鈦基復(fù)合材料銑削刀具磨損研究

1、Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate SchoolCollege of Mechanical and Electrical EngineeringStudy on Tool Wear of Milling TitaniumMatrix CompositesA Thesis inMechanical Manufacture and AutomationbyZhang YuAdvised byProf. Su HonghuaSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requ

2、irementsfor the Degree ofMaster of EngineeringJanuary, 2013承諾書本人所呈交的是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，中不包含其他人已經(jīng)或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或而使用過的材料。本人南京航空航天大學(xué)可以將的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等保存、匯編。（的在后適用本承諾書）作者簽名： 日期： 南京航空航天大學(xué)摘要鈦基復(fù)合材料（Titanium Matrix Composites）具有許多優(yōu)異的物理及力學(xué)性能，比如高比

3、強(qiáng)度、比模量、耐高溫、耐腐蝕和耐疲勞等，在眾多工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是由于高硬度、高強(qiáng)度的增強(qiáng)相的加入使得鈦基復(fù)合材料的切削性很差，切削過程中刀具磨損嚴(yán)重，成本高，切削效率低，的精度和表面質(zhì)量都難以保證，由于這些切削中存在的問題很大程度上限制了鈦基復(fù)合材料的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。因此，優(yōu)選銑削鈦基復(fù)合材料的刀具，深入研究銑削鈦基復(fù)合材料的刀具磨損，分析銑削鈦基復(fù)合材料的刀具磨損機(jī)理具有十分重要的意義。本文以體分比為 10%的 TiC 顆粒與 TiB 晶須混合增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料（TiCp+TiBw）/TC4 為研究對(duì)象，進(jìn)行鈦基復(fù)合材料銑削的刀具磨損試驗(yàn)研究，研究不同刀具材料（PCD 和硬質(zhì)

4、合金刀具）、刀具角度、顆粒度（硬質(zhì)合金刀具中硬質(zhì)相顆粒的大小，PCD 中石顆粒的大小）銑削鈦基復(fù)合材料的刀具磨損，主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：（1）銑削鈦基復(fù)合材料刀具耐用度試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)研究和理論分析，探究刀具銑削鈦基復(fù)合材料的刀具，對(duì)比不同刀具材料（PCD、硬質(zhì)合金）、刀具角度、顆粒度對(duì)銑削鈦基復(fù)合材料的刀具耐用度，并分析其影響規(guī)律。（2）銑削鈦基復(fù)合材料刀具損傷和刀具磨損機(jī)理研究。使用三維顯微鏡、掃描電鏡（SEM）以及能譜分析（EDS）等分析儀器，對(duì)不同刀具銑削鈦基復(fù)合材料的刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行跟蹤觀察測(cè)量，分析研究 PCD 刀具和硬質(zhì)合金刀具銑削鈦基復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損、破損形貌，并

5、測(cè)量與分析銑削過程中的切削力和切削溫度，輔助分析揭示了刀具的磨損機(jī)理。（3）銑削鈦基復(fù)合材料表面粗糙度及顯微硬度研究。使用粗糙度儀和顯微硬度儀對(duì)已表面粗糙度值以及表面層顯微硬度進(jìn)量，對(duì)比不同刀具磨損狀態(tài)及切削用量下已表面粗糙度值、表面層顯微硬度，并分析其影響規(guī)律。：鈦基復(fù)合材料，銑削，刀具磨損，表面完整性i鈦基復(fù)合材料刀具磨損研究ABSTRACTTitanium matrix composites (TMCs) have a wide ranges of application, because of itsoutstanding properties, such as high specif

6、ic modulus, high heat and wear, anti-fatigueand so on, thus TMCs will increasingly be used in many fields such as aeronautics, astronautics and auto industry, etc. But TMCs consist of a soft matrix holding together extremely hard reinforcing particulate or whisker reinforcements which result in poor

7、 machinability and extremely rapid tool wear, low machining efficiency and high cost. So Titanium matrix composites are limited in the further popularization and application.Thus, it is very significant to optimize milling tools, deeply study the tool wear and tool wear mechanism. Experimental resea

8、rch were carried out by different tools (material, degree, granularity) when milling TMCs which volume fraction with 10% enhanced by TiC particles and TiB whisker hybrid .The following works have been developed:1. Experimental research on tool life in milling of TMCs was investigated. The effects of

9、 different tool materials (PCD, cemented carbide), degree, granularity on tool life were studied.2. Experimental research on tool damage and tool wear mechanism in milling of TMCs withdifferent tools was developed. The three-dimensionalmicroscope, SEM and EDS wereutilized to measure and observe tool

10、 wear. Cutting forces and cutting temperature in machine process were measured and analyzed. On this basis of above researches, the tool wear mechanism was revealed.3. Study on surface roughness and micro-hardness in milling of TMCs were carried out. Roughmeter and micro-hardness meter were utilized

11、 to measure roughness and micro-hardness. The influences of surface roughness and micro-hardness were analyzed under different tool wearconditions and milling parametersKeywords: titanium matrix composites, milling, tool wear, surface integrityii南京航空航天大學(xué)目錄第一章緒論11.1 鈦基復(fù)合材料的分類、及應(yīng)用現(xiàn)狀11.1.1 鈦基復(fù)合材料的分類11.

12、1.2 鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀31.2 材料的切削特性41.3. 4鈦基復(fù)合材料銑削刀具材料與難1.3.1 鈦基復(fù)合材料難. 41.3.2鈦基復(fù)合材料的刀具材料51.41.51.6第二章鈦基復(fù)合材料刀具磨損形式及機(jī)理研究現(xiàn)狀6課題研究的構(gòu)想7課題擬開展的主要研究工作8銑削鈦基復(fù)合材料刀具耐用度試驗(yàn)研究9試驗(yàn)條件與方案92.1.1 試驗(yàn)條件92.1.2 試驗(yàn)方案11刀具耐用度影響因素分析112.12.22.2.12.2.22.2.3幾何角度對(duì)耐用度的影響11刀具顆粒度對(duì)耐用度的影響13刀具材料對(duì)耐用度的影響142.3第三章本章小結(jié)15刀具損傷與刀具磨損機(jī)理研究16試驗(yàn)條件與方案163.1.1 試

13、驗(yàn)條件163.1.2 試驗(yàn)方案22銑削過程中切削力的變化233.2.1 刀具材料對(duì)切削力的影響233.2.2 修光刃對(duì)切削力的影響243.2.3 涂層對(duì)切削力的影響253.2.4 每齒進(jìn)給量對(duì)切削力的影響25銑削過程中切削溫度的變化263.3.1 溫度快速標(biāo)定263.13.23.3iii鈦基復(fù)合材料刀具磨損研究3.3.2 刀具材料對(duì)切削溫度的影響273.3.3 涂層對(duì)切削溫度的影響283.3.4 冷卻方式對(duì)切削溫度影響29刀具損傷過程及形態(tài)分析303.4.1 刀具破損303.4.2 前刀面磨損333.4.3 后刀面磨損36刀具磨損機(jī)理分析383.5.1 磨粒磨損393.5.2 粘結(jié)磨損40本章

14、小結(jié)433.43.53.6第四章刀具磨損條件下已表面完整性研究444.1試驗(yàn)條件與方案444.1.1 試驗(yàn)條件444.1.2 試驗(yàn)方案46表面粗糙度研究464.2.1 刀具顆粒度對(duì)表面粗糙度的影響464.2.2 刀具磨損對(duì)表面粗糙度的影響474.2.3 每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響484.2.4 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響49顯微硬度研究504.3.1 刀具磨損對(duì)顯微硬度的影響504.3.2 每齒進(jìn)給量對(duì)顯微硬度的影響504.3.3 切削速度對(duì)顯微硬度的影響51本章小結(jié)52總結(jié)和展望54總結(jié)54展望554.24.34.4第五章5.15.2參考文獻(xiàn)56致 謝59在學(xué)期間的研究成果及的學(xué)術(shù).60i

15、v南京航空航天大學(xué)圖1.12.12.22.32.42.52.63.13.23.33.43.53.63.73.83.9鈦基復(fù)合材料分類方法2米克朗UCP710 五軸機(jī)床9（TiCp+TiBw）/TC4 金相微觀組織10圖圖圖KH-7700 三維顯微鏡11圖不同刀具銑削鈦基復(fù)合材料刀具磨損量隨時(shí)間變化曲線12不同刀具銑削鈦基復(fù)合材料刀具磨損量隨時(shí)間變化曲線13不同刀具銑削鈦基復(fù)合材料刀具磨損量隨時(shí)間變化曲線14測(cè)力儀器17原始切削力信號(hào)曲線圖（編號(hào) 6 刀具，v=100m/min， fz=0.08mm/z）18夾絲法測(cè)溫示意圖19溫度系統(tǒng)20熱電勢(shì)典型信號(hào)曲線圖（編號(hào) 9 刀具，MQL 冷卻）21

16、標(biāo)定試樣及裝置21熱電偶標(biāo)定試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖22Hitachi S-3400 型掃描電子顯微鏡22不同刀具材料切削力對(duì)比圖（v=100m/min， fz=0.08mm/z）23修光刃對(duì)切削力的影響（v=100m/min， fz=0.08mm/z）24涂層對(duì)切削力的影響（v=100m/min， fz=0.08mm/z）25每齒進(jìn)給量對(duì)切削力的影響（v=100m/min）26（TiCp+TiBw）/TC4-康銅熱電偶標(biāo)定曲線27不同刀具材料切削溫度對(duì)比圖（v=100m/min， fz=0.08mm/z）28涂層對(duì)切削溫度的影響（v=100m/min， fz=0.08mm/z）29冷卻方式對(duì)切削溫度的影響

17、（v=100m/min， fz=0.08mm/z）30PCD 刀具微崩刃30PCD 刀具崩刃31PCD 刀具顆粒脫落32硬質(zhì)合金刀具微裂紋32硬質(zhì)合金刀具剝落33圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖3.103.113.123.133.143.153.163.173.183.193.203.213.223.233.24圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖后刀具前刀面磨損形貌（v=100m/min， fz=0.08mm/z）35后刀具后刀面磨損形貌（v=100m/min， fz=0.08mm/z）38圖腐蝕圖腐蝕圖刀具磨粒磨損（v=100m/min， fz=0.08mm/z）39v鈦基復(fù)合材料刀具磨損研究圖3.253.2

18、63.274.14.24.34.44.54.64.74.84.94.104.11刀具鈦合金粘結(jié)狀況（v=100m/min， fz=0.08mm/z）41PCD 刀具能譜分析41圖圖腐蝕后刀具磨損（v=100m/min， fz=0.08mm/z）42圖Mahr Perthometer M1 粗糙度儀44HXS-1000A 顯微硬度儀45顯微硬度加載取點(diǎn)方式45顯微硬度測(cè)量示意圖46PCD 顆粒度對(duì)表面粗糙度的影響（v=100m/min， fz=0.08mm/z）47刀具磨損對(duì)表面粗糙度的影響（v=100m/min， fz=0.08mm/z）48每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響（v=100m/min）

19、48切削速度對(duì)表面粗糙度的影響（fz=0.08mm/z）49刀具磨損對(duì)顯微硬度的影響（v=100m/min， fz=0.08mm/z）50每齒進(jìn)給量對(duì)顯微硬度的影響（v=100m/min）51切削速度對(duì)顯微硬度的影響（fz=0.08mm/z）52圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖vi南京航空航天大學(xué)表2.12.22.32.43.13.24.1米克朗五軸機(jī)床工作參數(shù)9（TiCp+TiBw）/TC4 物理力學(xué)性能10刀具明細(xì)表10刀具耐用度試驗(yàn)銑削用量11Kistler9272 動(dòng)態(tài)測(cè)力儀主要性能指標(biāo)16銑削切削力試驗(yàn)切削參數(shù)表22表面粗糙度及顯微硬度試驗(yàn)銑削參數(shù)46表表表表表表表vii鈦基復(fù)合材料刀具磨損研究

20、注釋表符號(hào)v fz ap aw Fx Fy FzVBRa Tro o中文名稱m/min mm/z mm mmN N Nmm m min mm°切削速度每齒進(jìn)給量軸向切削深度徑向切寬速度方向切削力徑向切削力軸向切削力后刀面平均刀具磨損量輪廓算術(shù)平均偏差刀具耐用度刀尖圓弧半徑刀具前角°刀具后角viii南京航空航天大學(xué)第一章 緒論隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，許多工業(yè)領(lǐng)域都對(duì)材料的綜合性能提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的單一材料的性能往往較為局限，難以在高溫等惡劣環(huán)境下工作，已航空航天等領(lǐng)域的性能要求，而復(fù)合材料恰恰克服了單一材料的以上缺點(diǎn)，具有優(yōu)良的綜合性能，能夠滿足在高溫、高壓等的環(huán)境中

21、服役的要求。所謂復(fù)合材料就是按照一定的工藝將兩種或兩種以上不同力學(xué)物理性能、組織結(jié)構(gòu)的材料結(jié)合在一起，不但使之既保留了原有組分材料的性能優(yōu)點(diǎn)，而且具有單一材料某些所無(wú)法達(dá)到的綜合性能，克服了傳統(tǒng)的單一材料性能上的制約與不足，擴(kuò)大了材料的應(yīng)用范圍，是一種適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的需求的新型材料1-2。從 20 世紀(jì) 60 年代初開始發(fā)展的金屬基復(fù)合材料是復(fù)合材料的一個(gè)重要組成部分，是以 Ti、Al、Mg 等作為基體材料，以 TiC、TiB、SiC、Al2O3 等顆?；蜃鳛樵鰪?qiáng)相，通過粉末冶金、攪拌鑄造等方備而成3。金屬基復(fù)合材料兼具金屬與非金屬增強(qiáng)相的綜合性能，與傳統(tǒng)的金屬相比，金屬基復(fù)合材料具有高比

22、強(qiáng)度、高比模量、耐磨、耐熱、優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、不吸潮、抗輻射、低熱膨脹系數(shù)、高沖擊性等優(yōu)良性能4。鋁基復(fù)合材料是其中一種應(yīng)用最為成金屬基復(fù)合材料，也已廣泛應(yīng)用于航空與汽車領(lǐng)域，例如美國(guó)的 F-16 戰(zhàn)斗機(jī)已將鋁基復(fù)合材料 SiCp/Al 作為蒙皮材料5； 用了鋁基復(fù)合材料用于汽車活塞的制造，大大提高了活塞的耐磨性6。但是隨著航空、航天等領(lǐng)域的發(fā)展，需要材料在高溫、高壓以及強(qiáng)烈腐蝕等惡劣的環(huán)同樣使境下服役，對(duì)材料的性能提出了更高的要求，鋁基復(fù)合材料逐漸已其要求，急需尋找一種基體材料性能更為優(yōu)越的金屬基復(fù)合材料。而鈦基復(fù)合材料的基體材料鈦合金具有耐高溫、耐腐蝕性好、比強(qiáng)度高等多種優(yōu)良性能。其使用

23、量已經(jīng)占到航空航天領(lǐng)域金屬使用總量的 70%左右，主要用途包括航天器、飛機(jī)、民用飛機(jī)、尾翼、高強(qiáng)螺栓、箱等。在飛機(jī)上鈦合金的使用量占整個(gè)飛機(jī)總質(zhì)量的 41%70%，其中每架 F-15 戰(zhàn)斗機(jī)中鈦合金用量為整機(jī)重量的 27%，而每架美國(guó)新型 F-22 戰(zhàn)斗機(jī)中， 鈦合金的使用量高達(dá)飛機(jī)總質(zhì)量的 41%7-10。因此，鈦基復(fù)合材料相比較鋁基復(fù)合材料具有更好的耐燃性、耐腐蝕性，具有更高的強(qiáng)度與硬度，滿足在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作的條件，在先進(jìn)系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域具有更加廣泛的應(yīng)用前景。1.1 鈦基復(fù)合材料的分類、及應(yīng)用現(xiàn)狀1.1.1 鈦基復(fù)合材料的分類鈦基復(fù)合材料TMCs（Titanium Mat

24、rix Composites），是指在鈦或鈦合金基體之中加入1鈦基復(fù)合材料刀具磨損研究高模量、高強(qiáng)度、高硬度和良好高溫性能增強(qiáng)相的一類新型材料。彌散于基體材料中的高強(qiáng)度、高模量的增強(qiáng)相大大基體材料鈦合金的比強(qiáng)度、比模量，同時(shí)綜合了基體金屬材料的延展性與韌性，使之具有更好的高溫性能、耐腐蝕性能和疲勞性能。鈦合金基體材料的性能及增強(qiáng)相的特性、體分比和排布等是影響鈦基復(fù)合材料性能的主要因素，此外，的工藝方法是影響鈦基復(fù)合材料其性能的另一個(gè)重要因素則，不同性能的鈦基復(fù)合材料其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也會(huì)有所不同。因此鈦基復(fù)合材料分類方式有很多種，圖 1.1 為其主要的幾種分類方法。圖 1.1鈦基復(fù)合材料分類方法

25、根據(jù)其加入鈦合金基體中的增強(qiáng)相種類可分為兩大類：連續(xù)增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，其中非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料又可細(xì)分為顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)和短增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。早期的研究主要集中于可大大鈦合金機(jī)械性能的連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，但是增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料由于成本高昂、工藝繁復(fù)、界面反應(yīng)和各向異性等因素，極大的限制了它的發(fā)展空間。因此，各國(guó)逐漸將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料上。非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料解決了連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料過程復(fù)雜、工藝不成熟、成本過高等問題，使生產(chǎn)成本大大降低；此外由于增強(qiáng)相在基體中呈彌散分布，使其具有各向同性，能夠承受復(fù)雜的應(yīng)力載荷，并且具有比連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料更性11-1

26、3.。好的機(jī)械此外，鈦基復(fù)合材料還可根據(jù)其方法的不同分為兩類：外加增強(qiáng)相和原位自生成鈦基復(fù)合材料。其中，外加增強(qiáng)相技術(shù)具有很多缺點(diǎn)，比如價(jià)格較高，工藝繁復(fù)，易造成增強(qiáng)相的偏聚與結(jié)合效果不佳等。為克服以上缺點(diǎn)，科研研發(fā)了一種原位自生成工藝方法來非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，與外加法不同，該工藝方法的增強(qiáng)相不是預(yù)先準(zhǔn)備好后加入到基體中，而是通過原材料中各種元間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的。相比較外加增強(qiáng)相的傳統(tǒng)復(fù)合技術(shù)，通過該技術(shù)的鈦基復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：由2南京航空航天大學(xué)于增強(qiáng)相不是從外部加入基體中，可大大減少雜質(zhì)的污染，使得增強(qiáng)相與基體的結(jié)合效果更佳；避免了增強(qiáng)相的偏聚，均勻性較好；可以生產(chǎn)大顯著降低14

27、。的坯料，工藝簡(jiǎn)單，成本本文是以原位生成的 TiC 顆粒和 TiB 晶須混合增強(qiáng)的非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（TiCp+TiBw）/TC4 作為研究對(duì)象，研究刀具銑削鈦基復(fù)合材料的刀具磨損。1.1.2 鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀鈦基復(fù)合材料作為一種新型的復(fù)合材料，近幾十年來，在國(guó)際上得到了極為迅速的發(fā)展。各國(guó)都加大了對(duì)鈦基復(fù)合材料的研究力度，并獲得了一些的，部分已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、的應(yīng)用。目前，鈦基復(fù)合材料的規(guī)模化應(yīng)用主要集中在航空航天和汽車領(lǐng)域。在航空航天工業(yè)領(lǐng)域，高性能的航天器要求其結(jié)構(gòu)重量輕，以減小油耗，延長(zhǎng)留空時(shí)間，使之具有更好的機(jī)動(dòng)性，提高飛行器的綜合性能。資料表明，減輕結(jié)構(gòu)重量可大大節(jié)約飛機(jī)的使

28、用成本，取得明顯的效益15。因此鈦基復(fù)合材料最初的應(yīng)用領(lǐng)域就在航空航天等高端工業(yè)領(lǐng)域。美國(guó)研制的以 TC4 鈦合金為基體，以碳化鈦顆粒增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材及殼體16。其研制開發(fā)的 XD 鈦鋁復(fù)合材料在 600以上的強(qiáng)料已經(jīng)應(yīng)用于度和 750以上的彈性模量均高于 17-4PH 鋼，使用這種復(fù)合材料制作翼片，可以極大提高的工作溫度17。而美國(guó)Atlantic Research Corp （ARC）與Goodrich Corp 也正積極研制鈦基復(fù)合材料，將其應(yīng)用于飛機(jī)起落架，可將起落將重量降低一半18。美國(guó)GKN 宇航工業(yè)公司與波音公司已經(jīng)將某系列的鈦基復(fù)合材料應(yīng)用于波音 787 飛機(jī)發(fā)機(jī)架連桿，用這種

29、復(fù)合材料制造的發(fā)機(jī)架連桿，重量比傳統(tǒng)鋼材或鎳基高溫合金減輕了25%至 40%，并且使用溫度也得到了很大的提高。英國(guó)公司擬在 RB211 發(fā)上將鈦基復(fù)合材料用于整體環(huán)片結(jié)構(gòu)及風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪葉片、環(huán)、機(jī)匣、軸等。而美國(guó)擬在F22 戰(zhàn)斗機(jī)和 F119 發(fā)上使用鈦基復(fù)合材料制作噴管的作動(dòng)器活塞。美國(guó)國(guó)防部制定計(jì)劃指出：尖端發(fā)展需要提供各種不同基體不同用途的金屬基復(fù)合材料，用于發(fā)關(guān)鍵部件及系統(tǒng)關(guān)鍵件，減輕重量，提高使用性能，實(shí)現(xiàn)全鈦復(fù)合材料壓氣機(jī)和在渦輪、燃燒室、噴口等的應(yīng)用19。在汽車工業(yè)領(lǐng)域，豐田公司的 Altezza 汽車使用了由粉末冶金備的 TiB 晶須增強(qiáng)Ti-6Al-4V 復(fù)合材料做制造

30、汽車發(fā)氣門，使得發(fā)整體質(zhì)量相對(duì)于之前降低了將近40%，同時(shí)也提高了發(fā)的綜合性能，提高了發(fā)的最高轉(zhuǎn)速的提高，降低了高轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行噪聲等等20。該汽車同時(shí)使用了 TiB 晶須增強(qiáng)的 Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si 耐熱鈦基復(fù)合材料來制造發(fā)的排氣閥，降低了發(fā)和閥門的總質(zhì)量，生產(chǎn)成本大大降低，這些的零部件，具有良好的質(zhì)量和較長(zhǎng)的使用21。許多歐美的汽車生產(chǎn)鈦基復(fù)合材料公司正在探究采用非連續(xù)性的顆粒增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料來制造汽車的重要零部件，以達(dá)到的目的17。減輕車身自重、提高其使用3鈦基復(fù)合材料刀具磨損研究可見，鈦基復(fù)合材料具有極好的發(fā)展和應(yīng)用前景，但占總成本 60%以上的成本已經(jīng)成為阻礙鈦基復(fù)

31、合材料擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的的最重要因素，降低鈦基復(fù)合材料的機(jī)械成本成為其未來發(fā)展的主要趨勢(shì)22。本文旨在優(yōu)選鈦基復(fù)合材料銑削刀具，研究其切削性能與刀具磨損機(jī)理，對(duì)鈦基復(fù)合材料的推廣與應(yīng)用具有的意義。1.2 材料的切削特性切削性是指材料被切削的難易程度。對(duì)于不一樣的要求，材料切削性的衡量標(biāo)準(zhǔn)往往不同，即使是同種工件材料在不同的條件下其切削性也可能不同，因此材料的切削性的概念具有其局限性和相對(duì)性，目前，關(guān)于材料的切削性尚還沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)23。根據(jù)切削的目的或要求的不同，材料的切削性的衡量指標(biāo)也會(huì)不同。或只需要一項(xiàng)指標(biāo)用于衡量其切削性，或可兼用幾項(xiàng)指標(biāo)24。（1）以刀具耐用度 T 為評(píng)價(jià)指標(biāo)性，在相

32、同的工藝條件下，刀具耐用度 T刀具耐用度能夠直觀的反應(yīng)材料的切削越大，其切削性越好。因此本文在后續(xù)的試驗(yàn)中將主要以刀具耐用度 T 來作為評(píng)價(jià)鈦基復(fù)合材料切削性的一個(gè)衡量指標(biāo)。（2）以切削力與切削溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)切削力與切削溫度能夠反應(yīng)刀具在切削過程中與工件及切屑的受力與做功情況，在相同的工藝條件下，切削力、溫度越高，其切削性越差。切削力與切削溫度不但影響刀具耐用度，且隨著切削力的增大，切削過程中消耗功率增大，當(dāng)切削力過大，則會(huì)引起工件變形，影響精度；而隨著切削溫度的增大，同樣會(huì)影響精度。因此本文在后續(xù)的試驗(yàn)中將以切削力與切削溫度作為評(píng)價(jià)鈦基復(fù)合材料切削性的一個(gè)衡量指標(biāo)。（3）以已表面完整性為評(píng)價(jià)

33、指標(biāo)在精中，已表面完整性是一個(gè)切削性的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。已表面完整性包括表面粗糙度、顯微硬度和殘余應(yīng)力等幾個(gè)方面。以表面粗糙度為例，在相同切削條件下，能夠得到較好的表面粗糙度的材料，其性較好；反之較差。因此本文在后續(xù)的試驗(yàn)中將以表面粗糙度與顯微硬度作為評(píng)價(jià)鈦基復(fù)合材料切削性的一個(gè)衡量指標(biāo)。1.3 鈦基復(fù)合材料銑削刀具材料與難1.3.1 鈦基復(fù)合材料難鈦基復(fù)合材料由于其基體材料鈦合金的化學(xué)、物理及機(jī)械特性和彌散于基體中的增強(qiáng)相的相互作用，成為難的材料。造成鈦基復(fù)合材料切削性差的主要有：（1）基體材料鈦合金的摩擦系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)小。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，僅為 45鋼的 1/51/7，而摩擦系數(shù)較大，導(dǎo)

34、致切削熱積聚在切削刃較小范圍內(nèi)而不易散發(fā)，導(dǎo)致切4南京航空航天大學(xué)削溫度較高，容易加劇刀具的損傷。（2） 基體材料鈦合金的彈性模量大。易造成刀具后刀面磨損加劇以及工件的變形。（3） 基體材料鈦合金形成的切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應(yīng)力大，易加劇刀尖以及切削刃的磨損與崩刃。（4）基體材料鈦合金易造成嚴(yán)重的硬化。（5）基體材料中彌散分布高硬度、高強(qiáng)度、高模量以及良好高溫性能的增強(qiáng)相，增強(qiáng)相的加入，使鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度與硬度都得到很大提高，同時(shí)在切削過程中，增強(qiáng)相不斷對(duì)刀具造成碰撞、刮擦與研磨的作用，使得刀具的磨損大大加劇。由于鈦基復(fù)合材料其基體材料與增強(qiáng)相的以上特性，使得在銑削鈦基復(fù)合材料中的切削

35、力與切削溫度較大，刀具磨損嚴(yán)重，刀具耐用度較低，不易獲得較好的表面質(zhì)量，機(jī)械極為，急需尋找一種合適的刀具來進(jìn)行鈦基復(fù)合材料的機(jī)械。在實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中，鈦基復(fù)合材料的零件坯料通常是使用近凈成形技術(shù)制成的，后續(xù)僅有極少量的余量，因此，通過近凈成形生產(chǎn)出的零件只需要通過少量的精甚至不需要后續(xù)機(jī)械直接使用25-26。而在復(fù)合材料的零件制造方面，近凈成形技術(shù)仍不能達(dá)到不需要后續(xù)機(jī)械就可以直接使用的要求27。因此深入研究鈦基復(fù)合材料的刀具磨損與切削特性及尋找一種適合的刀具仍然具有重要的意義。1.3.2鈦基復(fù)合材料的刀具材料由于鈦基復(fù)合材料切削性較差，傳統(tǒng)刀具顯然不適合用于切削鈦基復(fù)合材料，刀具材料的選擇對(duì)

36、于鈦基復(fù)合材料的切削具有很大的影響。在實(shí)際生產(chǎn)以及過往的試驗(yàn)研究中切削鈦基復(fù)合材料使用的刀具材料主要有：高速鋼、硬質(zhì)合金、聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶（1）高速鋼刀具石（PCD）。高速鋼刀具具有較好的韌性，但是在導(dǎo)熱系數(shù)較低，在高溫下強(qiáng)度較差，在 600的高溫下會(huì)發(fā)生刀具材料軟化現(xiàn)象。對(duì)于鈦合金的切削，高速鋼刀具的切削速度較低，其切削速度一般在 30m/min下使用高速鋼鉆頭對(duì)連續(xù)以下，而對(duì)于鈦基復(fù)合材料的切削，Hayes 在低切削速度增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，在極短的時(shí)間內(nèi)，高速鋼鉆頭即失去切削能力28-29。因此高速鋼不適于切削（2）硬質(zhì)合金刀具硬質(zhì)合金刀具具有價(jià)格低廉、導(dǎo)熱性能較

37、好、韌性和紅硬性較高等優(yōu)點(diǎn)，且在實(shí)際加鈦基復(fù)合材料。工中，通常采用 K 類硬質(zhì)合金刀具來進(jìn)行鈦合金的切削。且研究表明，當(dāng)硬質(zhì)合金中在 0.81.4m 之間時(shí)效果最優(yōu)30。硬質(zhì)相顆粒度大小是影一，通常硬質(zhì)合金刀具的硬質(zhì)相顆粒度越小其強(qiáng)度、韌性越Co 含量為 6wt%，WC 顆粒響硬質(zhì)合金刀具性能的因好。R.G. Vargas Perez 使用不同顆粒度的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行 -TiAl 合金的切削試驗(yàn)，結(jié)果表明細(xì) 顆粒 度 硬 質(zhì)合 金 刀 具 的 耐用 度 好 于 粗 顆粒 度 刀具 31 。 邊衛(wèi)亮等人在 5鈦基復(fù)合材料刀具磨損研究60m/min120m/min 的切削速度范圍內(nèi)，使用 K313

38、 硬質(zhì)合金刀具對(duì)（TiCp+TiBw）/TC4 鈦基復(fù)合材料進(jìn)行車削試驗(yàn)，結(jié)果表面在較短時(shí)間內(nèi)，K313 刀具即失去切削能力。因此硬質(zhì)合金刀具不適合用于車削鈦基復(fù)合材料。（3）PCBN 刀具PCBN 刀具的硬度高、耐磨性好，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高，這些性能是切削鈦基復(fù)合材料所應(yīng)該具備的，但是 PCBN 刀具材料的韌性以及抗沖擊性能較差，在切削過程中容易發(fā)生刀具的崩刃和破損，且價(jià)格較昂貴，這在一定程度上限制了 PCBN 刀具在切削鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用。（4）PCD 刀具PCD 刀具材料具有天然石的高硬度、高強(qiáng)度和極佳的耐磨性，但沒有天然石對(duì)破損的敏感性。PCD 是在高溫、高壓的條件下，由人造石顆粒

39、聚合而成，制成 PCD復(fù)片，將 PCD 復(fù)片切割成所需形狀以及刀具幾何角度焊接到刀片基體上。具有如下一些優(yōu)異的性能：（1） 具有極高的耐磨性和硬度。PCD 由于其各向同性，因此具有極好的耐磨性，同時(shí)其硬度高達(dá) 8000HV，是硬質(zhì)合金的 80120 倍。（2） 摩擦系數(shù)小。一般僅為 0.10.3，僅為硬質(zhì)合金 1/3，因此 PCD 刀具可以顯著降低切削力和切削溫度。（3） 導(dǎo)熱性良好。PCD 的熱傳導(dǎo)系數(shù)為 700W/mK，是硬質(zhì)合金的 1.59 倍，可顯著降低切削溫度。（4） 熱膨脹系數(shù)低。PCD 的熱膨脹系數(shù)約為 1×10 -6，硬質(zhì)合金是 PCD 的 5 倍，因此相比較硬質(zhì)合金

40、刀具，可顯著減小在切削過程中的由于切削熱的影響造成的刀具變形，有利于精度的。由于 PCD 刀具上述優(yōu)越的性能，因此被認(rèn)為是最適宜切削料32。鈦基復(fù)合材料的刀具材1.4 鈦基復(fù)合材料刀具磨損形式及機(jī)理研究現(xiàn)狀Hayes. SM 和 Ramulu. M 在干切的條件下，使用高速鋼和硬質(zhì)合金刀具對(duì) SiC連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行了車削和鉆削試驗(yàn)，并對(duì)刀具磨損和表面質(zhì)量進(jìn)行了研究，綜合評(píng)價(jià)了該復(fù)合材料的切削性：兩類刀具都發(fā)生了嚴(yán)重的刀具磨損現(xiàn)象，其中后刀面發(fā)生了嚴(yán)重的磨粒磨損；高速鋼刀具完全不適合切削該種鈦基復(fù)合材料，刀具在極短時(shí)間即失去切削能力；硬質(zhì)合金刀具的刀具耐用度也較短，且快速的刀具磨損導(dǎo)致其

41、表面質(zhì)量較差，因此硬質(zhì)合金刀具僅適合在較短時(shí)間內(nèi)切削粗該鈦基復(fù)合材料。R. Bejjani 和 B. Shi26等學(xué)者采用 PCD 刀具對(duì)增強(qiáng)相質(zhì)量比為 10%12%的 TiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行激光輔助車削試驗(yàn)研究，切削速度為 v=100m/min 和170m/min，切削深度為 ap=0.15mm，進(jìn)給量為 fr=0.2mm/r。得出以下結(jié)論：和切削其他6南京航空航天大學(xué)復(fù)合材料相類似，磨粒磨損是 PCD 刀具切削 TiC 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料主要的磨損形式， 而在高溫高速的切削條件下，PCD 刀具不僅存在有后刀面的磨粒磨損，同時(shí)前刀面也出現(xiàn)了月牙洼磨損。激光輔助切削 TiC 顆粒增強(qiáng)

42、鈦基復(fù)合材料時(shí)，激光的加熱作用使得切削區(qū)域溫度上升導(dǎo)致基體材料軟化，導(dǎo)致切削時(shí)增強(qiáng)相顆粒在軟化基體材料中移動(dòng)，從而降低了增強(qiáng)相顆粒被切削刃切斷的現(xiàn)象，減弱了增強(qiáng)相顆粒對(duì)刀具的磨粒磨損，有效提高了刀具，但造成表面粗糙度增大，已表面質(zhì)量下降。隨著激光加熱溫度的上升以及切削速度的提高，PCD 刀具的擴(kuò)散磨損現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致刀具耐用度的減小。南京航空航天大學(xué)邊衛(wèi)亮、宦海翔等人以不同的方法（粉末冶金法以及熔煉法）的具有不同增強(qiáng)相的鈦基復(fù)合材料作為研究對(duì)象， 在切削速度 v=60m/min 、v=80m/min、v=100m/min 和 v=120m/min，切削深度 ap=0.5mm，進(jìn)給量 f

43、r=0.08mm/r 的切削參數(shù)下，采用 PCD 刀具和硬質(zhì)合金 K313 刀具對(duì)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行車削試驗(yàn)研究，并選擇基體材料鈦合金 TC4 作為對(duì)比，探究了鈦基復(fù)合材料和基體材料鈦合金之間切削性相差巨大的，對(duì)比分析了 PCD 刀具和硬質(zhì)合金 K313 刀具車削鈦基復(fù)合材料的切削性能，并對(duì)兩類材料刀具在不同車削條件下的刀具磨損形貌和磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。得出以下結(jié)論：在相同的切削條件下，兩類刀具車削鈦基復(fù)合材料的刀具遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于切削TC4 時(shí)的刀具，鈦基復(fù)合材料中增強(qiáng)相的體分比含量是影響刀具的一個(gè)主要因素，刀具耐用度隨著鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)相體分比的增加顯著降低。切削速度越高增強(qiáng)相體分比含量對(duì)刀具耐用度

44、的影響程度越大。同樣的車削條件下，PCD 刀具車削鈦基復(fù)合材料的刀具要明顯高于硬質(zhì)合金，且隨著切削速度的上升，兩種材料的刀具差距也越來越明顯，結(jié)果表明硬質(zhì)合金刀具不適宜在高速下切削鈦基復(fù)合材料。PCD 刀具的刀具破損形式主要包括有微崩刃和崩刃、前刀面的剝落，而硬質(zhì)合金刀具的刀具破損形式主要是前刀面的剝落。PCD 刀具車削鈦基復(fù)合材料時(shí)主要磨損形式為磨粒磨損、粘結(jié)磨損以及擴(kuò)散磨損，而 PCD 刀具車削 TC4 時(shí)不存在磨粒磨損，主要的磨損形式是粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。硬質(zhì)合金刀具車削鈦基復(fù)合材料時(shí)主要的磨損形式為粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。在車削過程中使用水基冷卻液可有效降低切削溫度，減緩刀具磨損，提高刀具

45、。1.5 課題研究的構(gòu)想隨著鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注鈦基復(fù)合材料的切削性。但是對(duì)于 PCD 刀具和硬質(zhì)合金刀具銑削鈦基復(fù)合材料的刀具磨損和切削性的研究還較少，研究深度非常有限，國(guó)內(nèi)外鮮有文獻(xiàn)對(duì)銑削鈦基復(fù)合材料時(shí)刀具具體的磨損過程與磨損機(jī)理以及已表面質(zhì)量等進(jìn)行深入研究和探討。本課題上述問題，在熟悉掌握金屬切削原理和鈦基復(fù)合材料性能的基礎(chǔ)之上，通過進(jìn)行大量的銑削試驗(yàn)和全面的理論分析深入系統(tǒng)的研究銑削鈦基復(fù)合材料刀具磨損過程及磨損機(jī)理。為優(yōu)選鈦基復(fù)合材料銑削刀具和鈦基復(fù)合材料銑削性的正確評(píng)價(jià)以及生產(chǎn)實(shí)際中制定低成本高效率的工藝規(guī)范提供科學(xué)理論依據(jù)。7鈦基復(fù)合材料刀具磨損

46、研究1.6 課題擬開展的主要研究工作本文以 TiC 顆粒 TiB 晶須混合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（TiCp+TiBw）/TC4）為研究對(duì)象， 進(jìn)行鈦基復(fù)合材料銑削試驗(yàn)研究，研究不同刀具材料（PCD 和硬質(zhì)合金）、刀具角度、刀具顆粒度對(duì)銑削鈦基復(fù)合材料的刀具耐用度及其影響因素，測(cè)量分析銑削過程中的切削力、切削溫度，以及銑削鈦基復(fù)合材料的刀具破損形式及磨損機(jī)理，并分析研究不同切削用量以及刀具磨損狀態(tài)對(duì)已表面的表面粗糙度以及硬化顯微硬度的影響。具體研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）切削鈦基復(fù)合材料刀具耐用度試驗(yàn)研究選取刀具耐用度作為優(yōu)選鈦基復(fù)合材料銑削刀具的主要標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮刀具損傷及已表面質(zhì)量，對(duì)比不同

47、材料、角度以及顆粒度的刀具銑削鈦基復(fù)合材料的刀具耐用度，并分析其影響因素。（2）刀具損傷和刀具磨損機(jī)理研究顯微鏡對(duì)刀具磨損狀態(tài)跟蹤測(cè)量觀察，使用 SEM 以及 EDS 觀察分析刀利用三維具銑削鈦基復(fù)合材料的刀具損傷形貌，并測(cè)量分析刀具銑削鈦基復(fù)合材料中的切削力和切削溫度，分析切削力和切削溫度的變化規(guī)律以及其對(duì)刀具磨損的影響，并在此基礎(chǔ)上揭示刀具的磨損機(jī)理。（3）已表面粗糙度及顯微硬度研究使用粗糙度儀和顯微硬度儀測(cè)量已表面粗糙度值以及表面層顯微硬度，對(duì)比不同刀具磨損狀態(tài)及切削用量下銑削鈦基復(fù)合材料所得到的已表面粗糙度值、表面層顯微硬度，并分析其影響規(guī)律。8南京航空航天大學(xué)第二章 銑削鈦基復(fù)合材料

48、刀具耐用度試驗(yàn)研究由于鈦基復(fù)合材料的切削性較差，刀具磨損快，刀具耐用度低，表面質(zhì)量較差，成本高，這些都制約了鈦基復(fù)合材料的推廣與應(yīng)用。而刀具耐用度是衡量刀具對(duì)于材料切削性最直接、最普遍的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如何提高刀具耐用度，是銑削鈦基復(fù)合材料的急需解決的重要問題。因此本章以刀具耐用度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，從刀具幾何角度、材料和顆粒度三個(gè)方面優(yōu)選鈦基復(fù)合材料銑削刀具。2.1 試驗(yàn)條件與方案2.1.1 試驗(yàn)條件（1）機(jī)床銑削鈦基復(fù)合材料刀具耐用度試驗(yàn)在米克朗的 UCP710五軸機(jī)完成，其工作參數(shù)詳見表 2.1，機(jī)床如圖 2.1 所示。圖 2.1表 2.1米克朗UCP710 五軸機(jī)床米克朗五軸機(jī)床工作參數(shù)行程（X/Y

49、/Z）（mm）額定功率（KW）轉(zhuǎn)速（rpm）最大工作進(jìn)給速度（m/min）快速進(jìn)給速度（m/min）16100180002030710/550/500（2）工件材料試驗(yàn)所使用工件材料選用原位自生成、真空自耗熔煉和熱鍛技術(shù)的鈦基復(fù)合材料（TiCp+TiBw）/TC4，其基體材料為 Ti-6Al-4V（TC4），增強(qiáng)相為 TiC 顆粒和 TiB 晶須，兩種增強(qiáng)相的摩爾比為 1:1，增強(qiáng)相體分比為 10%。該鈦基復(fù)合材料材料的詳細(xì)信息見表9鈦基復(fù)合材料刀具磨損研究2.2，（TiCp+TiBw）/TC4 金相微觀組織如圖 2.2 所示。圖 2.2 （TiCp+TiBw）/TC4 金相微觀組織表 2.2

50、（TiCp+TiBw）/TC4 物理力學(xué)性能增強(qiáng)相類型體分比（%）增強(qiáng)相平均（m）硬度顆粒直徑晶須長(zhǎng)度HRCHv顆粒+晶須101.5-2035-8035383.4（3）刀具材料試驗(yàn)選用 PCD 和硬質(zhì)合金兩類刀具材料刀片，為方便后續(xù)討論，將各刀具明細(xì)見下表2.3，其中編號(hào) 9 和編號(hào) 10 為刀具手冊(cè)推薦用于鈦合金銑削的硬質(zhì)合金刀具。表2.3 刀具明細(xì)表刀具刀具顆粒度（m）后角（°）前角（°）刀尖圓弧半徑（mm）修光刃涂層編號(hào)材料12345678910PCD PCD PCD PCD PCD PCD PCD PCD硬質(zhì)合金WMG40硬質(zhì)合金WXN15101025252530+

51、230+2100.520.5115151010101010102020008000002525無(wú)無(wú)有有無(wú)有無(wú)無(wú)有有0.40.80.80.80.80.80.80.80.80.8無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)TiAlN其中編號(hào) 1 和 2 刀具所使用的刀桿牌號(hào)為 SECO R217.69-2020.0-09-2A，其余刀具所使桿牌號(hào)為 WALTER F3040.H63A.025.Z02.15，表中的刀具角度都為安裝角度。（4）刀具磨損測(cè)量系統(tǒng)10南京航空航天大學(xué)使用 KH-7700 三維顯微鏡（圖 2.3）對(duì)刀具前后刀面破損及磨損情況進(jìn)行跟蹤拍照，并測(cè)量其磨損量數(shù)值。圖 2.3KH-7700 三維顯微鏡2.1

52、.2 試驗(yàn)方案由于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中的鈦基復(fù)合材料的零部件通常采用近凈成形技術(shù)，留給后續(xù)的機(jī)械余量較小，因此本文中的銑削試驗(yàn)于鈦基復(fù)合材料的精，將刀具的磨鈍0.2mm，（2）刀標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：（1）刀具后刀面的平均磨損量 VB 值或刃口崩刃寬度大于具后刀面的最大磨損量 VBmax 大于 0.4mm。使用三維削刃的破損和磨損形貌。對(duì)于鈦基復(fù)合材料的銑削精顯微鏡觀察刀具前后刀面以及切，試驗(yàn)選用的銑削參數(shù)見下表 2.4 所示，試驗(yàn)在無(wú)說明的前提下都在順銑、濕切條件下進(jìn)行，所用切削液為水基乳化液。2.4刀具耐用度試驗(yàn)銑削用量表軸向切深 ap（mm）切削速度 v（m/min）徑向切深 aw(mm)每齒進(jìn)給量 fz(mm/z)310010.082.2 刀具耐用度影響因素分析影響刀具耐用度的因素有很多，在相同的切削條件下，影響其刀具耐用度的主要因素有