鈦合金是航空航天工業中典型難加工材料，因其導熱系數小，化學活性高，摩擦系數大，導致加工時，刀具磨損嚴重，嚴重影響了鈦合金的加工效率和加工質量[1]。因此，研究刀具的磨損機理，防止刀具過早、過多磨損，以便延長刀具的使用壽命顯得非常重要。 

TC21鈦合金是我國具有獨立自主知識產權的第一個高強高韌損傷容限型鈦合金[2]，目前，國內同行僅對材料的物理、化學和力學性能進行了初步研究，在機械加工領域尤其是高速銑削[3]的研究還是一片空白。在實際加工中沒有成熟的理論根據，只能不斷摸索，總結優化。 

TC21鈦合金銑削比車削加工困難，銑削時切削刃區域容易與鈦發生粘結，刀齒易崩刃，刀具耐用度低[4]。通過銑削刀具磨損試驗以及掃描電鏡（SEM）觀察手段[5]，來研究高速銑削TC21合金時刀具磨損的形式和形成機理，獲得高效加工參數。 

刀具磨損試驗 

1試驗條件 

試驗材料選用尺寸為140mm×140mm×140mm的TC21鈦合金，主要成分為Tr6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr- 2Nb。試驗在三坐標數控加工中心TK5680上進行；使用的是美國SGS公司生產的帶TiAlN涂層的整體硬質合金刀具（硬質合金K30，刀具直徑為20mm，齒數為4），如圖1所示。

采用刀具磨損量體式顯微鏡測量系統，顯微鏡型號為Leica DMLM/11888605。采用掃描電子顯微鏡（SEM）JSM-6360LV對TC21鈦合金不同加工方式下的刀具刀尖磨損微觀形貌進行觀察和分析，并利用SEM自帶的能譜儀EDS對磨損產物進行成分的定性分析。 

2試驗方案 

在評定刀具切削性能和研究試驗時，都以刀具表面的磨損量作為刀具的磨鈍標準[6-7]。根據國際標準ISO規定，以1/2切削深度處后刀面上測量的磨損帶寬度作為刀具磨鈍標準。 

由于銑削加工刀具為4齒的整體硬質合金刀具，在銑削過程中，刀具4個齒均參與切削加工，磨損發生在4個齒上，為簡化研究過程，在考察刀具磨損情況時，以磨損最為嚴重的齒的平均磨損量VB為考察對象。 

針對鈦合金切削加工的刀具磨損試驗成本高昂、耗時巨大等缺點，為能用較少的試驗次數取得較正確的試驗結果，本文采用正交試驗設計方法四因素三水平的L9（34）形式來安排試驗，如表1所示。然后分別進行直觀極差分析法、方差分析法研究切削加工刀具磨損試驗結果。

 

試驗結果分析 

1試驗結果 

銑削TC21鈦合金材料，測得刀具磨損的正交試驗結果以及對結果進行極差分析，如表2所示。分析結果可以看出各影響因素的極差關系為：RA>RB=RC>RD，由此可以得到影響刀具后刀面磨損量各因素的主次順序為：線速度A>每齒進給量B=切削寬度C>切削深度D。

對正交試驗刀具磨損量進行極差分析，各影響因素對刀具后刀面磨損量的影響趨勢直觀圖（圖2）。從圖中可以看出因素A對銑削加工時的刀具磨損影響最大，當銑削加工時線速度較低或較高均會造成刀具磨損嚴重；隨著每齒進給量的增加，刀具磨損量單調遞增；切削寬度變化時刀具磨損量存在最大值，切削深度變化時刀具磨損量存在最小值。

從圖2可以直觀分析得到獲得刀具后刀面磨損量較小的優化銑削加工參數組合方案：A2B1C3D2，即切削線速度為60m/min-1、每齒進給量為0.05mm/z、切削寬度為1.5mm，切削深度為20mm。 

方差分析及F值顯著性檢驗結果如表3所示。

正常本次試驗無空列，因D列偏差平方和較小，故以D列作為誤差列。方差分析及顯著性檢驗分析表明，對于給定顯著水平α=0.01或0.05，只有因素A對刀具磨損程度的影響是最為顯著的，其他因素對銑削加工中刀具磨損的影響不顯著。 

為分析銑削TC21的9種情況刀具磨損量隨切削量的磨損行為，在最終切削相同的金屬切除量的條件下，分別采集5個時間點做出刀具磨損量隨切削量變化曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看到，當切削線速度為100m/min時，3種切削條件的刀具磨損都較其他情況嚴重，而線速度為60m/min時3種切削條件與20m/min磨損行為曲線規律近似，但磨損量降低。為實現高效加工工廠的實際切削速度有望從20m/min提高到60m/min。 

2刀具磨損形態及行為的研究 

2.1宏觀分析 

高速銑削航空鈦合金時刀具受到更大的沖擊，同時切削溫度高導致切削過程有著強烈的化學作用，刀具的崩刃破損現象會出現更多，特別是粗加工，崩刃現象尤為嚴重。刀具在正交設計試驗銑削鈦合金TC21時，刀具后刀面磨損的的宏觀形態，如圖4所示（×100倍）。

從圖4可以看出，TC21-X-3、TC21-X-4、TC21-X-5、TC21-X-6這4組刀具的刀刃沒有破損，只是涂層的磨損。其他組的刀具刀刃均有不同程度的崩刃現象。如果單從切削速度來考慮問題的話，在不同的銑削速度下，刀具后刀面磨損形態也是不同。在20m/min時，刀具后刀面磨損沿切削深度方向的分布，在靠近最大切深處的溝槽磨損比較嚴重，此處磨損帶寬度的進展也較快。切削速度升高到60m/min，刀具磨損的現象明顯降低，并且刀具后刀面磨損帶主要發生在靠近切削刃中部的位置，且磨損帶發展比較均勻，這將有利于延長刀具的使用壽命。當切削速度達到100m/min，刀具磨損加劇，最大切深線附近的溝槽磨損嚴重，其磨損帶寬度和發展速度均超過其他部位。此時磨損帶不是均勻發展，而是集中在最大切深處附近，使后刀面磨損很快達到磨鈍標準。得到的結論是：銑削速度過低或過高時均磨損嚴重，導致出現崩刃現象,當銑削速度為60m/min時有利于刀具壽命的延長。另外，從圖4中也可以看到鈦合金銑削過程中，除在后刀面產生磨損帶以外，切削刃附近的刀具材料會因摩擦和粘結等原因而受到磨損，使切削刃在整體上產生“后退”現象，并且不能保持其原來比較銳利的形狀，切削力和切削溫度進一步升高，使磨損過程加劇。 

2.2微觀分析 

通過EDS分析了刀具涂層的元素情況，分析結果如表4所示。

 

 

為了更進一步研究后刀面的磨損機理，再對磨損后的后刀面做EDS分析，從表5可以分析切削鈦合金時刀具磨損的微觀機制。 

（1）存在粘結磨損現象，譜圖2可以證實，測到了TC21鈦合金的主要組成元素如Ti、Al、Cr、Sn等粘著于刀具上。造成刀具粘著磨損的重要原因有：鈦合金彈性模量小，切削時接觸面積增加；化學活性高，與刀具的親和力強；刀具涂層為TiAlN涂層，與工件材料中的Ti具有無限互溶性，容易粘刀。 

（2）刀面上存在著氧化磨損現象，通過 EDS分析中發現了氧元素的存在。由于銑削時切削區有很高的溫度，刀具材料和鈦合金在高溫下與空氣中的氧氣發生氧化反應，從而加劇刀具的磨損。 

此外，刀具存在擴散磨損。在切削高溫的影響下，工件材料和刀具材料化學元素會相互擴散，也會造成刀具的磨損。擴散的同時往往伴有化學置換反應（Ti+WC=TiC+W）。 

針對上述3種磨損機理，在選用切削液時應采取能夠有效冷卻潤滑降低切削區的溫度，并且避免高溫下與鈦合金反應的切削液。植物油基切削液能夠在工件表面形成較厚的潤滑薄膜，潤滑效果更明顯，而且具有較高的熔點，有利于提高金屬切削率和實施清潔生產。 

結論 

根據極差分析結果，從刀具壽命的角度考慮，銑削參數可以選擇較大的切削寬度，較小的每齒進給量和軸向銑削深度，適當的銑削速度（60m/min）。各種磨損形式之間既有區別又有著緊密的聯系，粘結材料會產生氧化和擴散，而氧化則為磨粒磨損提供了硬質點，刀具的磨損失效是在多種磨損機制下共同作用的結果。針對各種機理從提高刀具壽命的角度，應選擇植物油基的切削液。