高速銑削鈦合金涂層刀具優(yōu)選

翟萬振++鮑明志

摘 要：Ti6Al4V自身的切削加工特性致使刀具材料的選擇對加工有著很大影響。刀具涂層技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步對提高刀具的切削性能和實現(xiàn)不同材料的高速切削起到了關(guān)鍵的作用。在材料的切削加工過程中，每個工件材料都會對應(yīng)一種或幾種特別適合其加工的高效刀具材料。本文主要分析適合鈦合金切削的刀具涂層材料并對適合其加工的涂層刀具進(jìn)行優(yōu)選。

關(guān)鍵詞：刀具；涂層；鈦合金；切削

1.刀具涂層制備工藝方法及涂層材料優(yōu)選原則

1.1刀具涂層的工藝方法

涂層制備工藝的方法主要有物理氣相沉積法（PVD）和化學(xué)氣相沉積法（CVD），其它方法還有如溶膠-凝膠法、等離子化學(xué)氣相沉淀法（PCVD）、電鍍、溶鹽電解等，但都還存在較大的應(yīng)用局限性。對于金屬切削刀具其表面涂層的制備通常選用PVD和CVD法。

1.2刀具涂層的優(yōu)選原則

（1）刀具涂層材料的物理力學(xué)性能比較

鈦合金高速切削過程中由于切削溫度高，加工刀具材料必須具備高的硬度、耐磨性、高的導(dǎo)熱系數(shù)、低的摩擦系數(shù)和低的化學(xué)活性。PCD涂層硬度大，抗磨損能力強(qiáng)，耐熱溫度可達(dá)1000℃，并且摩擦系數(shù)很小0.02-0.15之間，此外TiAlN、AlTiN和AlCrN等涂層也具有較好的物理力學(xué)性能，耐熱溫度達(dá)到800℃以上。

（2）刀具涂層材料的化學(xué)性能比較

Ti6Al4V加工刀具磨損主要有粘結(jié)磨損和元素的氧化擴(kuò)散磨損，因此刀具材料必須選取抗粘結(jié)性高和化學(xué)活性低的涂層材料。表中可以看出PCD的抗粘結(jié)、抗氧化和元素擴(kuò)散強(qiáng)度都比較好。

2.常用硬質(zhì)合金涂層刀具性能

針對Ti6Al4V加工特性，刀具涂層技術(shù)可有效的解決刀具材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能之間的矛盾，對刀具壽命的延長起到重要作用。

（1）高的硬度及耐磨性

一般而言，硬質(zhì)合金涂層刀具有比硬質(zhì)合金更高的硬度和抗磨損能力，如TiN、TiC、TiCN、TiAlN、AlTiN和金剛石等硬質(zhì)合金涂層刀具有的可達(dá)到HV3000～4000，甚至高達(dá)HV9000。

（2）較高的耐熱性

涂層材料的耐熱溫度有一定的差異，硬質(zhì)合金涂層刀具的耐熱性可達(dá)1000～1200℃，TiN和TiAlN在1200℃以上仍可保持1000HV的硬度。PCD涂層在1100℃可保持2800HV的硬度。PCD的導(dǎo)熱性也特別好，可以將刀尖附近的熱量散發(fā)出去減小熱量傳遞給刀具基體內(nèi)部，對刀具基體起到了屏障保護(hù)作用。因此，TiAlN涂層和PCD涂層硬質(zhì)合金涂層刀具可在鈦合金中應(yīng)用。

（3）高的化學(xué)溫定性

在鈦合金切削過程中，由于高溫高壓的作用刀具前刀面與切屑底面、刀具后刀面與已加工表面元素相互擴(kuò)散嚴(yán)重，刀具磨損加大，削弱了刀具材料的切削性能。而對刀具涂層材料的正確選擇可有效減少刀具表面與工件材料間的元素擴(kuò)散。

不同涂層材料在高溫下與工件材料的作用不同，TiAlN高溫下有很好的阻礙擴(kuò)散作用，在高溫作用下會生產(chǎn)致密的Al2O3保護(hù)膜，其抗月牙洼磨損能力高于TiC、Al2O3，在高速范圍內(nèi)其耐磨性較TiC、TiN都好，而PCD涂層在高溫下也具有優(yōu)良的保持性，與鈦合金反應(yīng)小。

（4）抗粘結(jié)性

Ti6Al4V切削時對刀具的抗粘結(jié)性尤為重要，良好的抗粘結(jié)性可大幅度降低與工件材料的化學(xué)反應(yīng)，減少積屑瘤的產(chǎn)生。TiAlN和PCD涂層材料與Ti6Al4V化學(xué)反應(yīng)小，在切削高溫變形區(qū)粘結(jié)磨損低，可有效提高刀具壽命。

（5）低摩擦系數(shù)

低摩擦系數(shù)有助于使切屑迅速滑離前刀面減少切削熱的產(chǎn)生，可有效延長刀具壽命。TiAlN和PCD涂層材料都具有低的摩擦系數(shù)，而PCD涂層刀具在這方面表現(xiàn)更好，低的摩擦系數(shù)使切屑可以快速沿前刀面流出。

（6）良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性

相比單獨的PCD刀具硬質(zhì)合金涂層刀具更加經(jīng)濟(jì)。

3.涂層刀具高速銑削鈦合金的仿真分析

3.1不同涂層材料對切削溫度的影響

由上述涂層材料的物理力學(xué)和化學(xué)性能及對硬質(zhì)合金在鈦合金切削中的特點的比較綜合選出TiN、TiAlN、TiCN與PCD四種涂層材料刀具作為研究對象。高速銑削Ti6Al4V有限元仿真涂層材料對切削溫度的影響如圖3.1所示，切削參數(shù)選擇vc=120m/min，fz=0.08mm/z，αp=1mm，αe=5mm。仿真結(jié)果表明，TiAlN與PCD涂層刀具的切削溫度相對比較低，這是對涂層材料在導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦系數(shù)有較大的差異造成的。

3.2涂層厚度對刀具切削溫度的影響

選取TiAlN涂層刀具作為研究對象，研究涂層厚度對高速銑削Ti6Al4V切削溫度的影響，切削條件如表3-1所示：

硬質(zhì)合金TiAlN涂層刀具高速銑削Ti6Al4V在不同涂層厚度下刀屑接觸區(qū)最高切削溫度曲線如圖3.2所示。從圖中可以看出，在Ti6Al4V銑削過程中隨著涂層厚度的增加，刀具的切削溫度有上升的趨勢，主要是因為涂層厚度的增加會加劇涂層的磨損和剝落，因此在加工鈦合金Ti6Al4V時選用適當(dāng)?shù)耐繉雍穸?，本文所選用的涂層在5～8μm之間。

目前，涂層刀具在高溫合金的切削中展現(xiàn)出很好的切削性能。綜上所述，TiAlN和PCD硬質(zhì)合金涂層刀具作為新型涂層材料，在熱硬性，抗磨損性，抗粘結(jié)性和摩擦等方面都有優(yōu)良的特性。TiAlN和PCD涂層機(jī)械物理性能優(yōu)于TiC、TiN、TiCN等涂層是一種可較好滿足上述要求。這種抗氧化、抗粘結(jié)性能正是鈦合金切削刀具涂層必須具備的性能。TiAlN和PCD涂層刀具理論上適合鈦合金等高溫材料的切削加工，但還需要進(jìn)一步進(jìn)行實驗分析。

結(jié)論

鈦合金切削刀具應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性，良好的抗粘結(jié)性，低的摩擦性和經(jīng)濟(jì)性?；谕繉庸に囍苽浞椒?、材料性能特點、刀具切削性能及在鈦合金切削中的應(yīng)用等方面。通過比較刀具材料的物理力學(xué)和化學(xué)性能及有限元仿真分析。優(yōu)選出TiAlN涂層和PCD涂層硬質(zhì)合金刀具作為高速銑削Ti6Al4V的切削刀具，涂層厚度在5～8μm之間，可承受鈦合金銑削加工中較大的力熱沖擊。

參考文獻(xiàn)

[1] 張春江. 鈦合金切削加工技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1986.