硬質(zhì)合金涂層刀具車削Ti6Al4V 磨損實驗研究

閆軍宇，杜茂華，程正，欒建舉

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學）

0 引言

Ti6Al4V 作為一種典型的難加工材料，在切削加工過程中，刀具的前刀面與切屑及后刀面與工件加工表面均會因運動接觸而產(chǎn)生摩擦熱，而且通過切屑和工件傳出去的切削熱相對較少，絕大部分的切削熱留在了刀具中，導致刀具在高溫、高壓和摩擦的環(huán)境下極易出現(xiàn)磨損，降低了刀具的使用壽命和加工的效率，增加了生產(chǎn)成本，也對被加工零件的表面質(zhì)量產(chǎn)生了很大影響，選擇合理的刀具材料和切削參數(shù)以及刀具材料與工件材料的匹配非常重要。硬質(zhì)合金刀具是目前最主要的刀具材料之一，涂層硬質(zhì)合金刀具是在韌性好的硬質(zhì)合金刀片基礎上涂上高硬度及耐磨性好的金屬或非金屬化合物。涂層技術的應用不僅豐富了切削刀具的“種類”，而且相比于未涂層的硬質(zhì)合金刀具，涂層硬質(zhì)合金刀具有高韌性、高強度、高硬度及較好的耐磨性[1]。選擇合適的刀具涂層材料、涂層結(jié)構(gòu)和涂層方法可以很大程度地提高刀具的切削性能，而選擇不合適的刀具涂層有可能會加劇刀具的失效，所以研究涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損具有重要意義。

為了提高刀具的切削性能、降低生產(chǎn)的成本，許多學者對刀具的磨損做了大量的研究。Jawaid[2]等對WC-Co 硬質(zhì)合金刀具切削Ti6246 的刀具磨損特性研究顯示，晶粒越細和倒圓越小的硬質(zhì)合金刀具的壽命越長；Nouari 和Ginting[3]研究了未涂層硬質(zhì)合金刀具和多涂層CVD 刀具干切削鈦合金Ti6242S 的性能，結(jié)果表明，兩種刀具的主要磨損形式是后刀面磨損，在VB=0.3 mm 附近時，觀察到了微剝落及涂層分層等現(xiàn)象；姜振喜[4]等使用AlCrN 涂層整體硬質(zhì)合金立銑刀對Ti6Al4V進行了銑削試驗，研究了刀具磨損對于切削力及振動的影響；王福增[5]等進行了鈦合金銑削試驗，結(jié)果顯示，低速時主要是后刀面粘結(jié)磨損，在高速下，前刀面有涂層剝落、微裂紋擴展以及崩刃等現(xiàn)象；Shi Q[6]等使用3 種不同硬質(zhì)合金刀具銑削兩種鈦合金試驗，研究了刀具材料、刀具磨損及銑削參數(shù)對切削力和切削溫度的影響，并且研究了刀具壽命受刀具材料的影響。

本文使用兩種尺寸結(jié)構(gòu)完全相同的刀具在相同的切削參數(shù)條件下切削Ti6Al4V，研究兩種涂層（CVD 涂層NL300 和PVD 涂層SP4019）刀具的磨損，可以為硬質(zhì)合金涂層刀具的研究以及實際生產(chǎn)中涂層刀具、切削參數(shù)的選擇提供參考。

1 實驗

1.1 機床和工件材料

如圖1 所示，實驗使用的機床是云南機床廠生產(chǎn)的CY6140 普通臥式車床，其主軸最高轉(zhuǎn)速是1 480 r/min，工件材料是Ti6Al4V 棒料。

圖1 CY6140 車床Fig.1 CY6140 turning machine

1.2 刀具

實驗中所用的刀柄和刀片如圖2 所示。刀柄是SCLCR2020K12；刀片是Stellram 生產(chǎn)的C 型硬質(zhì)合金涂層刀片，具體型號是CCMT120408E-73，涂層材料分別是SP4019（單層TiAlN）和NL300（三層TiN+Al2O3+TiCN）。刀片主要幾何參數(shù)如圖3 所示。

圖2 刀柄和刀片F(xiàn)ig.2 Handle and blade

圖3 刀片的主要幾何參數(shù)Fig.3 Main geometric parameters of the blade

1.3 工業(yè)顯微鏡

如圖4 所示，實驗中使用一臺工業(yè)顯微鏡觀察、測量并記錄兩種硬質(zhì)合金涂層刀具在切削加工過程中前、后刀面的磨損形貌和磨損量的值，其最高可以放大150 倍左右。在使用工業(yè)顯微鏡觀察、測量前，需要先標定測量面，標定后通過找點劃線就可以觀察測量刀片磨損量的值，其值可以精確到0.1 mm。在實驗過程中，當達到一定切削長度就卸下刀片，觀察、測量并記錄刀具前、后刀面的磨損形貌和磨損量的值，直至實驗刀具達到了磨鈍標準。

圖4 工業(yè)顯微鏡Fig.4 Industrial microscope

1.4 實驗方案

吳遠晨[7]等的研究表明了切削三因素中，對刀具磨損影響最大的是切削速度。當切削Ti6Al4V 難以加工材料時，在低速、小進給的條件下，與加工材料匹配的刀具可以長時間保持良好的切削性能，而在高速的條件下，刀具非常容易發(fā)生磨損。本實驗是將對刀具磨損影響最主要的因素作為變量，固定切削深度和進給量兩個次要因素，具體實驗方案如表1 所示。

表1 Ti6Al4V 切削實驗參數(shù)Tab.1 Ti6Al4V cutting experiment parameters

2 實驗結(jié)果與分析

對實驗刀具的磨損進行形貌分析。固定切削深度和進給量，在一定切削速度和切削長度下，兩種涂層刀具的前、后刀面的磨損形貌變化過程如圖5—圖10 所示。

圖5 vc=50 m/min 時，SP4019 涂層刀具的前、后刀面磨損形貌Fig.5 Wear morphology of front and back tool surfaces of SP4019 coated tools when vc=50 m/min

圖6 vc=50 m/min 時，NL300 涂層刀具的前、后刀面磨損形貌Fig.6 Wear morphology of front and back tool surfaces of NL300 coated tools when vc=50 m/min

圖7 vc=80 m/min 時，NL300 涂層刀具的前、后刀面磨損形貌Fig.7 Wear morphology of front and back tool surfaces of SP4019 coated tools when vc=80 m/min

圖8 vc=80 m/min 時，NL300 涂層刀具的前、后刀面磨損形貌Fig.8 Wear morphology of front and back tool surfaces of NL300 coated tools when vc=80 m/min

圖9 vc=100 m/min 時，SP4019 涂層刀具的前、后刀面磨損形貌Fig.9 Wear morphology of front and back tool surfaces of SP4019 coated tools when vc=100 m/min

圖10 vc=100 m/min 時，NL300 涂層刀具的前、后刀面磨損形貌Fig.8 Wear morphology of front and back tool surfaces of NL300 coated tools when vc=100 m/min

由圖5 與圖6 分析可知，SP4019 涂層刀具較NL300 涂層刀具的前、后刀面而言，前者磨損不明顯，后者的前、后刀面有明顯的磨損痕跡。由圖7 與圖8 分析可知，SP4019 涂層刀具較NL300 涂層刀具的前、后刀面而言，前者在L=2 200 m 時有明顯的前刀面月牙洼磨損及后刀面磨損，后者在L=600 m 時就有了較大的后刀面磨損。由圖9 與圖10 分析可知，兩種刀具在短時間內(nèi)都出現(xiàn)了較為嚴重的磨損現(xiàn)象。

圖11（a）、圖11（b）和圖11（c）分別是切削速度vc=50，80，100 m/min 下，SP4019 涂層刀具與NL300 涂層刀具后刀面磨損量VB 的值隨著切削長度變化的情況。

圖11 刀具涂層對刀具磨損的影響Fig.11 Effect of tool coating on tool wear

通過分析可知，SP4019 涂層刀具與NL300涂層刀具在相同的條件下切削Ti6Al4V，SP4019涂層刀具較NL300 涂層刀具磨損均更小；切削速度vc對于兩種涂層刀具的影響都非常明顯。

3 結(jié)論

在相同的切削條件下切削Ti6Al4V，SP4019涂層刀具較NL300 涂層刀具磨損均更小，因此，SP4019 涂層刀具比NL300 涂層刀具更優(yōu)；切削速度vc對于兩種涂層刀具的影響都非常明顯，SP4019 涂層刀具在低速下切削Ti6Al4V 有較好的切削性能；NL300 涂層刀具在切削Ti6Al4V 時的切削性能差。