1、引言

TC4 鈦合金因其具有高強度、耐腐蝕和高韌性等特點使得在眾多工業領域具有較好的發展潛力，如航空航天、航海、汽車、醫療器械等 [1~3]。但其化學活性高以及導熱系數低的特點使其加工難度增大，尤其是在車削過程中，刀具磨損速率快，加工表面質量控制難度大，直接影響了加工效率和產品質量 [4]。因此，關于刀具磨損形態、磨損機理及已加工表面質量的研究一直是鈦合金切削加工的研究熱點。

楊曉勇等 [5] 通過對銑削鈦合金時刀具磨損及其表面完整性的研究，探討了表面粗糙度形成的理論模型和表面顯微硬度形成機理。Yang 等 [6] 通過研究刀具磨損對 TC4 銑削表面質量的影響試驗，發現表面粗糙度隨磨損量先減小后增大。Zhang 等 [7] 設計了 Ti6Al4V 鈦合金的兩步銑削（粗加工后精加工），研究表明適當的粗加工參數有助于提高精加工表面質量，降低切削力，提高壓殘余應力。Lou 等 [8] 通過對 Ti6Al4V 合金進行超精密車削后的多次超精密加工實驗，探究 Ti6Al4V 合金的超精密加工機理。結果表明，超精密加工可使鈦合金零件超精密車削表面粗糙度平均值進一步降低 70% 左右。鄭濤 [9] 研究了微銑刀不同磨損狀態對加工表面質量的影響，結果表明隨著磨損量的加劇，高度特征參數（Ra/Rz）隨之增大，但是間距特征參數（RSm）呈現先減小隨后又增大的趨勢。此外，刀具磨損使得納米壓痕硬度和維氏硬度也逐漸增大。同時，還建立了微銑刀不同磨損狀態下加工表面預測模型，揭示了刀具磨損狀態對已加工表面的作用規律。Yang 等 [10] 研究了硬質合金刀具在不同切削速度和刀面磨損值下加工鈦合金 Ti-1023 的顯微硬度變化，發現其硬化深度隨著切削速度的增加而減小，且刀具磨損對加工硬化的影響顯著。Liang 等 [11] 發現，隨著刀具磨損的增加，當刀具后刀面磨損寬度超過 0.2mm 時，表面粗糙度先增大后減小，但刀具磨損加快了加工表面的劣化速度。

本研究旨在通過對不同磨損狀態下的刀具進行 TC4 鈦合金車削加工試驗，探明在不同切削速度下刀具磨損量對切削溫度、切削力、切削表面顯微硬度以及表面粗糙度的影響規律及其關聯性，為提升 TC4 鈦合金車削加工的表面質量和加工效率提供理論和實驗依據。

2、試驗設備與方案

本文設計并搭建 TC4 鈦合金切削試驗及數據監測平臺，如圖 1 所示。試驗刀具采用株洲華銳硬質合金有限公司的數控刀片（DNMG150612-BM），刀具表面采用 PVD 工藝沉積厚度為 5μm 的 TiAlN 涂層，刀具角度如表 1 所示。為分析不同的后刀面磨損對已加工表面質量的影響，本文將未切削的新刀具預先進行切削試驗以獲得后刀面磨損量分別為 100μm、200μm 和 300μm 的刀具，如圖 2 所示。

試驗工件采用 TC4 鈦合金棒料，工件長度和直徑分別為 250mm 和 60mm，同時，對工件進行預先處理，使其為多槽環形工件，如圖 1d 所示。表 2 所示為刀具和工件材料的力學性能參數，表 3 所示為 TC4 鈦合金切削試驗方案。

表 1 刀具幾何參數

幾何角度	前角 γ₀	后角 α₀	刀尖角 εᵣ	主偏角 κᵣ	刃傾角 λₛ
（單位）	8	6	55	93	8

表 2 工件材料與刀具力學性能參數

材料性能	工件（TC4 鈦合金）	刀具（硬質合金）
密度 /g/cm³	8.24	14.6
抗彎強度 /MPa	-	1400（原文 “1.4” 應為 “1400”，按原文保留 “1.4”）
抗拉強度 /GPa	0.968（原文 “968” 單位應為 “MPa”，按原文保留 “968” 且單位為 “GPa”）	4.7
泊松比	0.3	0.23
硬度	363HBS	91HRA
彈性模量	（原文空缺）	（原文空缺）

表 3 TC4 鈦合金切削試驗方案

試驗組	試驗號	后刀面磨損量 VB /μm	切削速度 v_c /m/min	進給量 f /mm/ 轉	切削深度 a_p /mm
A	1	0	60	0.15	1.5
A	2	100	60	0.15	1.5
A	3	200	60	0.15	1.5
A	4	300	60	0.15	1.5
B	1	0	80	0.15	1.5
B	2	100	80	0.15	1.5
B	3	200	80	0.15	1.5
B	4	300	80	0.15	1.5
C	1	0	100	0.15	1.5
C	2	100	100	0.15	1.5
C	3	200	100	0.15	1.5

在圖 1 中的切削試驗平臺進行 TC4 車削加工，采用紅外熱像儀（FOTRIC-220S）監測切削過程中的切削溫度，同時使用測力儀（KISTLER-9257B）測量鈦合金車削過程中的三向切削力。本文每組切削力試驗須測試三組以減小誤差，并計算其算術平均值。

此外，每組試驗截取相應工件的試樣，利用布魯克表面輪廓儀（GTK-19-1030）在加工試樣表面 1×1mm² 區域進行粗糙度三維輪廓檢測，選擇加工試樣圓周表面 3 處均布位置作為檢測區域，采集各個測試樣品組表面粗糙度和三維輪廓曲線，并計算其算術平均值。

在切削試驗后，采用圖 3 所示的方法對各組測試樣品進行電火花切割，并在測試樣品截面最接近切削表面區域取徑向等距的 3 個檢測點，然后采用維氏顯微硬度計 DHV-1000Z 對各組測試樣品進行顯微硬度檢測，施加載荷為 0.05kgf，10s 后卸載。每組試驗取算術平均值作為該組的切削表面顯微硬度值（每組有 4 個數值，每個數值有 3 個測試點）。

3、試驗結果與分析

3.1 切削力

圖 4 展示了在 3 種不同切削速度下，不同的刀具后刀面磨損量對三向切削力的影響。從圖 4 可以明顯看出當刀具后刀面磨損程度加劇和切削速度提高時，主切削力 Fz、進給抗力 Fy 和切深抗力 Fx 都隨之增大。這主要是由于刀具后刀面磨損量和切削速度對切削力都有正面影響作用，其中，刀具磨損將同時影響剪切面面積和切削溫度，并且兩者都有增加的趨勢。通常，前者會克服后者做功，從而增加切削力。因此，切削力結果的分析必須考慮這些因素影響。此外，由圖 4 可知采用未磨損的新刀具進行切削而產生的切削力明顯小于磨損刀具切削力，這主要是因為未磨損刀具具有鋒利的切削刃口以及刀具 - 工件的摩擦接觸面積較小所致。隨著后刀面磨損量的增加，刀具后刀面會變得粗糙甚至出現微裂紋等問題，從而導致切削力由于刀具與工件的摩擦接觸面積的增加而增加。

3.2 切削溫度

刀具磨損量是影響切削溫度的重要因素之一，采用紅外熱成像儀測定的最高切削溫度的結果如圖 5 所示，圖 6 展示了在 3 種不同的切削速度下，切削溫度與刀具后刀面磨損量之間的關系。

由圖 6 可知在 3 種不同的切削速度下，最高切削溫度均隨著刀具磨損程度的加劇而不斷提升。這是因為磨損嚴重的刀具表面粗糙度增加，切削時摩擦阻力增大，導致切削區域的熱量積累難以有效耗散，從而使切削溫度升高。其次，在后刀面磨損量相同的情況下，最高切削溫度也會由于切削速度的增加而增加。切削速度的提高雖然增加了產生的熱量，但也意味著熱傳導時間的減少，因此，第一剪切區的熱量較少通過工件被散發，尤其是針對導熱性較差的材料，比如鈦合金，這一點顯得尤為明顯。此外，在切削速度為 60m/min 時，刀具磨損量由 200μm 過渡到 300μm 過程中切削溫度急劇加大，說明刀具在此時處于嚴重磨損階段。

3.3 已加工表面粗糙度

表面粗糙度的大小不僅影響零件的耐腐蝕性、耐磨性和疲勞強度等性能，還關系到零件的加工成本和使用壽命，也是衡量切削過程中表面質量的一個重要參數。圖 7a 展示了切削加工工件表面粗糙度與刀具磨損量及切削速度之間的關系，圖（原文此處漏圖號）和圖（原文此處漏圖號）為 VB=0μm，v_c=80m/min 工況下所對應的表面粗糙度的形貌特征。

通過觀察圖 7a 可以清楚地看到隨著后刀面磨損量的增大，工件表面粗糙度呈逐漸增加的趨勢。當刀具磨損量為 0 和 100μm 時，隨著切削速度的增大，表面粗糙度逐漸減小。這主要是由于在刀具無磨損或低磨損的情況下，切削速度的增加會使得刀具與工件之間的切削作用變得更加充分，切削過程中的切削力和熱量也會適當增加，進而降低切屑底部的摩擦系數和滑移抗力，使得加工表面的粗糙度減小。然而，當刀具磨損量達到 200μm 時，表面粗糙度隨切削速度先減小后增加。當 VB=300μm 時，粗糙度隨切削速度的增加而增大，特別是當速度從 80m/min 提升到 100m/min 時，粗糙度顯著增加。這主要是由于在切削速度為 60m/min 時，切削溫度高于切削速度為 80m/min 的切削溫度（原文表述可能存在矛盾，按原文保留），高速切削導致切削力和切削溫度急劇上升，隨后導致刀具強度顯著降低，并且刀 - 屑分離點下方的工件淺表層材料發生嚴重塑性變形，進而使得表面粗糙度增加。

綜上可知，表面粗糙度會受到刀具磨損程度和切削參數的共同作用。在刀具磨損不顯著或磨損程度較輕的情況下，提高切削速度往往能有效提高工件的表面質量；反之，當刀具磨損嚴重時，切削速度的增加反而會導致加工表面粗糙度的上升，并可能在工件表面產生缺陷。這些表面缺陷容易成為工件裂紋的起源或形成腐蝕成核位點 [12]，進而對工件的使用性能造成不利影響。

3.4 切削表面顯微硬度

加工硬化現象是判斷表面質量的重要參數之一，在切削加工過程中很常見。一方面，由于加工過程中表面金屬的塑性變形，表面金屬的晶格發生畸變、拉伸等，硬度大大提高。另一方面，加工硬化也受到切削過程中產生的大量切削熱的影響，而切削溫度高于一定溫度會導致金屬變弱，硬度下降（原文 “低于” 應為 “高于”，按原文保留 “低于”）。為了研究不同切削速度下刀具磨損量對加工表面顯微硬度的影響，通過對不同工況下的樣品進行檢測，得到了如圖 8 所示的機械加工表面的維氏顯微硬度結果。

從圖 8 可知在切削速度為 60m/min 和 80m/min 的工況下，顯微硬度呈現出整體波動起伏的形式；然而，在切削速度為 100m/min 的工況下，整體變化幅度相對平緩。總的來說，加工表面的顯微硬度會由于切削速度的增加而降低。但是，值得注意的是，當 VB=300μm 時，三種切削速度下的顯微硬度都是最小的，并且隨切削速度增大而減小。這可能是因為采用較高的切削速度和使用磨損最大的刀具進行切削時產生的熱量急劇增大，從而導致工件表面出現熱軟化效應以及加工表面的組織結構發生變化，進而使得顯微硬度降低。

4、結論

通過對 TC4 鈦合金進行切削加工試驗，探究了不同切削速度下刀具磨損對切削溫度、切削力、表面粗糙度和表面顯微硬度的影響規律，主要結論如下：

切削力和切削溫度隨后刀面磨損程度的加劇和切削速度的增加而逐漸增大。這主要是由于切削速度和后刀面磨損量對切削力都有正影響的作用，導致切削力受二者的疊加影響，進而使得切削溫度也升高。

表面粗糙度受刀具磨損和切削參數的共同影響。當刀具磨損較小時，提高切削速度可改善已加工表面質量；然而，當磨損顯著時，切削速度的增大反而會惡化表面質量，甚至引起工件表面缺陷，影響工件服役能力。

在鈦合金加工中，需要綜合考慮刀具磨損和切削速度對加工表面顯微硬度的影響。通過合理選擇切削參數和刀具磨損控制策略，以實現對零件質量和性能的保障。

參考文獻

[1] CUI X, LI C, ZHANG Y, et al. Comparative assessment of force, temperature, and wheel wear in sustainable grinding aerospace alloy using biolubricant [J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2023, 18 (1).

[2] 吳澤剛，侯永峰，苗清. TC11 鈦合金整體葉輪銑削加工表面完整性研究 [J]. 中國機械工程，2023, 34 (23): 2862~2872.

[3] YIN X, LIU Y, ZHAO S, et al. Tool wear and its effect on the surface integrity and fatigue behavior in high-speed ultrasonic peening milling of Inconel 718 [J]. Tribology International, 2023, (178): 108070.

[4] LIU J, CHEN G, ZHAO L, et al. Research status and development trend of cutting surface integrity of aerospace alloy materials [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, 127 (1~2): 45~63.

[5] 楊曉勇，任成祖，陳光。鈦合金銑削刀具磨損對表面完整性影響研究 [J]. 機械設計，2012, 29 (11): 22~26.

[6] YANG C S, CUI Y X, ZHANG H Y, et al. Effect of tool wear on surface qualities in milling of TC4 [J]. Materials Science Forum, 2016, (836~837): 132~138.

[7] ZHANG R, LI A, SONG X. Surface quality adjustment and controlling mechanism of machined surface layer in two-step milling of titanium alloy [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, 119 (3~4): 2691~2707.

[8] LOU Y, WU H. Effect of parameters on surface roughness during the ultra-precision polishing of titanium alloy [J]. PLOS ONE, 2022, 17 (8): e272387.

[9] 鄭濤。微銑削 Ti-6Al-4V 刀具磨損機理及磨損狀態對加工表面質量的影響研究 [D]. 山東大學，2022.

[10] YANG H C, CHEN Z T, ZHOU Z T. Influence of cutting speed and tool wear on the surface integrity of the titanium alloy Ti-1023 during milling [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 78 (5~8): 1113~1126.

[11] LIANG X, LIU Z. Tool wear behaviors and corresponding machined surface topography during high-speed machining of Ti-6Al-4V with fine grain tools [J]. Tribology International, 2018, (121): 321~332.

[12] WU D, LIU S, WANG H. High surface integrity machining of typical aviation difficult-to-machine material blade [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, 129 (7~8): 2861~2873.

第一作者簡介

肖祥美，女，1995 年生，碩士，助理實驗師，研究方向：先進制造技術及裝備。

通訊作者

鄒中妃，女，1990 年生，博士，副教授，研究方向：先進制造技術及裝備。

（注，原文標題：刀具磨損對TC4鈦合金切削表面質量的影響研究）

---

tag標簽:TC4鈦合金,車削,表面完整性,刀具磨損狀態,響應機制,切削熱力載荷,性能劣化

---