1、引言

TC4鈦合金具有良好的綜合力學性能，具有比強度高、耐腐蝕和耐高溫等特性，已廣泛用于航空航天、化工和醫療等行業。但鈦合金材料導熱性差以及化學活性高，使刀具在切削加工中承受高溫、熱沖擊和機械載荷，易加劇刀具磨損。加工鈦合金的理想刀具材料必須同時具備較高的高溫硬度、良好的韌性和耐磨性、高導熱系數和較低的化學活性，在銑削時，刀具還應具備良好的抗沖擊性[1]。

目前對于鈦合金加工主要研究方向是通過優化加工策略或刀具幾何參數，建立切削力模型和刀具磨損模型來提高鈦合金材料的加工效率及刀具耐用度[2-4]。刀具幾何參數、涂層和切削參數均會影響鈦合金加工表面的晶粒尺寸，進而影響鈦合金表面完整性[5]。同時，鈍圓半徑對刀具切削力和耐用度影響顯著，這也是提高鈦合金加工用整體立銑刀使用壽命的主要方法[6]。同時，建立新型的冷卻環境、降低加工鈦合金實際切削溫度也是提高刀具使用壽命的常用方法[7]。肖虎等[8]通過低溫CO2射流降低切削溫度，抑制了刀具磨損并提高鈦合金表面質量。易湘斌等[9]利用微量油霧潤滑減小切削力，提高了切削效率。萇浩等[10]研究發現，以氮氣為切削介質可改善刀具的磨損狀況和提高刀具的壽命。另一些學者通過分析高速切削刀具材料的進展和應用，提高刀具材料的高溫物理特性方面為切削鈦合金提供發展方向[11，12]。姜增輝等[13]利用多種不同型號硬質合金立銑刀進行鈦合金切削實驗，分析了刀具材料中的合金成分對刀具磨損機理及特征的影響。ChengY.等[14]研究了硬質合金的高溫力學性能，并根據涂層性能綜合設計刀具幾何參數，為重型切削加工提供了解決方案。文獻[15，16]研究了TaC含量對WC-Co基硬質合金高溫硬度保持性的影響，證明適度添加TaC(NbC)可以有效提高WC-Co基硬質合金的常溫硬度和抗彎強度，并有助于提高硬質合金的高溫硬度。

本文通過添加TaC(NbC)難熔金屬碳化物制備WC-Co基硬質合金基體材質，采用高溫硬度計檢測材料的高溫硬度和高溫斷裂韌性，制備了相同幾何參數的兩種整體硬質合金立銑刀。為了排除刀具涂層對刀具磨損性能的影響，采用無涂層硬質合金刀具進行試驗，研究硬質合金材質的高溫性能對TC4鈦合金高速銑削加工的影響。

2、試驗條件與方案

通過添加TaC(NbC)難熔金屬碳化物制備主元素含量一致的WC-Co基硬質合金材質，制備兩種硬質合金材質A和B，其成分見表1。

在硬質合金整體立銑刀切削鈦合金的過程中，熱沖擊和機械載荷是刀具切削刃失效的主要因素，并且由于鈦合金導熱系數(100μm)較低，切削溫度會比加工其它材料更高。因此，硬質合金材料在高溫下的硬度和斷裂韌性直接決定了刀具性能。

試驗采用HTV-PHS30高溫硬度計測量硬質合金材料的高溫硬度。加載力為10kgf，保持時間為10s，每組溫度下測量3次取平均值。試樣加載完成后，可得壓痕對角線長度2d和裂紋擴展長度l(見圖1)。硬質合金材料的高溫斷裂韌性可由下式計算得出

式中，l為裂紋長度;d為壓痕對角線長度的一半;KIC為斷裂韌性;H為硬度;E為彈性模量;φ=3。

由圖2和圖3可知，當切削溫度達400℃時，硬質合金A比硬質合金B的高溫硬度提升約5%，高溫斷裂韌性提升約4%;當切削溫度達800℃時，硬質合金A比硬質合金B高溫硬度提升約14.5%，高溫斷裂韌性提升約10.2%。由此可見，通過在WC-Co基硬質合金中添加微量元素TaC(NbC)，可使硬質合金的高溫性能得到顯著提高。這是因為TaC(NbC)微量元素能夠提高WC晶粒在Co粘結相中的固溶度，抑制WC晶粒在高溫燒結過程中的晶粒增長，提高了WC-Co基硬質合金在高溫下的硬度和斷裂韌性[15]。

為進一步驗證添加TaC(NbC)的WC-Co基硬質合金加工鈦合金的實際效果，將A、B兩種硬質合金材料以相同幾何參數制備為兩組整體硬質合金立銑刀，分別命名為刀具A和刀具B。試驗刀具的幾何參數見表2。

試驗工件材料為退火態TC4鈦合金，硬度約為28.2HＲC;機床為MazakNexus430A-Ⅱ立式加工中心，試驗方式采用方肩順銑;水基乳化液冷卻，使用熱縮刀柄夾持保證加工狀態的穩定性，加工參數見表3。

試驗過程中，以切削距離10m為測量基準，在切削距離相同的條件下，采用KeyenceVHX-950F光學顯微鏡觀察試驗銑刀A和B磨損情況，測量后刀面磨損寬度VB。為了能更細致研究硬質合金高溫性能對刀具磨損的影響，當試驗刀具的后刀面磨損寬度達到0.05mm時即停止。

3、試驗結果分析

在相同切削加工條件下，加工TC4鈦合金的整體硬質合金立銑刀A和立銑刀B后刀面的磨損曲線如圖4所示。

由圖可知，當銑刀A切削長度為80m時，刀具后刀面磨損量為0.031mm;銑刀A切削長度為120m時，刀具后刀面磨損量約為0.05mm;而銑刀B切削長度為80m時，刀具后刀面磨損寬度超過0.05mm。銑刀A和B在切削長度約為40m時，刀具均進入均勻磨損階段。由圖5可知，銑刀A在切削長度為40m時，刀具前、后刀面顯現出均勻磨損，刀具前刀面靠近刀尖位置基體有輕微剝落。由圖6可知，銑刀B在切削長度為40m時，刀尖已出現明顯崩刃，刀具前、后刀面出現明顯磨損，且在刀具前刀面出現多處規則性的基體剝落。

由圖7和圖8可知:銑刀A在切削長度為80m時，刀具磨損加劇，刀尖出現微崩，刀具后刀面仍呈均勻磨損形式，刀具前刀面已出現多處規則性的基體剝落;銑刀B在切削長度達到80m時，刀尖崩刃持續擴大，后刀面出現多處崩刃，刀具前刀面由之前的多處基體剝落發展成連續的基體剝落，刀具磨損程度比銑刀A更嚴重。

4、刀具失效分析

為進一步研究硬質合金基體的高溫性能對刀具磨損機理的影響，利用掃描電子顯微鏡(SEM)分別對銑刀A和銑刀B在切削長度40m時的刀具刃口進行檢測，刀尖形貌結果見圖9和圖10。銑刀A在切削40m時刀尖處為均勻磨損，未發現顯著的崩刃及基體斷裂裂紋;銑刀B的刀尖出現多塊明顯的基體剝落，將刀尖局部再放大，發現多條清晰可見的基體斷裂裂紋。由于銑刀A和銑刀B的基體高溫性能不同，銑刀A基體材料有更高的高溫硬度和高溫斷裂韌性。

在高速銑削過程中，銑刀A不易出現基體斷裂裂紋，從而呈現出刀具前、后刀面均勻的磨損形式，刀具刃口的保持性更優;銑刀B的高溫硬度和高溫斷裂韌性較低，受機械沖擊的作用，在刀具基體中容易產生微裂紋，隨著切削持續，微裂紋易縱向擴展，使基體發生大塊的剝落，加劇刀具磨損程度。

5、結語

(1)對于WC-Co基硬質合金，添加微量合金碳化物TaC(NbC)可以有效提高硬質合金材料在高溫下的硬度和斷裂韌性的保持性。在800℃時，高溫硬度提高約14.5%，高溫斷裂韌性提高約10.2%。

(2)在相同條件下高速銑削TC4鈦合金時，添加TaC(NbC)的硬質合金整體立銑刀的刀具磨損比未添加TaC(NbC)立銑刀的磨損更輕微，刀具壽命更長。

(3)由于添加TaC(NbC)硬質合金材料的高溫斷裂韌性更高，高速銑削TC4鈦合金時可有效緩解刀具裂紋的出現和擴展，降低了刀尖崩刃、基體剝落等問題的發生，防止刀具過早失效。

參考文獻

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作者: 林鳳添，廈門金鷺特種合金有限公司，福建廈門 361100

Author: Lin Fengtian，Xiamen Golden Egret Special AlloyCo.，Ltd.，Xiamen，361100

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