九游娱乐：细晶粒硬质合金刀具铣削钛合金损坏机理的研究
编辑：小编 日期：2024-11-20 20:31 / 人气：
* 国家自然科学基金资助项目( 项目编号: 50575126) 全国优秀博士学位论文作者专项资金项目( 项目编号: 200231)
学何宁等[ 8] 对各种低温切削条件下的钛合金加工进 行了研究; 山东大学陈建岭等[ 9] 对钛合金加工中的 切屑形成机理及有限元仿真进行了研究探讨, 在钛 合金加工方面取得了一些重要成果。
钛合金具有良好的强度、高温稳定性和耐腐蚀 性等优异特性, 在核工业、航空航天、潜艇工业、化工 等行业得到了越来越广泛的应用[ 1] 。特别是 型钛合金中的 T i6Al4V( TC4) , 其用量占到目前所用 钛合金的一半以上。这种钛合 金材料强度和 硬度 高、弹性模量低、热导率小, 且在高温下化学活性强, 因此加工难度较大。
目前, 采用细( 超细) 晶粒硬质合金刀具材料加 工钛合金等 难加工材 料已成为 一种发 展趋势[ 10] 。 但是, 对于用细晶粒硬质合金镶齿铣刀加工钛合金 时刀具的损坏形态和失效机理, 目前获得的研究成 果还不太多。本文通过切削试验, 研究了细晶粒硬 质合金刀具铣削加工 - 钛合金时刀具的损坏形 态和机理, 并据此提出了延长刀具寿命、提高加工效 率的途径和方法。
本试验的目的是分析细晶粒硬质合金刀具铣削 钛合金材料 TC4 时的刀具 损坏形态与失 效。刀具 失效 标准设定为 加工表面 粗糙度达 到或超过 Ra3 2 m。铣削加工后, 采用高温显微 镜观察刀具 刃口形貌和前、后刀面的磨损形态; 采用能谱分析仪 ( EDS) 分析刀具表面材料成分, 研究被加工表面损 坏机理。
碳贫钴的区域, 造成颗粒间的粘结相减少, 刀具材料 硬质相颗粒之间的结合强度降低, 使刀具强度下降, 表面脆化。
3. 3 刀具的灼烧氧化和表面剥落 通过铣削试验发现, 刀具的灼烧氧化是刀具失 效的另一重要因素。在加工过程中, 当切削区温度 高于 600 ! 时[ 11] , 硬质合金刀具的表面层就会发生 不同程度的摩擦烧伤, 严重时容易使刀具产生裂纹, 裂纹附近的磨削表面常常出现氧化变色( 蓝、紫等色 相间的钨 氧化物颜色) 。图 4a 为刀具 表面的灼 烧 点。出现灼烧现象会对刀具材料中的粘结相 Co 产 生很大影响, 使其在高温下氧化生成 Co3O4 和 CoO, 从而使粘结相缺失, 导致硬质相颗粒易于被摩擦力 所带走。当温度超过 850 ! 时, Co 元素会出现剧烈 扩散, 使粘结相的迁移 流动加速, 刀具表面强 度下 降。 铣削过程可被视为一个断续冲击切削过程, 在 法向力和摩擦力的交互作用下, 在表层与次表层之 间将可能产生塑性变形, 次表层中的 WC 颗粒有可 能部分受损, 随着损伤的不断累加, 内部的微小裂纹 在应力作用下将沿平行表面扩展, 当相邻的裂纹贯 通并延长后, 表层材料将从基体分离, 形成层片状碎 块( 见图 4a) 。分析表明, 元素间的 扩散( 互 溶性影 响) 和次表层材料的损伤( 断续冲击) 对造成粘结破 损有着重要影响。 图 4b 为刀具表面剥落区的微观形貌。产生剥 落的主要原因是刀具在断续的交变应力和变化的温 度冲击下发生疲劳失效, 尤其是温度梯度导致表层 与次表层之间温差较大, 当中间温差带较小时, 容易 促使表层金属从刀具表面剥落, 造成刀具表面损坏。 由于铣削为断续切削, 温差引起的热拉应力对刀具 的破损将产生重要作用。
( 3) 铣削钛合金时, 因切削力大、切削温度高而 产生的高温高压应力场导致刀具材料与工件材料在 局部区域产生粘结, 是造成粘结破损的主要原因; 刀 具与工件材料之间的元素扩散和次表层材料的损伤 对粘结破损也有一定影响。
( 4) 在铣削过程中, 循环热应力和热应变交互作 用产生的热力耦合强应力场是导致刀具破损的主要 原因。
摘 要: 基于用 Y330 细晶粒硬质合金 刀具高速铣削 T i6Al4V 钛 合金的试 验, 分析了 刀具的损 坏形态 和失效 机 理。结果表明 , 在给定的切削条件下, 刀具的损坏形态以崩刃和灼烧为主, 同 时伴有表 面材料扩散。 据此提出了 延 长刀具寿命、提高加工效率的途径。
必然造成刀具局部区域应力集中, 由于这部分区域 结构的不均匀性, 往往成为裂纹产生并传播的发源 地。同时, 由于切削和空切的循环变化, 刀具表面及 内部的温度发生周期性变化: 空切时, 刀具前刀面被 冷却液冷却, 温度降低, 其表面受拉应力作用; 切削 时, 刀具前刀面受热, 温度上升, 因热膨胀导致产生 压应力。在拉、压应力的交替作用下, 致使刀具局部 区域产生热裂现象。由图 2a 可见, 在初始 切削阶 段, 刀具刃 口上有微小崩刃裂 口, 随着 切削继续进 行, 刀具磨损量增大, 由初始的刀具边缘微崩发展到 图 2b 所示的崩刃, 直至刀具损坏失效。其失效机理 为: 铣削时, 因铣刀与工件接触时间相对较长, 切屑 在应力和高温作用下易软化粘附在前刀面上, 并在 断续加工产生的周期性机械力冲击下发生脱落, 同 时在机械冲击和热冲击的双重作用下, 在刀刃上形 成微裂纹, 这种裂纹将沿着应力集中区域扩展。同 时, 在铣削的高温高压作用下, 刀具后刀面与底刃相 接处的局部区域与钛合金工件发生粘附, 随后粘附 物被切屑带走形成撕裂区, 造成粘结磨损。另一方 面, 随着磨损的加剧, 刀具发生颤振, 由原来的稳态 加工转变为非稳态加工, 加速了刀具的磨损和破损。
Y330 硬质合金刀具材料的晶粒 分布如图 1 所 示。图 1a 和图 1b 分别为放大 2000 倍和 7800 倍的 表面微观形貌。可以看出, 该材料的晶粒分布范围 较小, 碳化物相分布均匀, 粘结相弥散分布在硬质相 的间隙之中, 硬质相与粘结相接触紧密。从微观结 构上看, 该刀具材料中不存在较大晶粒团聚和空隙 结构等微观缺陷。
为了从根本上提高钛合金加工效率、延长刀具 寿命, 最有效的方法是控制切削区温度和减小刀具 与工件之间的摩擦。同时, 需要开发和应用具有良 好的高温稳定性, 与钛合金不易发生扩散粘附的新 型刀具材料。对于以崩刃为主的破损失效形式, 则 应根据刀具破损寿命分布规律, 确定刀具破损及刀 具寿命与切削用量和切削条件之间的关系, 以最大 限度地避免因采用不适当的加工参数而导致的刀具 损坏。
铣削试验在五轴加工中心上进行。加工对象为 T i6Al4V( TC4) 钛 合金, 其室 温物 理 性能 如 表 1 所 示[ 11] 。采用陕西硬质合金厂生产的 Y330 细晶粒硬 质合金 4 齿立铣刀进行槽铣试验, 加工用量及方式 如表 2 所示。
通过用 Y330 细晶粒硬质合金刀具铣削 TC4 钛 合金的切削试验, 分析了刀具的主要磨损和破损形 态与机理, 得出如下结论:
( 1) 铣削钛合金时, 刀具的崩刃、表面材料扩散 及剥落是刀具损坏失效的主要形式。
( 2) 对刀具不同区域材料成分的分析表明, T i 元 素的扩散依赖于刀具与工件之间的摩擦状态和接触 面的温度及温度梯度。
用高温显微镜观察加工后的刀具刃口和前、后 刀面, 结果表明, 试验用的 Y330 细晶粒硬质合金刀 具均表现出前、后刀面磨损、主切削刃崩刃及刀尖崩 塌等失效形式( 如图 2 所示) 。
3. 1 刀具崩刃机理分析 在铣削过程中, 切屑与刀具前刀面相互挤压, 同 时后刀面与被加工表面相互摩擦。塑性变形的发生
3. 2 材料扩散机理分析 硬质合金刀具铣削钛合金时, 由于铣削区的温 度很高, 且刀具表面始终与刚切出的工件表面相接 触, 切屑、工件和刀具的前后刀面均具有较强的化学 活性, 工件材料中的钛元素容易与刀具材料中的碳 元素发生反应, 在界面处生成 TiC 过渡层。对刀具 表面成分的测量分析结果( 见图 3) 表明, 在立铣刀 端部高温区发现有钛元素扩散( 图 3a) , 但量较少, 可能与 T i 扩散时所需温度有关。在远离刀刃工作 区的低温区未发现 Ti 元素的存在 ( 图 3b) , 表明 T i 的扩散在很大程度上依赖于刀具与工件之间相对摩 擦区的温度。在刀具与工件的接触表面, 不仅温度 很高, 而且温度梯度很大。在温度梯度的作用下, 一 方面钛合金中的 T i 等元素向刀具中扩散, 与刀具中 的 C 元素反应生成 TiC 层, 在刀具与工件间的循环 摩擦力和冲击力作用下, 新产生的 TiC 层不断被磨 掉, 又促使新的扩散层不断形成; 另一方面刀具中的 Co 向高温区扩散, 在刀具与工件的接触面上形成富
在高速铣削钛合金时, 刀具的磨损/ 破损是制约 加工效率和质量提高的主要因素。通过分析刀具的 损坏形式和机理以延长刀具寿命, 是提高钛合金加 工效率的关键。铣削作为一种断续切削过程, 循环 机械应力与热应力对刀具寿命、失效形式和磨损机 理的影响十分显著。在多数情况下, 循环机械应力 与热应力的交互作用是引发刀具产生显微裂纹、发 生微崩刃并沿裂纹扩展, 最终导致刀具破损失效的 主要原因。
近年来, 国内外学者对钛合金的加工及刀具问 题进行了各种研究。例如: E O Ezugwu, Z M Wang 和 其他一些研究者[ 2~ 6] 对钛合金加工中的刀具磨损与 破损进行了研究, 并对热裂纹现象进行了深入分析; L Reissig 等[ 7] 对切削加工过程中加工表面结构随温 度的变化规律进行了试验与分析; 南京航空航天大