不同涂层对刀具加工TC4钛合金加工件寿命的影响分析

前言

钛合金具有比重小、强度高、耐高温、抗腐蚀等优良特性，被广泛应用于石油、化工、造船、医疗、汽车等领域[1]。钛合金是典型的难加工材料，加工时温度高，刀具粘结磨损、扩散磨损严重[2]。钛合金切削加工要求高，目前钛合金切削应用最广泛的刀具为硬质合金涂层刀具[3]。

TiAlN涂层具有优良的化学稳定性、热稳定性、抗氧化性和耐磨性，适用于切削钛合金材料[4-5]。王丹等研究表明，车削TC4钛合金工件时，与聚晶立方氮化硼刀具、Al₂O₃+TC涂层硬质合金刀具相比，TiAlN涂层硬质合金刀具具有更长的寿命[6]。赵毅湘等研究表明，TiAlN涂层刀片高速车削钛合金的耐磨损性能较TiAlSiN涂层刀片提高约20%[7]。此外，学者们在TiAlN涂层硬质合金刀具加工钛合金切削速度[8-9]、切削过程磨损形式演变[10]等领域也取得了一定的成果。

TiB₂涂层具有高的硬度化学稳定性和抗粘结性能，与钛反应倾向低且具有较好的力学性能[11]。目前已有相关研究验证了TiB₂涂层切削钛合金的可行性等研究发现TiB₂涂层能够抑制工件材料在刀具上的粘附和扩散[12]。Chowdhury等在研究Ti6Al4V航空航天合金加工过程中涂层硬质合金刀具的磨损行为时发现TiB₂表面氧化产生的B₂O₃能起到润滑作用，可提高刀具使用寿命[13]。Paiva等研究了TiAl6V4航空航天合金加工过程中的摩擦现象和刀具磨损机理[14]。

TiAIN涂层与TiB₂涂层作为较有前景的钛合金加工用涂层，目前尚无侧铣工况下两种涂层硬质合金刀具加工钛合金性能优劣的对比研究。笔者以TC4钛合金为加工材料，选取钴含量为10%、晶粒度0.8μm的硬质合金为刀具基体，以TiAIN涂层和TiB₂涂层为研究对象，通过侧铣对比实验，研究不同涂层对刀具加工TC4钛合金寿命的影响。研究结果可为钛合金加工刀具设计与优化提供一定参考依据。

1、切削试验

1.1试验方案

立铣刀涂层参数信息为：TiAlN涂层硬度3300，摩擦系数0.4；TiB₂涂层硬度4300，摩擦系数0.4。

试验设置相同基体，基体为钴含量为10%、晶粒度的硬质合金分别搭配涂层和TiB₂涂层立铣刀涂层为立铣刀涂层为TiB₂0涂层断面图片如图1所示。

表 1 立铣刀基本参数

试验设置工件材料为TC4钛合金，硬度为43HRC，尺寸为300mm×200mm×100mm的矩形块，使用压板夹具将其装夹在铣床上。试验模拟TC4钛合金实际加工状态，主要切削参数为：铣削方式为顺铣，转速为3342r/min，进给为1070mm/min，切深12mm，切宽0.8mm。

1.2试验设备

切削试验设备：马扎克VCN-430AHS立式铣床，如图2(a)所示，主轴转速范围18000r/min，主轴功率26kW。

立铣刀磨损值测量设备：KeyenceVHX-950F超景深测量仪，如图2(b)所示，用于检测铣削立铣刀后刀面磨损值。

1.3试验方法

试验过程中以铣削长度为间隔进行立铣刀信息采集，前6m采集一次信息，6m之后每间隔8m采集一次信息，监测切削过程中立铣刀后刀面磨损情况。以刀具后刀面磨损值或缺口0.2mm作为刀具寿命判定标准。

1.4立铣刀寿命测量结果

根据上述切削参数进行TC4侧铣试验，前6m采集一次信息，6m之后每间隔8m采集一次信息，拍摄记录立铣刀后刀面磨损值，每种涂层立铣刀重复测试二组。试验得出：涂覆TiAlN涂层的立铣刀A的刀具寿命为涂覆TiB₂涂层的立铣刀的刀具寿命分别为78、70m，试验立铣刀使用寿命如图3所示，后刀面磨损变化如图4所示。

由图3可知，立铣刀A平均加工寿命为86m，立铣刀B平均加工寿命为74m，立铣刀A平均加工寿命比立铣刀B高116%。在文章试验条件下，相比TiB₂涂层立铣刀涂层立铣刀在加工钛合金时具有更高的寿命。

由图4可知，立铣刀A和立铣刀B的磨损变化趋势相近。切削长度46m前，立铣刀A和立铣刀B均处于稳定切削阶段，B2磨损宽度较大，A1、A2和B1磨损宽度接近；切削长度46m后，立铣刀A和立铣刀B后刀面磨损加快，立铣刀A在切削80~85m后进入剧烈磨损阶段并迅速达到寿命判定标准，立铣刀B在切削65~75m后进入剧烈磨损阶段并迅速达到寿命判定标准。总体上，相比立铣刀B，立铣刀A磨损情况稳定，切削寿命更长。

2、试验结果分析

使用超景深测量仪将立铣刀放大500倍，对四把立铣刀的前刀面和后刀面磨损形貌进行观察，结果如图5、6所示。

在电子显微镜下观察前刀面和后刀面磨损情况，立铣刀A和立铣刀B磨损失效形式相同，均存在不同程度的涂层剥落和基体磨损。其中，立铣刀A的前刀面和后刀面出现了明显的涂层剥落，露出硬质合金基体；立铣刀B的前刀面和后刀面也出现了明显的涂层剥落，露出硬质合金基体，且刀具刃口处出现较为明显的崩缺。通过对比分析立铣刀A和立铣刀B试验过程记录的刀具磨损图片发现，立铣刀A和立铣刀B在切削长度46m前，两者的磨损程度接近，在切削长度46m后，立铣刀B的磨损扩散速度明显快于立铣刀A，并快速达到失效状态。

综合实验结果分析可知使用TiB₂涂层的立铣刀B在刀具达到一定磨损后，刀具切削阻力增加，切削温度升高TiB₂涂层保护作用降低使刀具快速达到失效状态。蒋繁等研究发现，TiAlN涂层在900℃条件下会发生氧化失效[15]。Irving等研究发现，在750℃以上，TiB₂氧化形成的B₂O₃开始强烈挥发其损失速度超过其生成速度导致表面的B₂O₃减少，涂层失去保护作用[16]。TiAlN涂层刀具的适用温度高于TiB₂涂层涂层刀具故使用涂层的立铣刀A在刀具达到一定磨损后，仍能对刀具形成一定保护作用，从而可以增加刀具切削寿命。

3、结论

文中以涂层和TiB₂涂层为研究对象通过侧铣对比实验，研究了以上两种涂层的硬质合金涂层刀具在加工TC4钛合金时的刀具寿命和刀具磨损机理，得出以下结论。

(1)通过立铣刀对比试验可知，TiAlN涂层刀具和TiB₂涂层刀具加工钛合金时具有相同的磨损形式，均为刃口磨损逐渐变为后刀面磨损和前刀面磨损，并且伴随着涂层脱落。

(2)由对比试验可知，在文章试验条件下，相比TiB₂涂层涂层能更好地保护刀具涂层刀具加工钛合金的寿命约比TiB₂涂层刀具高116%。

参考文献：

[1] 张守全。钛合金铣削加工的 PVD 涂层适应性研究 [J]. 工具技术，2014，48 (11)：33-35.

[2] 陈五一，袁跃峰。钛合金切削加工技术研究进展 [J]. 航空制造技术，2010 (15)：26-30.

[3] 祁志旭，陈兴媚。钛合金切削加工技术研究进展 [J]. 材料研究与应用，2021，15 (1)：71-76.

[4] 林亮亮.Al 含量对 Ti1-xAlxN 涂层组织结构、力学性能和铣削性能的影响 [J]. 表面技术，2019，48 (4)：175-181.

[5] 韩振威，林有希.TiAlN 涂层刀具研究新进展 [J]. 组合机床与自动化加工技术，2012 (6)：87-91.

[6] 王丹，万军。不同材料和刀尖圆弧半径刀具加工 TC4 钛合金的表面质量及刀具磨损行为 [J]. 机械工程材料，2019，43 (4)：64-68.

[7] 赵毅湘，陈康华，祝昌军，等。涂层对钛合金高速切削加工性能的影响 [J]. 硬质合金，2015，32 (1)：50-56.

[8] 李友生，吴冲浒，陈荣德。高速车削钛合金时硬质合金刀具和涂层刀具的寿命分析 [J]. 制造技术与机床，2011 (6)：99-102.

[9] 刘朋和，姜增辉，王琳琳，等.TiAlN 涂层与无涂层刀具高速车削 TC4 钛合金的性能研究 [J]. 制造技术与机床，2014 (8)：49-52.

[10] 常垲硕，郑光明，李阳，等.PVD-TiAlN 涂层硬质合金刀具高速干车削 TC4 合金磨损演变机理 [J]. 组合机床与自动化加工技术，2020 (9)：139-141+146.

[11] 刘杰，朱水生，邓欣，等.TiB2 涂层刀具制备及干铣削 Ti6Al-4V 磨损行为研究 [J]. 中国陶瓷，2020，56 (1)：47-55.

[12] CorduanN，HimbartT，PoulachonG，etal.WearmechanismsofnewtoolmaterialsforTi-6Al-4Vhighperformancemachining [J].CIRPAnnals，2003，52 (1)：73-76.

[13] ChowdhuryMSI，ChowdhuryS，YamamotoK，etal.WearbehaviourofcoatedcarbidetoolsduringmachiningofTi6Al4Vaerospacealloyassociatedwithstrongbuiltupedgeformation [J].SurfaceandCoatingsTechnology，2017 (313)：319-327.

[14] PaivaJM，AbdulMonimShalabyM，ChowdhuryM，etal.TribologicalandwearperformanceofcarbidetoolswithTiB2PVDcoatingundervaryingmachiningconditionsofTiAl6V4aerospacealloy [J].Coatings，2017，7 (11)：187.

[15] 蒋繁，曹旭萌，鲜广，等.TiAlN-TiAlN/CrSiAlN-TiAlON 多层涂层的抗氧化性能和耐磨性能 [J]. 热加工工艺，2022，51 (8)：98-103.

[16] IrvingRJ，WorsleyIG.Theoxidationoftitaniumdiborideandzirconiumdiborideathightemperatures [J].JournaloftheLessCommonMetals，1968，16 (2)：103-112.

相关链接