氮气介质下铣削钛合金时的刀具磨损问题

　　摘要：通过大量的试验，对氮气介质下铣削钛合金时的刀具寿命和磨损特征进行了分析和研究，从而得出了在氮气介质下铣削钛合金比干铣削具有明显优势的结论，探讨了氮气介质下铣削钛合金时的刀具磨损机理。

　　钛合金属于难加工材料，切削加工性较差，限制了它的进一步推广和使用。为了提高钛合金的切削加工效率和切削质量，除了工业生产中迫切需要改善其切削加工性外，还要对钛合金的切削工艺、切削过程中的各种现象等进行深入细致的研究。众所周知，钛合金切削加工中的一个突出的问题是刀具耐用度低，容易出现缺口、崩刃、剥落等现象。近年来，我们通过大量的试验，对氮气介质下铣削和干铣削钛合金TC4时的刀具寿命和磨损特征进行了分析和研究。

1 材料的切削性能

钛合金TC4的组成为Ti-6AL-4V，属于(a+b)型钛合金，其切削性能表现为：

·切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3～3/4，可是钛合金切屑与前刀面的接触面积却更小，只有45钢的1/2～2/3，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，是45钢的1.3～1.5倍，刀尖或切削刃容易磨损甚至损伤。

·热传导率低。钛合金的导热系数分别是铁和铝的1/4和1/16，刀具与切屑的接触长度短，使得切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，容易造成刀具磨损加快。

·化学活性高。钛合金高温时化学活性很高，能与空气中的氢、氧和水蒸气等成分起化学反应，容易在钛合金表面生成硬化层，其结果降低了工件塑性且使切屑与前刀面的接触长度减少，进一步加速了刀具磨损。

·摩擦系数大。在相同条件下，钛合金材料与普通碳钢相比其摩擦系数大，切屑流经前刀面时所作的摩擦功大，导致摩擦界面温度更高，刀具易于磨损。

·弹性模量小。钛的弹性模量为1078MPa，约为钢的1/2。由于钛合金弹性模量小、曲强比大，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。

2 试验条件及结果分析

1）试验条件

机床：瑞士MIKRON公司生产的UCP710五坐标加工中心。
工件材料：钛合金TC4。
刀具：M2AL高速钢立铣刀，直径12mm，3齿。
铣削方式：顺铣，周铣。
铣削参数：ap=6mm，ae=1mm，fz=0.08mm/z，v=30，40，50，60m/min。
铣削介质：空气，氮气。
刀具磨钝标准：后刀面磨损值VB=0.2mm。

2）结果分析

·钛合金的干铣削

　　首先在空气中进行钛合金的干铣削试验，从图1可以看出，随着切削速度的增加，刀具的磨损速度也在加快。对于同一切削速度，随着铣削时间的增加，铣刀后刀面的磨损也在加大。不同切削速度下的铣刀后刀面的磨损曲线形状也不相同，在切削速度50m/min和60m/min时，刀具磨损很快，磨损曲线陡直；而当铣削速度分别为30m/min和40m/min时，刀具磨损较慢，磨损曲线较为平缓，其中切削速度30m/min时的刀具寿命是60m/min的26.18倍。

图1 干铣削条件下刀具后刀面的磨损曲线

图2 氮气介质下刀具后刀面的磨损曲线

图3 氮气介质下铣削和干铣削钛合金时刀具磨损情况的对比