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(yōu)良特性，被廣泛應用于石油、化工、造船、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域[1]。鈦合金是典型的難加工材料，加工時溫度高，刀具粘結(jié)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(zhì)合金涂層刀具[3]。

TiAlN涂層具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)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(zhì)合金刀具相比，TiAlN涂層硬質(zhì)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(zhì)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(lǐng)域也取得了一定的成果。

TiB?涂層具有高的硬度化學穩(wěn)定性和抗粘結(jié)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(guān)研究驗證了TiB?涂層切削鈦合金的可行性等研究發(fā)現(xiàn)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(zhì)合金刀具的磨損行為時發(fā)現(xiàn)TiB?表面氧化產(chǎn)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(xiàn)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(cè)銑工況下兩種涂層硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金性能優(yōu)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(zhì)合金為刀具基體，以TiAIN涂層和TiB?涂層為研究對象，通過側(cè)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(jié)果可為鈦合金加工刀具設計與優(yōu)化提供一定參考依據(jù)。

1、切削試驗

1.1試驗方案

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

試驗設置相同基體，基體為鈷含量為10%、晶粒度的硬質(zhì)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(shù)

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(tài)，主要切削參數(shù)為：銑削方式為順銑，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jiān)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(jié)果

根據(jù)上述切削參數(shù)進行TC4側(cè)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(wěn)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?？傮w上，相比立銑刀B，立銑刀A磨損情況穩(wěn)定，切削壽命更長。

2、試驗結(jié)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(jié)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(xiàn)了明顯的涂層剝落，露出硬質(zhì)合金基體；立銑刀B的前刀面和后刀面也出現(xiàn)了明顯的涂層剝落，露出硬質(zhì)合金基體，且刀具刃口處出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(tài)。

綜合實驗結(jié)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(tài)。蔣繁等研究發(fā)現(xiàn)，TiAlN涂層在900℃條件下會發(fā)生氧化失效[15]。Irving等研究發(fā)現(xiàn)，在750℃以上，TiB?氧化形成的B?O?開始強烈揮發(fā)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(jié)論

文中以涂層和TiB?涂層為研究對象通過側(cè)銑對比實驗，研究了以上兩種涂層的硬質(zhì)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(jié)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?yōu)楹蟮睹婺p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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