不同涂層對刀具加工TC4鈦合金加工件壽命的影響分析

前言

鈦合金具有比重小、強度高、耐高溫、抗腐蝕等優良特性，被廣泛應用于石油、化工、造船、醫療、汽車等領域[1]。鈦合金是典型的難加工材料，加工時溫度高，刀具粘結磨損、擴散磨損嚴重[2]。鈦合金切削加工要求高，目前鈦合金切削應用最廣泛的刀具為硬質合金涂層刀具[3]。

TiAlN涂層具有優良的化學穩定性、熱穩定性、抗氧化性和耐磨性，適用于切削鈦合金材料[4-5]。王丹等研究表明，車削TC4鈦合金工件時，與聚晶立方氮化硼刀具、Al?O?+TC涂層硬質合金刀具相比，TiAlN涂層硬質合金刀具具有更長的壽命[6]。趙毅湘等研究表明，TiAlN涂層刀片高速車削鈦合金的耐磨損性能較TiAlSiN涂層刀片提高約20%[7]。此外，學者們在TiAlN涂層硬質合金刀具加工鈦合金切削速度[8-9]、切削過程磨損形式演變[10]等領域也取得了一定的成果。

TiB?涂層具有高的硬度化學穩定性和抗粘結性能，與鈦反應傾向低且具有較好的力學性能[11]。目前已有相關研究驗證了TiB?涂層切削鈦合金的可行性等研究發現TiB?涂層能夠抑制工件材料在刀具上的粘附和擴散[12]。Chowdhury等在研究Ti6Al4V航空航天合金加工過程中涂層硬質合金刀具的磨損行為時發現TiB?表面氧化產生的B?O?能起到潤滑作用，可提高刀具使用壽命[13]。Paiva等研究了TiAl6V4航空航天合金加工過程中的摩擦現象和刀具磨損機理[14]。

TiAIN涂層與TiB?涂層作為較有前景的鈦合金加工用涂層，目前尚無側銑工況下兩種涂層硬質合金刀具加工鈦合金性能優劣的對比研究。筆者以TC4鈦合金為加工材料，選取鈷含量為10%、晶粒度0.8μm的硬質合金為刀具基體，以TiAIN涂層和TiB?涂層為研究對象，通過側銑對比實驗，研究不同涂層對刀具加工TC4鈦合金壽命的影響。研究結果可為鈦合金加工刀具設計與優化提供一定參考依據。

1、切削試驗

1.1試驗方案

立銑刀涂層參數信息為：TiAlN涂層硬度3300，摩擦系數0.4；TiB?涂層硬度4300，摩擦系數0.4。

試驗設置相同基體，基體為鈷含量為10%、晶粒度的硬質合金分別搭配涂層和TiB?涂層立銑刀涂層為立銑刀涂層為TiB?0涂層斷面圖片如圖1所示。

表 1 立銑刀基本參數

試驗設置工件材料為TC4鈦合金，硬度為43HRC，尺寸為300mm×200mm×100mm的矩形塊，使用壓板夾具將其裝夾在銑床上。試驗模擬TC4鈦合金實際加工狀態，主要切削參數為：銑削方式為順銑，轉速為3342r/min，進給為1070mm/min，切深12mm，切寬0.8mm。

1.2試驗設備

切削試驗設備：馬扎克VCN-430AHS立式銑床，如圖2(a)所示，主軸轉速范圍18000r/min，主軸功率26kW。

立銑刀磨損值測量設備：KeyenceVHX-950F超景深測量儀，如圖2(b)所示，用于檢測銑削立銑刀后刀面磨損值。

1.3試驗方法

試驗過程中以銑削長度為間隔進行立銑刀信息采集，前6m采集一次信息，6m之后每間隔8m采集一次信息，監測切削過程中立銑刀后刀面磨損情況。以刀具后刀面磨損值或缺口0.2mm作為刀具壽命判定標準。

1.4立銑刀壽命測量結果

根據上述切削參數進行TC4側銑試驗，前6m采集一次信息，6m之后每間隔8m采集一次信息，拍攝記錄立銑刀后刀面磨損值，每種涂層立銑刀重復測試二組。試驗得出：涂覆TiAlN涂層的立銑刀A的刀具壽命為涂覆TiB?涂層的立銑刀的刀具壽命分別為78、70m，試驗立銑刀使用壽命如圖3所示，后刀面磨損變化如圖4所示。

由圖3可知，立銑刀A平均加工壽命為86m，立銑刀B平均加工壽命為74m，立銑刀A平均加工壽命比立銑刀B高116%。在文章試驗條件下，相比TiB?涂層立銑刀涂層立銑刀在加工鈦合金時具有更高的壽命。

由圖4可知，立銑刀A和立銑刀B的磨損變化趨勢相近。切削長度46m前，立銑刀A和立銑刀B均處于穩定切削階段，B2磨損寬度較大，A1、A2和B1磨損寬度接近；切削長度46m后，立銑刀A和立銑刀B后刀面磨損加快，立銑刀A在切削80~85m后進入劇烈磨損階段并迅速達到壽命判定標準，立銑刀B在切削65~75m后進入劇烈磨損階段并迅速達到壽命判定標準。總體上，相比立銑刀B，立銑刀A磨損情況穩定，切削壽命更長。

2、試驗結果分析

使用超景深測量儀將立銑刀放大500倍，對四把立銑刀的前刀面和后刀面磨損形貌進行觀察，結果如圖5、6所示。

在電子顯微鏡下觀察前刀面和后刀面磨損情況，立銑刀A和立銑刀B磨損失效形式相同，均存在不同程度的涂層剝落和基體磨損。其中，立銑刀A的前刀面和后刀面出現了明顯的涂層剝落，露出硬質合金基體；立銑刀B的前刀面和后刀面也出現了明顯的涂層剝落，露出硬質合金基體，且刀具刃口處出現較為明顯的崩缺。通過對比分析立銑刀A和立銑刀B試驗過程記錄的刀具磨損圖片發現，立銑刀A和立銑刀B在切削長度46m前，兩者的磨損程度接近，在切削長度46m后，立銑刀B的磨損擴散速度明顯快于立銑刀A，并快速達到失效狀態。

綜合實驗結果分析可知使用TiB?涂層的立銑刀B在刀具達到一定磨損后，刀具切削阻力增加，切削溫度升高TiB?涂層保護作用降低使刀具快速達到失效狀態。蔣繁等研究發現，TiAlN涂層在900℃條件下會發生氧化失效[15]。Irving等研究發現，在750℃以上，TiB?氧化形成的B?O?開始強烈揮發其損失速度超過其生成速度導致表面的B?O?減少，涂層失去保護作用[16]。TiAlN涂層刀具的適用溫度高于TiB?涂層涂層刀具故使用涂層的立銑刀A在刀具達到一定磨損后，仍能對刀具形成一定保護作用，從而可以增加刀具切削壽命。

3、結論

文中以涂層和TiB?涂層為研究對象通過側銑對比實驗，研究了以上兩種涂層的硬質合金涂層刀具在加工TC4鈦合金時的刀具壽命和刀具磨損機理，得出以下結論。

(1)通過立銑刀對比試驗可知，TiAlN涂層刀具和TiB?涂層刀具加工鈦合金時具有相同的磨損形式，均為刃口磨損逐漸變為后刀面磨損和前刀面磨損，并且伴隨著涂層脫落。

(2)由對比試驗可知，在文章試驗條件下，相比TiB?涂層涂層能更好地保護刀具涂層刀具加工鈦合金的壽命約比TiB?涂層刀具高116%。

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