图3为磨损后硬质合金刀具的SEM照片和EDS元素分析。从图3(a)中可以看出:硬质合金刀具前、后刀面出现明显犁沟状的磨粒磨损,但刀具前刀面的磨损形式不同于切削其它金属材料时形成的月牙洼磨损,而是前刀面的磨损区域直接和切削刃相连,最大磨损部位也发生在切削刃处。这是由于高速切削加工T-i6A-l4V时,前刀面的刀-屑接触长度很短,切削力集中在切削刃附近,高的切削温度使切削刃发生软化和变形,形成切削刃处磨损最大的斜面磨损形式[10]。对图3(b)分析,可以发现刀具前、后刀面粘结大量的工件材料,这是造成刀具粘结磨损的重要原因。同时粘结层与刀具前、后刀面紧密接触,在高温高压下,刀具材料中的元素会向粘结层中发生扩散,从而又造成刀具的扩散磨损[11]。所以刀具的粘结磨损和扩散磨损同时发生,又相互促进,共同影响刀具的使用寿命。从图3(b)中还发现在刀具前、后刀面磨损边缘区的3点和4点除粘结少量钛合金材料外,还有O元素。这是由于在高的切削温度作用下,刀具材料与氧气发生化学反应的结果。而刀具材料的高温氧化产物比较疏松,极易被高速滑动的切屑带走,从而造成刀具的氧化磨损[11]。在刀具前、后刀面的磨损区内,没有发现O元素。这是由于切屑与前刀面以及工件与后刀面在切削力作用下紧密接触,
氧气无法渗入。
图4为磨损后硬质合金涂层刀具的SEM照片
和EDS元素分析。对图4进行分析发现:涂层刀
具前刀面的磨损形式与硬质合金刀具的磨损形式
一样,也是切削刃处磨损最大的斜面磨损形式;刀
具前、后刀面也出现明显的磨粒磨损;在刀具前、后
刀面磨损边缘区有较高含量的Al、Ti、N、O和少量
的V元素,这说明在刀具磨损边缘区粘结有少量
工件材料,刀具的涂层未被完全破坏,O元素的存
在说明在涂层刀具的磨损边缘区同样存在刀具的
氧化磨损;在刀具前、后刀面磨损区内,没有发现N
元素,且Al和V元素含量较少,这说明在磨损区内刀具的涂层已经完全被磨损掉;在刀具前、后刀面粘结有工件材料,会发生刀具的粘结磨损和扩散磨损,在刀具前刀面磨损区内还出现W、C和Co元素,这说明前刀面磨损剧烈,刀具表面的粘结层不断被滑动切屑粘结带走,
裸露出刀具基体。
图5为磨损后CBN刀具的SEM照片和EDS元素分析。从图5中可以看出:CBN刀具的前刀面磨损区也与切削刃直接相连,磨损形式为切削刃处磨损最大的斜面磨损;由于CBN刀具的硬度非常高,在刀具前、后刀面没有明显犁沟状的磨粒磨损痕迹,同时由于CBN刀具材料的脆性大,断裂韧性低,在切削过程中,刀具不断受到机械和热的冲击,在刀具前、后刀面还出现刀具材料的大块剥落和微小崩碎现象,但不影响其使用性能;CBN刀具前刀面的切削刃附近磨损剧烈,粘结的工件材料被高速滑动的切屑带走,裸露出黑色的刀具基体,前刀面距离切削刃较远处及刀具后刀面明显存在工件材料的粘结层,刀具表面的粘结层会造成刀具的粘结和扩散磨损;在CBN刀具的磨损边缘区没有发现O元素,这是由于CBN刀具材料的导热系数较大,且CBN的氧化温度在1000 以上[11]。
3 结 论
a.3种刀具材料相同切削参数下高速车削加工T-i6A-l4V时,硬质合金刀具的使用寿命最低,涂层刀具的刀具寿命约为硬质合金刀具的1.6倍,而CBN刀具的使用寿命是硬质合金刀具寿命的3倍以上。
b.整个车削过程中,CBN刀具的切削力比较稳定。随着不断切削,硬质合金刀具和涂层刀具的切削力均迅速增大。车削过程中,涂层刀具的切削力比硬质合金刀具的切削力小。
c.3种刀具的前刀面磨损形式不同于常规月牙洼磨损,而是切削刃处磨损最大的斜面磨损,其中在CBN刀具的前、后刀面还伴有剥落和崩碎现象。3种刀具材料的磨损机理都有磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损,对于硬质合金刀具和涂层刀具在刀具的磨损边缘区还发生氧化磨损。
参考文献
[1] RibeiroMV,MoreiraMRV,FerreiraJR.OptimizationofTitaniumAlloy(6A-l4V)Machining[J].JournalofMaterials
ProcessingTechnology,2003(143-144):458-463.
[2] 张春江.钛合金切削加工技术[M].西安:西北工业大学出版社,1986.
[3] CheharonCH.ToolLifeandSurfaceIntegrityinTurningTitaniumAlloy[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,
2001,118(1-3):231-237.
[4] CheharonCH,JawaidA.TheEffectofMachiningonSurfaceIntegrityofTitanium[J].JournalofMaterialsProcessingTech-
nology,2005,166(2):188-192.
[5] QuJun,PeterJB,ThomosRW,etal.FrictionandWearofTitaniumAlloysSlidingAgainstMetal,Polymer,andCeramic
Counterfaces[J].Wear,2005,258(9):1348-1356.
[6] 艾 兴.高速切削加工技术[M].北京:国防工业出版社,2003.
[7] CheharonCH,GintingA,ArshadH.PerformanceofAlloyedUncoatedandCVD-coatedCarbideToolsinDryMillingofTita-
niumAlloysT-i6242S[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2007,185(1-3):77-82.
[8] ZoyaZA,KrishnamurthyR.ThePerformanceofCBNToolsintheMachiningofTitaniumAlloys[J].JournalofMaterials
ProcessingTechnology,2000,100(1-3):80-86.
[9] SuYu,HeNing.AnExperimentalInvestigationofEffectsofCooling/LubricationConditionsonToolWearinHigh-speedEnd
MillingofT-i6A-l4V[J].Wear,2006,261(7-8):760-766.
[10] 刘战强,艾 兴.高速切削刀具表面形态磨损研究[J].摩擦学学报,2006,22(6):468-470.
[11] 肖诗纲.刀具材料及其合理选择[M].北京:机械工业出版社,1990.