高速铣削钛合金涂层刀具优选

翟万振++鲍明志

摘 要：Ti6Al4V自身的切削加工特性致使刀具材料的选择对加工有着很大影响。刀具涂层技术的发展与进步对提高刀具的切削性能和实现不同材料的高速切削起到了关键的作用。在材料的切削加工过程中，每个工件材料都会对应一种或几种特别适合其加工的高效刀具材料。本文主要分析适合钛合金切削的刀具涂层材料并对适合其加工的涂层刀具进行优选。

关键词：刀具；涂层；钛合金；切削

1.刀具涂层制备工艺方法及涂层材料优选原则

1.1刀具涂层的工艺方法

涂层制备工艺的方法主要有物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD），其它方法还有如溶胶-凝胶法、等离子化学气相沉淀法（PCVD）、电镀、溶盐电解等，但都还存在较大的应用局限性。对于金属切削刀具其表面涂层的制备通常选用PVD和CVD法。

1.2刀具涂层的优选原则

（1）刀具涂层材料的物理力学性能比较

钛合金高速切削过程中由于切削温度高，加工刀具材料必须具备高的硬度、耐磨性、高的导热系数、低的摩擦系数和低的化学活性。PCD涂层硬度大，抗磨损能力强，耐热温度可达1000℃，并且摩擦系数很小0.02-0.15之间，此外TiAlN、AlTiN和AlCrN等涂层也具有较好的物理力学性能，耐热温度达到800℃以上。

（2）刀具涂层材料的化学性能比较

Ti6Al4V加工刀具磨损主要有粘结磨损和元素的氧化扩散磨损，因此刀具材料必须选取抗粘结性高和化学活性低的涂层材料。表中可以看出PCD的抗粘结、抗氧化和元素扩散强度都比较好。

2.常用硬质合金涂层刀具性能

针对Ti6Al4V加工特性，刀具涂层技术可有效的解决刀具材料的力学、物理和化学性能之间的矛盾，对刀具寿命的延长起到重要作用。

（1）高的硬度及耐磨性

一般而言，硬质合金涂层刀具有比硬质合金更高的硬度和抗磨损能力，如TiN、TiC、TiCN、TiAlN、AlTiN和金刚石等硬质合金涂层刀具有的可达到HV3000～4000，甚至高达HV9000。

（2）较高的耐热性

涂层材料的耐热温度有一定的差异，硬质合金涂层刀具的耐热性可达1000～1200℃，TiN和TiAlN在1200℃以上仍可保持1000HV的硬度。PCD涂层在1100℃可保持2800HV的硬度。PCD的导热性也特别好，可以将刀尖附近的热量散发出去减小热量传递给刀具基体内部，对刀具基体起到了屏障保护作用。因此，TiAlN涂层和PCD涂层硬质合金涂层刀具可在钛合金中应用。

（3）高的化学温定性

在钛合金切削过程中，由于高温高压的作用刀具前刀面与切屑底面、刀具后刀面与已加工表面元素相互扩散严重，刀具磨损加大，削弱了刀具材料的切削性能。而对刀具涂层材料的正确选择可有效减少刀具表面与工件材料间的元素扩散。

不同涂层材料在高温下与工件材料的作用不同，TiAlN高温下有很好的阻碍扩散作用，在高温作用下会生产致密的Al2O3保护膜，其抗月牙洼磨损能力高于TiC、Al2O3，在高速范围内其耐磨性较TiC、TiN都好，而PCD涂层在高温下也具有优良的保持性，与钛合金反应小。

（4）抗粘结性

Ti6Al4V切削时对刀具的抗粘结性尤为重要，良好的抗粘结性可大幅度降低与工件材料的化学反应，减少积屑瘤的产生。TiAlN和PCD涂层材料与Ti6Al4V化学反应小，在切削高温变形区粘结磨损低，可有效提高刀具寿命。

（5）低摩擦系数

低摩擦系数有助于使切屑迅速滑离前刀面减少切削热的产生，可有效延长刀具寿命。TiAlN和PCD涂层材料都具有低的摩擦系数，而PCD涂层刀具在这方面表现更好，低的摩擦系数使切屑可以快速沿前刀面流出。

（6）良好的工艺性和经济性

相比单独的PCD刀具硬质合金涂层刀具更加经济。

3.涂层刀具高速铣削钛合金的仿真分析

3.1不同涂层材料对切削温度的影响

由上述涂层材料的物理力学和化学性能及对硬质合金在钛合金切削中的特点的比较综合选出TiN、TiAlN、TiCN与PCD四种涂层材料刀具作为研究对象。高速铣削Ti6Al4V有限元仿真涂层材料对切削温度的影响如图3.1所示，切削参数选择vc=120m/min，fz=0.08mm/z，αp=1mm，αe=5mm。仿真结果表明，TiAlN与PCD涂层刀具的切削温度相对比较低，这是对涂层材料在导热系数和摩擦系数有较大的差异造成的。

3.2涂层厚度对刀具切削温度的影响

选取TiAlN涂层刀具作为研究对象，研究涂层厚度对高速铣削Ti6Al4V切削温度的影响，切削条件如表3-1所示：

硬质合金TiAlN涂层刀具高速铣削Ti6Al4V在不同涂层厚度下刀屑接触区最高切削温度曲线如图3.2所示。从图中可以看出，在Ti6Al4V铣削过程中随着涂层厚度的增加，刀具的切削温度有上升的趋势，主要是因为涂层厚度的增加会加剧涂层的磨损和剥落，因此在加工钛合金Ti6Al4V时选用适当的涂层厚度，本文所选用的涂层在5～8μm之间。

目前，涂层刀具在高温合金的切削中展现出很好的切削性能。综上所述，TiAlN和PCD硬质合金涂层刀具作为新型涂层材料，在热硬性，抗磨损性，抗粘结性和摩擦等方面都有优良的特性。TiAlN和PCD涂層机械物理性能优于TiC、TiN、TiCN等涂层是一种可较好满足上述要求。这种抗氧化、抗粘结性能正是钛合金切削刀具涂层必须具备的性能。TiAlN和PCD涂层刀具理论上适合钛合金等高温材料的切削加工，但还需要进一步进行实验分析。

结论

钛合金切削刀具应具有优异的耐高温性，良好的抗粘结性，低的摩擦性和经济性。基于涂层工艺制备方法、材料性能特点、刀具切削性能及在钛合金切削中的应用等方面。通过比较刀具材料的物理力学和化学性能及有限元仿真分析。优选出TiAlN涂层和PCD涂层硬质合金刀具作为高速铣削Ti6Al4V的切削刀具，涂层厚度在5～8μm之间，可承受钛合金铣削加工中较大的力热冲击。

参考文献

[1] 张春江. 钛合金切削加工技术[M].西安：西北工业大学出版社，1986.