鈦與鋁、釩等金屬元素的合金具有高強度比和高抗腐蝕能力，非常適用于飛機、艦船、裝甲和導(dǎo)彈等領(lǐng)域。在高溫條件下，鈦合金能抵抗裂紋生長和蠕變伸長。Ti6Al4V合金是飛機制造中常用的合金，幾乎占所有合金的50%。鈦合金具有高溫化學(xué)反應(yīng)性、高溫強度大、低導(dǎo)熱系數(shù)以及低彈性模量等特性，當接觸區(qū)域溫度在500℃時，鈦合金幾乎與所有刀具材料發(fā)生反應(yīng)；只有當接觸溫度超過800℃時，鈦合金抵抗變形能力下降明顯，鈦合金的難加工性制約了其更廣泛的應(yīng)用。目前，一般加工鈦合金基本選擇無涂層硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具，但高速鋼刀具的車削速度不超過30m/min，硬質(zhì)合金刀具的車削速度也不大于60m/min，極大限制了鈦合金的加工效率。

        聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，PCD)刀具，因具有比高速鋼和硬質(zhì)合金刀具更高的硬度和耐磨性能、更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及更優(yōu)的導(dǎo)熱性能，因而更適用于高速切削，體現(xiàn)了現(xiàn)代先進切削技術(shù)的“高效、精密和柔性”的基本特征，代表了高效、高速、綠色切削工具的發(fā)展方向。近20年來，PCD刀具在發(fā)達國家制造業(yè)中已被廣泛應(yīng)用，成為傳統(tǒng)切削工具的替代產(chǎn)品之一，特別是用于加工硬脆材料、有色金屬及其合金等。

        目前，PCD刀具在加工鈦合金方面有許多有價值的研究成果。Ezugwu E.等采用PCD刀具加工鈦合金，比較了高壓冷卻和一般冷卻的不同。試驗表明：工件材料的重熔和微凹坑是工件表面主要的破環(huán)形式，高壓冷卻加工方法可獲得較好的加工表面層，高壓冷卻方式加工鈦合金Ti6Al4V可延長刀具壽命。Nurul Aminl A.等通過對比WC-Co類硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具銑削鈦合金Ti-6Al-4V后發(fā)現(xiàn)：WC-Co類硬質(zhì)合金刀具的加工速度不宜超過40m/min，當速度超過40m/min時刀具會發(fā)生劇烈磨損；PCD刀具在切削速度為120m/min時可使工件獲得與磨削相同的表面粗糙度，其平均表面粗糙度也低于硬質(zhì)合金刀具。Farhad Nabhani對比了PCD、CBN和KC850刀具在干切削條件下的切削效果。試驗表明：超硬材料刀具與涂層硬質(zhì)合金刀具相比，在抗磨損性和工件表面質(zhì)量方面都占優(yōu)，尤其是PCD刀具加工的表面質(zhì)量最好。Yanuar Burhanuddin等探討了刀具切削速度、進給量以及刃口鈍化對車削Ti6Al4V合金的表面完整性影響。Mustafizur R.等采用PCD刀具精銑加工Ti6Al4V，試驗發(fā)現(xiàn)PCD刀具未出現(xiàn)月牙洼和后刀面磨損，認為這可能是工件材料和刀具材料在高溫作用下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成的TiC薄膜對刀具起到了保護作用。Michiko Ota等為了提高鈦合金Ti6Al4V的加工效率，選擇高導(dǎo)熱系數(shù)的PCD刀具和硬質(zhì)合金刀具在濕式環(huán)境下進行車削對比試驗。試驗結(jié)果表明：當車削速度超過80m/min后，硬質(zhì)合金刀具的磨損速度急劇增大，很短時間內(nèi)就失去切削能力；在車削速度在40-80m/min時，PCD刀具的后刀面磨損較小；而當車削速度高于120m/min時，PCD刀具的后刀面磨損迅速增大；在切削速度為250m/min且保證后刀面磨損相同的條件下，使用高壓冷卻液可使PCD刀具的切削壽命高于使用傳統(tǒng)冷卻液壽命的十幾倍，證明了在高壓冷卻液條件下使用PCD刀具可提高鈦合金Ti6Al4V加工效率。國內(nèi)關(guān)于加工鈦合金的研究主要集中于硬質(zhì)合金和CBN刀具的壽命和磨損機理、靜態(tài)切削力和工件表面完整性上，而缺少PCD刀具車削鈦合金的工藝參數(shù)試驗數(shù)據(jù)以及加工參數(shù)優(yōu)化。

        本試驗以研究工件的表面粗糙度WRa和車削刀具后刀面磨損量VB作為評價指標，選用自主設(shè)計加工的焊接式PCD車刀對Ti6Al4V鈦合金棒料進行干式正交車削試驗，尋找合適的鈦合金車削加工工藝參數(shù)，如切削速度v、進給量f和切削深度aP，通過SEM觀測以及能譜分析判斷PCD刀具干式車削Ti6Al4V合金的磨損形式。

        1  試驗設(shè)備和方法

        試驗工件采用α+β型Ti6Al4V鈦合金棒料，直徑100mm，長度300mm，化學(xué)成分見表1，物理機械性能指標見表2。PCD刀具是自主設(shè)計加工（機械磨削）的焊接式刀具，焊接的PCD復(fù)合片選用GE公司生產(chǎn)的Compax 1200，PCD刀具的設(shè)計參數(shù)見表3。

        在CAK6150車床上進行干式外圓車削試驗。在切削過程中，每間隔一段時間使用萬能工具顯微鏡19JPC-V測量刀具后刀面磨損量，采用表面粗糙度儀TR240測量工件表面粗糙度以及刀具后刀面的表面粗糙度。連續(xù)車削10min后，采用S-4800型掃描電鏡SEM和能譜分析儀對刀具前后、刀面磨損形態(tài)及局部化學(xué)成分進行分析。

        采用正交試驗方法分析車削參數(shù)（車削速度、進給量、切削深度）與工件表面粗糙度、后刀面磨損的關(guān)系。表4為正交試驗設(shè)計和連續(xù)車削20min后的試驗結(jié)果。

        3  試驗結(jié)果及分析

        (1)車削參數(shù)對工件表面粗糙度的影響

        圖1為車削參數(shù)與工件表面粗糙度的關(guān)系曲線。由圖1a可知，當進給量為0.15mm/r時，隨著切削速度的增加，工件的表面粗糙度值先降到最小值后再增大，在切削速度為160m/min時，工件表面粗糙值最小；由圖1b可知，隨著進給量的增加，工件表面粗糙度值隨之增大。這可能是由于進給量f增大導(dǎo)致切削徑向力增大而引起機床振動；由圖1c可知，隨著車削深度的增加，工件表面粗糙度值先微弱減少再逐漸變大。鈦合金的楊氏模量低，在切削深度小于0.05mm時，變形回彈產(chǎn)生于工件表面，使工件表面質(zhì)量反而不及切削深度為0.15mm時的表面質(zhì)量。隨著切削深度的逐步加大，加工過程中的動態(tài)切削力也隨之變大，加工系統(tǒng)的振動以及鈦合金的加工變形也隨之增大，因此工件表面粗糙度隨之增加；當切削深度大于0.15mm時，工件表面的粗糙度值隨著進給量的增加而快速增加。

        (2)前后刀面形貌及能譜分析

        PCD車刀連續(xù)車削鈦合金棒外圓20min后，在掃描電鏡下觀測前后刀面形貌，觀測結(jié)果如圖2所示。由圖可知：在車刀的前、后刀面都可觀測到粘附的工件材料，工件材料也部分粘附在切削刃上，但切削刃并沒有看到明顯的磨損或崩刃現(xiàn)象。

(a)車削速度

(b)進給量

(c)切削深度

        圖1  車削參數(shù)與工件表面粗糙度的關(guān)系曲線

(a)前刀面(b)后刀面

        圖2  PCD刀具前后刀面SEM形貌（連續(xù)車削20min后）

        切削加工中，PCD刀具的切削刃并不是理想的直線型鋒利刃口，因此在加工鈦合金時存在很大的彈性變形。車削時，工件表面與刀具的后刀面相互摩擦。接觸的面積相對較小，因此刀具后刀面與工件之間產(chǎn)生了較大的接觸壓力，刀具磨損自然會發(fā)生在這個區(qū)域。

        圖3a為PCD刀具在加工鈦合金前的后刀面刃口能譜圖，圖3b為PCD刀具加工鈦合金后的后刀面刃口能譜圖。對比加工前、后的刃口能譜圖發(fā)現(xiàn)，加工后，鈦元素出現(xiàn)在后刀面的能譜中，因此，PCD刀具車削鈦合金時粘接磨損是主要的磨損形式。

(a)加工前

(b)加工后

        圖3  PCD刀具后刀面能譜

        (3)車削參數(shù)對后刀面磨損的影響

        圖4為車削參數(shù)與PCD刀具后刀面磨損的關(guān)系曲線。由圖4a可知，當切削速度低于160m/min時，后刀面磨損速度隨切削速度的增加而緩慢增加；當車削速度大于160m/min后，后刀面的磨損急速上升。由圖4b可知，當進給量低于0.15mm/r時，隨進給量的增加，后刀面磨損呈緩慢線性增加；當進給量大于0.15mm/r時，隨著進給量的增加，后刀面的磨損速度迅速增大。由圖4c可知，隨著切削深度的增加，后刀面的磨損隨之增加；切削深度增加越大，后刀面磨損越快。

(a)車削速度

(b)進給量

(c)切削深度

        圖4  車削參數(shù)與PCD刀具后刀面磨損的關(guān)系曲線

        小結(jié)

        （1）當進給量低于0.20mm/r時，鈦合金工件的表面粗糙度對切削速度的變化比進給量的變化更敏感。

        （2）PCD刀具車削鈦合金工件時，切削速度變化對后刀面磨損的影響要弱于刀具進給量和切削深度。

        （3）PCD刀具干式車削加工Ti6Al4V鈦合金的后刀面磨損形式主要為粘接磨損。

        （4）使用PCD刀具干式車削鈦合金，采用高車削速度、低切削深度和進給量可以獲得表面粗糙度值小和刀具后刀面磨損小的理想效果。可選擇切削速度為120-160m/min、進給量0.15mm/r、切削深度0.15mm來獲得較理想的加工效果。