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PCD刀具干式车削Ti6Al4V的正交试验研究

关键词 PCD , 刀具 , 金刚石|2018-07-30 09:54:41|技术信息|来源 工具技术
摘要 钛与铝、钒等金属元素的合金具有高强度比和高抗腐蚀能力,非常适用于飞机、舰船、装甲和导弹等领域。在高温条件下,钛合金能抵抗裂纹生长和蠕变伸长。Ti6Al4V合金是飞机制造中常用的合金...

        钛与铝、钒等金属元素的合金具有高强度比和高抗腐蚀能力,非常适用于飞机、舰船、装甲和导弹等领域。在高温条件下,钛合金能抵抗裂纹生长和蠕变伸长。Ti6Al4V合金是飞机制造中常用的合金,几乎占所有合金的50%。钛合金具有高温化学反应性、高温强度大、低导热系数以及低弹性模量等特性,当接触区域温度在500℃时,钛合金几乎与所有刀具材料发生反应;只有当接触温度超过800℃时,钛合金抵抗变形能力下降明显,钛合金的难加工性制约了其更广泛的应用。目前,一般加工钛合金基本选择无涂层硬质合金刀具和高速钢刀具,但高速钢刀具的车削速度不超过30m/min,硬质合金刀具的车削速度也不大于60m/min,极大限制了钛合金的加工效率。

        聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,PCD)刀具,因具有比高速钢和硬质合金刀具更高的硬度和耐磨性能、更高的热稳定性和化学稳定性以及更优的导热性能,因而更适用于高速切削,体现了现代先进切削技术的“高效、精密和柔性”的基本特征,代表了高效、高速、绿色切削工具的发展方向。近20年来,PCD刀具在发达国家制造业中已被广泛应用,成为传统切削工具的替代产品之一,特别是用于加工硬脆材料、有色金属及其合金等。

        目前,PCD刀具在加工钛合金方面有许多有价值的研究成果。Ezugwu E.等采用PCD刀具加工钛合金,比较了高压冷却和一般冷却的不同。试验表明:工件材料的重熔和微凹坑是工件表面主要的破环形式,高压冷却加工方法可获得较好的加工表面层,高压冷却方式加工钛合金Ti6Al4V可延长刀具寿命。Nurul Aminl A.等通过对比WC-Co类硬质合金刀具和PCD刀具铣削钛合金Ti-6Al-4V后发现:WC-Co类硬质合金刀具的加工速度不宜超过40m/min,当速度超过40m/min时刀具会发生剧烈磨损;PCD刀具在切削速度为120m/min时可使工件获得与磨削相同的表面粗糙度,其平均表面粗糙度也低于硬质合金刀具。Farhad Nabhani对比了PCD、CBN和KC850刀具在干切削条件下的切削效果。试验表明:超硬材料刀具与涂层硬质合金刀具相比,在抗磨损性和工件表面质量方面都占优,尤其是PCD刀具加工的表面质量最好。Yanuar Burhanuddin等探讨了刀具切削速度、进给量以及刃口钝化对车削Ti6Al4V合金的表面完整性影响。Mustafizur R.等采用PCD刀具精铣加工Ti6Al4V,试验发现PCD刀具未出现月牙洼和后刀面磨损,认为这可能是工件材料和刀具材料在高温作用下发生了化学反应,形成的TiC薄膜对刀具起到了保护作用。Michiko Ota等为了提高钛合金Ti6Al4V的加工效率,选择高导热系数的PCD刀具和硬质合金刀具在湿式环境下进行车削对比试验。试验结果表明:当车削速度超过80m/min后,硬质合金刀具的磨损速度急剧增大,很短时间内就失去切削能力;在车削速度在40-80m/min时,PCD刀具的后刀面磨损较小;而当车削速度高于120m/min时,PCD刀具的后刀面磨损迅速增大;在切削速度为250m/min且保证后刀面磨损相同的条件下,使用高压冷却液可使PCD刀具的切削寿命高于使用传统冷却液寿命的十几倍,证明了在高压冷却液条件下使用PCD刀具可提高钛合金Ti6Al4V加工效率。国内关于加工钛合金的研究主要集中于硬质合金和CBN刀具的寿命和磨损机理、静态切削力和工件表面完整性上,而缺少PCD刀具车削钛合金的工艺参数试验数据以及加工参数优化。

        本试验以研究工件的表面粗糙度WRa和车削刀具后刀面磨损量VB作为评价指标,选用自主设计加工的焊接式PCD车刀对Ti6Al4V钛合金棒料进行干式正交车削试验,寻找合适的钛合金车削加工工艺参数,如切削速度v、进给量f和切削深度aP,通过SEM观测以及能谱分析判断PCD刀具干式车削Ti6Al4V合金的磨损形式。

        1  试验设备和方法

        试验工件采用α+β型Ti6Al4V钛合金棒料,直径100mm,长度300mm,化学成分见表1,物理机械性能指标见表2。PCD刀具是自主设计加工(机械磨削)的焊接式刀具,焊接的PCD复合片选用GE公司生产的Compax 1200,PCD刀具的设计参数见表3。

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        在CAK6150车床上进行干式外圆车削试验。在切削过程中,每间隔一段时间使用万能工具显微镜19JPC-V测量刀具后刀面磨损量,采用表面粗糙度仪TR240测量工件表面粗糙度以及刀具后刀面的表面粗糙度。连续车削10min后,采用S-4800型扫描电镜SEM和能谱分析仪对刀具前后、刀面磨损形态及局部化学成分进行分析。

        采用正交试验方法分析车削参数(车削速度、进给量、切削深度)与工件表面粗糙度、后刀面磨损的关系。表4为正交试验设计和连续车削20min后的试验结果。

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        3  试验结果及分析

        (1)车削参数对工件表面粗糙度的影响

        图1为车削参数与工件表面粗糙度的关系曲线。由图1a可知,当进给量为0.15mm/r时,随着切削速度的增加,工件的表面粗糙度值先降到最小值后再增大,在切削速度为160m/min时,工件表面粗糙值最小;由图1b可知,随着进给量的增加,工件表面粗糙度值随之增大。这可能是由于进给量f增大导致切削径向力增大而引起机床振动;由图1c可知,随着车削深度的增加,工件表面粗糙度值先微弱减少再逐渐变大。钛合金的杨氏模量低,在切削深度小于0.05mm时,变形回弹产生于工件表面,使工件表面质量反而不及切削深度为0.15mm时的表面质量。随着切削深度的逐步加大,加工过程中的动态切削力也随之变大,加工系统的振动以及钛合金的加工变形也随之增大,因此工件表面粗糙度随之增加;当切削深度大于0.15mm时,工件表面的粗糙度值随着进给量的增加而快速增加。

        (2)前后刀面形貌及能谱分析

        PCD车刀连续车削钛合金棒外圆20min后,在扫描电镜下观测前后刀面形貌,观测结果如图2所示。由图可知:在车刀的前、后刀面都可观测到粘附的工件材料,工件材料也部分粘附在切削刃上,但切削刃并没有看到明显的磨损或崩刃现象。

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(a)车削速度

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(b)进给量

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(c)切削深度

        图1  车削参数与工件表面粗糙度的关系曲线

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(a)前刀面(b)后刀面

        图2  PCD刀具前后刀面SEM形貌(连续车削20min后)

        切削加工中,PCD刀具的切削刃并不是理想的直线型锋利刃口,因此在加工钛合金时存在很大的弹性变形。车削时,工件表面与刀具的后刀面相互摩擦。接触的面积相对较小,因此刀具后刀面与工件之间产生了较大的接触压力,刀具磨损自然会发生在这个区域。

        图3a为PCD刀具在加工钛合金前的后刀面刃口能谱图,图3b为PCD刀具加工钛合金后的后刀面刃口能谱图。对比加工前、后的刃口能谱图发现,加工后,钛元素出现在后刀面的能谱中,因此,PCD刀具车削钛合金时粘接磨损是主要的磨损形式。

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(a)加工前

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(b)加工后

        图3  PCD刀具后刀面能谱

        (3)车削参数对后刀面磨损的影响

        图4为车削参数与PCD刀具后刀面磨损的关系曲线。由图4a可知,当切削速度低于160m/min时,后刀面磨损速度随切削速度的增加而缓慢增加;当车削速度大于160m/min后,后刀面的磨损急速上升。由图4b可知,当进给量低于0.15mm/r时,随进给量的增加,后刀面磨损呈缓慢线性增加;当进给量大于0.15mm/r时,随着进给量的增加,后刀面的磨损速度迅速增大。由图4c可知,随着切削深度的增加,后刀面的磨损随之增加;切削深度增加越大,后刀面磨损越快。

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(a)车削速度

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(b)进给量

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(c)切削深度

        图4  车削参数与PCD刀具后刀面磨损的关系曲线

        小结

        (1)当进给量低于0.20mm/r时,钛合金工件的表面粗糙度对切削速度的变化比进给量的变化更敏感。

        (2)PCD刀具车削钛合金工件时,切削速度变化对后刀面磨损的影响要弱于刀具进给量和切削深度。

        (3)PCD刀具干式车削加工Ti6Al4V钛合金的后刀面磨损形式主要为粘接磨损。

        (4)使用PCD刀具干式车削钛合金,采用高车削速度、低切削深度和进给量可以获得表面粗糙度值小和刀具后刀面磨损小的理想效果。可选择切削速度为120-160m/min、进给量0.15mm/r、切削深度0.15mm来获得较理想的加工效果。

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