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钛合金是一种综合力学性能良好的工程材料， 具有比强度高、高低温性能好、耐腐蚀等许多优点， 因而在航空航天、造船等行业中得到了迅速推广应 用。但钛合金也是一种典型的难加工材料，其加工 时变形系数小、刀尖应力大、切削温度高、化学活性 大、弹性恢复大、粘结磨损和扩散磨损较突出，不利于切削加工。实际生产中加工钛合金的切削速度多 在50 m • min_1以下，加工效率低。高速加工比常 规加工单位时间的材料切除率提高了 3〜6倍，切削 力至少降低30%，热变形也减少，加工过程平稳，振 动较小。因此高速切削是目前能够解决钛合金加工 问题的最经济和有效的手段[1一3] O
目前实际生产中切削加工钛合金使用的大多为 硬质合金及其涂层刀具，刀具磨损严重，耐用度不 高，影响了加工效率。聚晶金刚石(PCD)刀具具有 硬度高、刀刃锋利、导热性和耐磨性良好等特点[4]， 在国外已有PCD刀具加工钛合金的研究，但主要集 中在PCD刀具的磨损机理上，且多为车削加工[卜9]。国内采用PCD刀具高速切削钛合金方面的研究还未系统展开。因此，作者采用PCD刀具对 TA15钦合金进行了高速铣削，分析了 PCD刀具加 工TA15钛合金的切削性能，为PCD刀具实际应用 于钛合金的高速铣削奠定基础。
试验用材料为TA15钛合金，其名义化学成分 为 Ti-6. 5Al-2Zr-lMcHV(质量分数/%);硬度 255 〜341 HBS，抗拉强度930〜I 130 MPa，伸长率 10%，断面收缩率25%;铣削工件的尺寸为585 mm X200 mmX75 mm。切削试验在 Mikron UCP710 型五坐标高速加工中心上进行，采用Kistler 9265B 动态测力仪及与之配套的Kistler 5019电荷放大器 测试切削力铣削力的方向定义:铣刀径 向切削方向为工向，进给方向为^向，刀具轴向为z 向。采用夹丝半人工热电偶法测刀具与工件接触处 的瞬时温度，热电偶丝材料为康铜丝;采用NV-3型 高清晰变倍体视显微镜结合测量软件测出刀具后刀 面的磨损宽度;采用Marh Ml型粗糙度仪测工件巳 加工表面的粗糙度;采用KH-7700型三维视频显微 镜观察刀具磨损形貌。试验对比刀具采用SECO 和Kennametal公司的PCD及硬质合金机夹刀具， 齿数为2，铣削时只安装其中的I个齿。表I是试 验所用刀具的几何参数。采用后刀面平均磨痕宽度 Vb达到0. 3 _和最大磨痕宽度Viw达到0. 6 _ 作为刀具磨純标准。试验采用顺铣干切削的切削方 式，三种刀具采用相同的铣削参数:切削速度F 200 m • min—1，轴向切深^p=O. 5 mm,每齿进给量 /z=0. 05 mm，径向切深ae = 10 mm;PCD刀具的统 削力和铣削温度试验的铣削参数见表2。
由图I可见，在相同切削条件下，PCD刀具的 磨损量(后刀具磨痕宽度)最小，其次是Kennametal 硬质合金刀具的，SECO硬质合金刀具的磨损量最 大。在试验条件下，硬质合金刀具切削性能较差，磨 损曲线陡峭，几乎不经过正常磨损阶段即达到磨钝 标准或失效。PCD刀具的使用寿命为145 min，稳 定切削时间达121 min，与硬质合金相比提高了约4 倍。且其切削过程稳定，试验中发现在整个切削过 程中被加工表面粗糙度无明显变化，均维持在 0.34 pm左右，切削性能较好。PCD刀具的磨损曲 线符合中间长(正常磨损阶段时间长）、两头短的经 典特征，获得了较大的刀具耐用度，可以保证加工质 量，换刀相隔时间长，对加工有利。
由图2和图3可见，PCD刀具后刀面呈现出一 条极细的磨损亮带，靠近刀尖处的部分磨损较明显， 最大切深线附近的磨损最严重，其磨痕宽度和磨损 速度均超过其它部位;Kennametal硬质合金刀具的 后刀面在最大切深线附近的磨损同样也最严重， 且出现了较深的沟纹，较PCD刀具后刀面的磨损更 为严重。主要原因是:加工时的表面加工硬化使刀 具与工件接触处的硬度最高，因此最大切深线处的 磨损量最大。另一方面，在高速端铣条件下，刀具 与切屑接触面积很小，切削力集中在切削刃附近，刀 尖附近聚集较多热量。因PCD较低的热膨胀系数 使刀具的热变形很小，且较低的摩擦因数可以降低 切屑变形和切削力[1°]。PCD刀具的导热系数为 540 W/(m • K)，比硬质合金的大得多，切削热容易 散出，切削温度较低(450 °C)，低于金刚石的临界温 度％0°(：[8]。这使得金刚石刀具的石墨化、氧化磨 损基本被控制，同时也限制了金刚石原子的热运动，使扩散磨损大大减缓，从而减小了刀具的磨损量。
从图2和图3还可以看出，崩刃仍然是断续切 削过程中刀具失效的主要形式。PCD刀具刀尖附 近有微崩刃，前刀面副切削刃处有大块崩掉，深度在 0.03〜(XOH mm之间。硬质合金刀具冲击钿性较 好，前刀面崩力现象没有PCI)刀具的严重。试验中 PCD刀具的轴向前角为8°，由十切深方向刀具强度 不够，导致了副切削刃处崩刃。因此应适当减小刀
具的轴向前角。
由图4可以看出，当/z=0. OS mm，ap=0. 5 mm, ae = 5 mm 时，*y 在 200〜400 m • min-1 内变化时， Fv和^变化不大，而&随切削速度的提高略有下 降。随着切削速度的提高，两个因素会导致切削力 的增加，首先是由断续切削造成的切削力冲击和动 态切削力的数值增加;其次是材料的应变硬化程度 严重，导致剪切区变形抗力增加[2]。另外，切削速度 的提高导致切削温度上升会使被加工材料软化，使 切削力减小;同时切削温度升高，摩擦因数降低，变 形系数减小，切削力也会下降D 1]。所以，切削速度 对切削力的影响是两方面综合作用的结果。对 TA15合金的铣削温度试验表明，当V从 300 m • min_1提高到400 m • min-1时，对应的切 削温度从约500 °C升高到约700 °C，此时其抗拉强 度约下降100MPa[〗2]。所以，当刀具后刀面磨损达 到一定程度时，随着切削速度的增大，由温度升高导 致的材料软化占主导地位，其作用超过动态切削力 增加和应变硬化增加两方面的影响，所以X方向的 切削力呈下降趋势。
由图 5 可见，当 z；=200 m • min-1，ap二0. 5 mm, 〜=5 mm时，切削力F,和^对每齿进给量的变 化不敏感，但随其增大呈线性增加。这主要是 由于每齿进给量增加会使切削层的截面积增加，切 削功相应增大致使^成比例上升。而在进给过程 中^向没有位移，因此R变化不大。随着进给量增 加，切削功增大，F3,相应增大;而进给量增大使切削 厚度也成比例增大，变形系数减小，摩擦因数也降 低，导致减小。同时，切削过程中部分金属未能 切除，残留在加工表面上，对刀具副后刀面产生挤压 力。随进给量的增加，残留金属面积增大,挤压力相 应增大，与切削层材料和切屑对刀具的挤压力方向相反，部分抵消[13]。以上几方面因素对^的作用 相互抵消，因此Fy变化并不显著。
由图6可以看出，当200 m • min-1，f2 = 0. 05 mm,ae = 5 mm时，轴向切削深度对Fy和Fz 影响不大，而对F,.有较大影响。轴向切削深度增 大I倍，切削厚度不变而切削宽度增大I倍，切削层 截面积增大，使刀具的载荷增加，从而使Fi增大。
由图7可以看出，当i = 200 m • min-1,/z = 0. 05 mm，ap = 0. 5 mm时，径向切削深度对三个方 向的切削力影响均不大。试验中采用可转位机夹刀 片，故刀具的螺旋角为0°，因此随着径向切削深度 的增大，变化并不很明显。随着径向切削深 度的增大，刀具和工件间的铣削包角增大，使刀具的 铣削面积增大，从而刀具和工件间的摩擦力增大， F1.增大;另一方面，径向切削深度逐渐增加至全刀 宽切削，冲击载荷减小，^减小。两方面综合作用 的结果使Ft变化并不显著。
由图8可以看出，当j\=0‘ 05 mm,ap=0. 5 mm, ^ = 5 mm时，随着切削速度的提高，切削功增大，单 位时间内产生的切削热相应增多，因而切削温度升 高；同时随着切削速度的提高，切削产生的摩擦热增多，也会引起切削温度的升高。但是，随着切削速度 的提高，切削层金属的变形程度减小，因此，尽管切 削温度随着切削速度的增加而升高，但它不会与切 削速度呈线性升高。TA15钛合金的相变温度为 (I 020士30) °C，在试验范围内，切削温度升高不会 引起TA15钛合金发生相变。
由图9可以看出，当r=200 m • min-1，gp =0. 5 _，〜=5 _时，随着每齿进给量的增大铣削温度 呈线性升高。由图10可见，当u=200 m • mirT1，/z = 0.05 mm?ae—5 mm时，轴向切削深度增加导致的 切削温度变化约为100 °C，不超过150 °C。如果每齿 进给量和轴向切削深度取值过大会增大切削力，冲 击载荷增大会导致工件振动和变形[14]。/z = 0. 05 mm，<2p=0. 5 mm时，切削温度随径向切削深度 增大而显著升高。径向切削深度增大，切削刃承受 切削的时间延长，温度不易扩散，使切削温度升高。
(1) PCD刀具端铣TA15钛合金时切削性能较 好，其刀具耐用度可达145 min，稳定切削时间可达 121 min，与硬质合金刀具相比提高了约4倍;加工 件表面粗糖度维持在0. 34 左右。
(2) PCD刀具的磨损为后刀面不均匀磨损、前 刀面上局部剥落和刀尖附近的微崩刃等。
(3) 随切削速度提高，方向的切削力变化 不大，I方向切削力略有下降;每齿进给量和轴向切 削深度过大会增大工方向切削力;径向切削深度对 切削力影响不大。
(4) 切削温度随着切削速度的增大而升高，每 齿进给量和轴向切削深度对切削温度的影响不大； 径向切削深度增大使切削刃承受切削的时间延长，导致切削温度升高。
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