PCD刀具的維氏硬度高達8 000 HV[6]，當PCD刀具中的金剛石顆粒尺寸較大時，會降低PCD刀具的韌性和抗沖擊性。當進行高速切削時，鈦基復合材料中的高硬度、高強度增強相會對刀具產生持續性沖擊，再加上切削加工過程中可能出現的高頻率振動，導致PCD刀具中韌性較差的刃口區域產生崩刃現象。

圖6為表3條件下希波爾刀具切削TiBw/TC4鈦基復合材料時出現的崩刃情況。從圖6可以看出：當切削速度相同時，切削增強相含量較高的鈦基復合材料相對增強相含量較低的鈦基復合材料，所造成的刀具崩口相對較大，并且出現了刀具材料的剝落，從而導致刀具的使用壽命有所降低。這也為增強相體積分數越高則刀具磨損越嚴重提供了佐證。

(a)10%TiBw/TC4(b)20%TiBw/TC4圖6 希波爾刀具切削2種TiBw/TC4鈦基復合材料時的刀具前刀面崩刃情況Fig. 6 Edge collapse of tool rake when cutting two kinds of TiBw/TC4 titanium matrix composites with Hipper tool

2.3.2 刀具微裂紋

在高速切削鈦基復合材料時，由于工件材料的特性，在長時間的切削后刀具前刀面會產生微裂紋，如圖7所示。圖7中的希波爾刀具表面有一條明顯的裂紋

(a)前刀面(b)A區放大Rake faceArea A amplification圖7 希波爾刀具前刀面的微裂紋Fig. 7 Microcracks on the rake face of Hipper tool

垂直于切削刃。其主要是由于鈦基復材的基體材料TC4導熱系數小，切削過程中的切削熱不易導出，集中在刀具切削刃附近，使得刀具切削刃部位存在很高的溫度梯度，這種溫度梯度產生的剪應力會導致刀具產生微裂紋。

3 刀具的磨損機理分析

3.1 磨料磨損

在PCD刀具切削過程中，始終存在磨粒磨損。圖8展示了肯納刀具在切削10%TiCp/TC4后，前后刀面的磨料磨損情況。由圖8可以看出：前后刀面上均存在較為嚴重的犁溝狀磨粒磨損痕跡。這是因為在車削增強鈦基復合材料時，雖然鈦基復合材料硬度遠低于PCD刀具的，但由于工件材料存在大量的硬質增強相，車削過程中的高溫高壓使得部分的TiCp和TiBw硬質增強相裸露、剝落和斷裂。這些硬質增強相就在刀具的前刀面和切屑之間以及后刀面和已加工表面之間不斷摩擦劃刻，從而使得刀具出現犁溝狀磨粒磨損。且在高溫條件下，PCD刀具中的金剛石顆粒也由于黏結劑的軟化而脫落，發生和增強相一樣的劃擦過程，進一步加劇了刀具的犁溝狀磨粒磨損[10-11]。

(a)前刀面(b)B區放大Rake face(b)Area B amplification(c)后刀面(d)C區放大Flank faceArea C amplification圖8 肯納刀具切削10%TiCp/TC4時的前后刀面磨粒磨損Fig. 8 Abrasive wear on the frank and rear faces of Kennametal tool in cutting 10%TiCp/TC4

3.2 黏結磨損

PCD刀具在切削鈦基復合材料時，刀具前后刀面都黏結有大量的工件基體材料。圖9給出了肯納刀具切削不同含量鈦基復合材料時的后刀面黏結磨損情況。如圖9所示：2種情況下的刀具都有磨損，但增強相TiC含量越高，刀具黏結磨損越顯著(圖9b)。

(a)10%TiCp/TC4(b)20%TiCp/TC4圖9 肯納刀具切削不同含量鈦基復合材料時的后刀面黏結磨損Fig. 9 Adhesive wear of Kennametal tool in cutting titanium matrix composites with different contents

通過掃描電鏡(SEM)觀察的刀具前后刀面黏結磨損形貌如圖10所示。從圖10可以看出，刀具的前后刀面都附著了大量的基體材料，并且呈現層疊狀。

(a)前刀面(b)D區放大Rake faceArea D amplification(c)后刀面(d)E區放大Flank faceArea E amplification圖10 肯納刀具前后刀面的黏結磨損形貌、Fig. 10 Bond wear morphology of rake and rear face of Kennametal tool

圖11為肯納刀具前刀面的掃描方向及能譜分析結果。從圖11b的掃描結果看到：參與切削的PCD刀具表面主要含Ti、C、V、Al、Co等元素，除了C元素為刀具的成分外，其他的元素皆為鈦合金基體材料的主要成分，這說明刀具表面的黏結物是鈦基復合材料。

造成這種現象的原因是：PCD刀具在切削鈦基復合材料時，工件和切屑在刀具前后刀面不斷滑動，破壞了刀具的表面層；基體材料在切削時產生高溫、高壓，在高溫高壓條件下，基體材料的塑形增加；由于切屑在刀尖處的流動速度較慢，從而形成帶有絕熱剪切性質的滯留層，滯留層對刀具刃口進一步擠壓，從而黏結在刀具表面。隨著切削過程的進行，層層相疊，形成層疊狀黏結層。受拉應力或者剪切應力影響，刀具材料會隨刀面的黏結物一起被工件或者切屑帶走，造成刀具的黏結磨損[12]。

(a)掃描方向(b)能譜分析Scanning direction Energy spectrum analysis圖11 肯納刀具前刀面掃描方向及能譜分析結果Fig. 11 Scanning direction and energy spectrum analysis results of Kennametal tool rake face

4 結論

(1)增強相體積分數對PCD刀具耐用度有顯著影響，體積分數越大，刀具磨損越嚴重、耐用度越低。

(2)增強相的種類對刀具的耐用度有明顯影響，且增強相TiBw的影響要大于增強相TiCp的。

(3)在切削不同鈦基復合材料時，刀具的磨損形貌相似，主要為前刀面和后刀面的磨損，且伴有崩刃以及微裂紋現象。刀具的主要磨損機理是磨料磨損以及黏結磨損，且增強相含量越高，刀具黏結磨損越顯著。