鈦與鋁、釩等金屬元素的合金具有高強(qiáng)度比和高抗腐蝕能力，非常適用于飛機(jī)、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(jī)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(qiáng)度大、低導(dǎo)熱系數(shù)以及低彈性模量等特性，當(dāng)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(dāng)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(jìn)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(dá)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(dāng)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(jìn)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(rèn)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(hù)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(jìn)行車削對比試驗。試驗結(jié)果表明：當(dāng)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(dāng)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(jī)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(biāo)，選用自主設(shè)計加工的焊接式PCD車刀對Ti6Al4V鈦合金棒料進(jìn)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(jìn)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(jī)械性能指標(biāo)見表2。PCD刀具是自主設(shè)計加工（機(jī)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(jìn)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(jìn)行分析。

        采用正交試驗方法分析車削參數(shù)（車削速度、進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(jìn)給量的增加，工件表面粗糙度值隨之增大。這可能是由于進(jìn)給量f增大導(dǎo)致切削徑向力增大而引起機(jī)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(dāng)切削深度大于0.15mm時，工件表面的粗糙度值隨著進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)進(jìn)給量低于0.15mm/r時，隨進(jìn)給量的增加，后刀面磨損呈緩慢線性增加；當(dāng)進(jìn)給量大于0.15mm/r時，隨著進(jìn)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(jìn)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(dāng)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)給量0.15mm/r、切削深度0.15mm來獲得較理想的加工效果。