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(duì)加工有著很大影響。刀具涂層技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步對(duì)提高刀具的切削性能和實(shí)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(gè)工件材料都會(huì)對(duì)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(duì)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(duì)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?cái)U(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(duì)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(duì)刀具壽命的延長(zhǎng)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(duì)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(duì)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?cái)U(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(huì)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(shí)對(duì)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(zhǎng)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(dú)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(duì)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(duì)硬質(zhì)合金在鈦合金切削中的特點(diǎn)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(duì)象。高速銑削Ti6Al4V有限元仿真涂層材料對(duì)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(duì)比較低，這是對(duì)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(duì)刀具切削溫度的影響

選取TiAlN涂層刀具作為研究對(duì)象，研究涂層厚度對(duì)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(shì)，主要是因?yàn)橥繉雍穸鹊脑黾訒?huì)加劇涂層的磨損和剝落，因此在加工鈦合金Ti6Al4V時(shí)選用適當(dāng)?shù)耐繉雍穸龋疚乃x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(shí)驗(yàn)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。基于涂層工藝制備方法、材料性能特點(diǎn)、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.