1、机械制造袁芳，等高速铣削 Ti10V2Fe3Al 的刀具磨损试验研究第一作者简介:袁芳(1982)，女，安徽宿州人，工程师，硕士，研究方向为复合材料加工技术研究。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301012高速铣削 Ti10V2Fe3Al 的刀具磨损试验研究袁芳，徐亮，王新永，王凯，陈旭辉，宋楠，韩军，严伟容，王松(航天材料及工艺研究所 先进功能复合材料技术重点实验室，北京 100076)摘要:针对切削加工 Ti10V2Fe3Al 钛合金时刀具磨损迅速、加工效率低的问题，开展硬质合金刀具高速铣削 Ti10V2Fe3Al 的刀具寿命试验，以研究刀具的磨损机理，
2、分析刀面磨损的发展以及对切削力的影响。利用扫描电子显微镜观察了后刀面磨损区域的微观形貌并对元素成分进行了能谱分析。实验结果表明:高速铣削 Ti10V2Fe3Al 时硬质合金刀具的磨损形式为后刀面带状磨损与局部崩刃，伴有明显的切屑黏附与热裂纹;磨损区域有工件材料的元素向硬质合金内扩散的迹象出现;切屑流的黏附与撕扯导致硬质合金的颗粒脱落，切削刃逐步退化为洼形区域，其与后刀面交界的棱边代替原切削刃进行切削直至剥落。关键词:高速切削;Ti10V2Fe3Al;硬质合金刀具;刀具磨损;切削力中图分类号:TG714文献标志码:B文章编号:1671-5276(2023)01-0051-05Experiment
3、 Study on Tool Wear of Highspeed Milling Ti10V2Fe3AlYUAN Fang，XU Liang，WANG Xinyong，WANG Kai，CHEN Xuhui，SONG Nan，HAN Jun，YAN Weirong，WANG Song(Science and Technology on Advanced Functional Composites Laboratory，Aerospace esearch Institute ofMaterials Processing Technology，Beijing 100076，China)Abstra
4、ct:To solve the problems of rapid tool wear and low processing efficiency of machining Ti 10V 2Fe 3Al alloy，theexperiments on the tool life of highspeed milling Ti10V2Fe3Al with the carbide insert were carried out to study the tool wearmechanism and analyze the development of flank wear and its infl
5、uence over the cutting force The scanning electron microscopewas utilized to observe the microcosmic morphology of the wear region and make energy spectrum analysis on the elementcompositions The experiment results show that in the process of highspeed milling Ti10V2Fe3Al，carbide tool wear appears i
6、nthe form of flank wear band and local edge chipping at the tool flank face，accompanied by obvious chip adhesion and comb cracksThe elements diffusion from the workpiece to tool material reveals its sign in the wear region The adhesion and tearing of chip flowleads to the collapse of carbide grains，
7、resulting in cutting edge degeneration to a craterlike region，togather with which，theintersection edge of flank face replaces the original cutting edge in cutting function until spallingKeywords:highspeed cutting;Ti10V2Fe3Al;carbide tool;tool wear;cutting force0引言Ti10V2Fe3A 钛合金(国内牌号为 TB6)是一种具有高强度、高断
8、裂韧性、良好淬透性和优良抗裂纹扩展性能的高强度近 型钛合金。Ti10V2Fe3Al 的综合力学性能与 30CrMnSiA 结构钢相当，但其比强度更高1，正在逐步应用于飞机发动机以及飞机构件上，以替代结构钢与 Ti6Al4V，从而达到减质量的目的。空客 A380 的主起落架支柱应用 Ti10V2Fe3Al 后可为飞机减质量270kg，并且避免了用钢件的应力腐蚀问题2。此外，由于 Ti10V2Fe3Al 具有优良的疲劳强度，也被广泛应用于直升机旋翼系统的桨毂3。目前对 Ti10V2Fe3Al 等 型钛合金的切削加工还存在材料去除率低下以及刀具磨损迅速等问题，制约着生产效率的提升与成本的压缩。许多研
9、究者都认为，在所有类型的钛合金中，型钛合金的切削加工最为困难45，原因在于 型钛合金即使在高温下(400)其力学性能也强于 Ti6Al4V 等+型钛合金6，而 晶粒使得切削区内的金属剪切变形需要消耗更多的能量，从而产生更多的切削力与大量的切削热7，恶化刀具的工作环境，加剧了刀具磨损。在切削钛合金时，切削速度对刀具寿命有着显著的影响。蒋理科等8 使用硬质合金刀具以 30m/min 的切削速度铣削 Ti10V2Fe3Al 时，刀具出现了积屑瘤，且在25 m/min30m/min 的切削速度范围内，多个厂商提供的硬质合金刀具都发生了崩刃的问题。MACHAI C 等9 研究了高速车削 Ti10V2Fe
10、3Al 轴类零件时的刀具磨损，发现沟槽磨损是硬质合金刀具失效的主要形式，即使在低切削速度(vc=50m/min)下也无法完全避免，而在高速切削(vc=150m/min)时后刀面上有积屑瘤生成，伴有突发性的崩刃。针对 Ti10V2Fe3Al 切削加工面临的材料去除率低以及刀具磨损迅速的问题，进行了高速铣削 Ti10V2Fe3Al 的硬质合金刀具寿命试验，研究了刀具寿命内后15机械制造袁芳，等高速铣削 Ti10V2Fe3Al 的刀具磨损试验研究刀面磨损以及切削力的发展，讨论了刀具磨损对切削力的影响，并对高速铣削 Ti10V2Fe3Al 时硬质合金刀片的磨损机理进行了分析，从而为加工以 Ti10V2
11、Fe3Al 为代表的 型钛合金时合理使用高速切削工艺提供了有益的借鉴。1试验方法与设备11工件材料Ti10V2Fe3Al 钛合金属于 型钛合金，试验中Ti10V2Fe3Al 钛合金工件的质量分数见表 1。Ti10V2Fe3Al 的强度、弹性模量、硬度等力学性能列于表21，10。Ti10V2Fe3Al，Ti6Al4V 与 30CrMoSiA 的材料密度、强度与比强度的对比如图 1 所示1112。由于 Ti10V2Fe3Al 拥有优良的比强度，因此其在航空零件上的应用，例如起落架与发动机机翼接头等，正在逐步扩展以替代目前使用的 Ti6Al4V 与 30CrMoSiA 等材料，从而进一步减轻零件的质
12、量。表 1Ti10V2Fe3Al 工件的质量分数单位:%VFeAlTi1013193295其余表 2Ti10V2Fe3Al 的力学性能抗拉强度b/MPa屈服强度02/MPa弹性模量E/GPa硬度/HV断裂韧性 KIC/(MPam1/2)1 1681 0901063905060图 1Ti10V2Fe3Al，Ti6Al4V，30CrMoSiA 的材料性能对比12刀具试验使用的刀具如图 2 所示，可转位刀片的 ISO 代号为 ZDGT150420K85，刀具的规格参数列于表 3，EDS 检测得到的质量分数列于表 4，试验刀片的硬质合金近似于原国标 YG6，成分为 W、C 与 Co。图 2试验刀具表
13、3试验刀具的规格参数前角/()后角/()主偏角Kr/()螺旋角/()刀尖圆角半径 r/mm刀具直径Dc/mm2515900225表 4刀片硬质合金质量分数单位:%WCCo856986256913试验参数高速切削试验在 NQVC1060 立式加工中心上进行，切削参数见表 5。切削方式为顺铣，使用了微量润滑(MQL)油雾冷却(Blaser Vascomill MMSFA12 切削油，喷射流量 30mL/h)。刀具在试验中仅安装单个刀片，以后刀面磨损(VB)达到 03mm 作为判定磨损的标准。表 5实验切削参数切削速度vc/(m/min)每齿进给fz/(mm/z)切深ap/(mm)切宽ae/(mm)
14、10001512000151300015114表征方法实验使用压电式切削力测量系统，测量了高速切削Ti10V2Fe3Al 钛合金的切削力，该系统由 Kistler9625B三向测力仪、Kistler 5073A 型电荷放大器、数据处理板卡以及配套的 DynoWare 数据采集与处理软件组成，采样频率设定为 10 000Hz。Fx平行于切宽方向，Fy平行于刀具的进给方向，Fz平行于主轴轴向，如图 3 所示。实验每次切削行程 L 为 80mm，在单段切削行程中，取稳定切削状态下各方向切削力峰值的平均值为切削力的数值，切削力25机械制造袁芳，等高速铣削 Ti10V2Fe3Al 的刀具磨损试验研究的最
15、大值提取与平均值计算使用 MATLAB 软件计算完成。图 3切削力的测量试验使用了 CXSP2KCH 型 CCD 显微相机及其配套测量软件以观察刀片的后刀面磨损量(VB)，以 VB 达到03 mm 作为判定刀具磨损的标准。在试验结束后，对已经达到磨损标准的刀片进行了部分酸洗处理。部分酸洗处理使用经过稀释的氢氟酸，对刀片的磨损区域所黏附的钛合金进行微量的腐蚀，可以达到去除部分黏附物的效果，显露出磨损后的硬质合金刀片基体的同时也能保留部分的黏附物。随后使用扫描电子显微镜(Zeiss EVO18)观测试验刀片的磨损区域微观形貌，并使用配套的 BUKE能谱仪(EDS)检测了磨损区黏附物的化学成分。2结
16、果与讨论试验在不同切削速度(vc=50/100/200/300m/min)下，测试了切削 Ti10V2Fe3Al 的刀具寿命。各切削速度下的刀具全寿命切削行程(即在达到磨损标准前的总切削行程)与金属去除率 Q 如图 4 所示。切削速度的提高能成比例地提高材料去除率，但进行高速切削时，刀具的使用寿命相应地不断减少，vc=100m/min 时的全寿命切削行程为 3 760mm(折合净切削时间约为 30min);vc=200m/min 时的全寿命切削行程为 2 240mm(折合净切削时间约为 9min);而vc=300m/min 时的全寿命切削行程仅为 1 840mm(折合净切削时间约为 5min)。显然，在高速切削 Ti10V2Fe3Al 时刀具的寿命对切削速度的提高非常敏感。图 4不同切削速度下的刀具全寿命行程与金属去除率试验记录了高速切削过程中后刀面磨损量(VB)的发展以及各向切削力随刀具磨损发展的变化。本文选取其中典型的高速切削(vc=300m/min)参数进行分析。硬质合金刀具后刀面磨损量(VB)的发展情况如图 5 所示，根据增长的速度，可以由先至后大致划分为初始磨损阶段、快速磨损
