硬质合金涂层刀具车削Ti6Al4V 磨损实验研究

闫军宇，杜茂华，程正，栾建举

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学）

0 引言

Ti6Al4V 作为一种典型的难加工材料，在切削加工过程中，刀具的前刀面与切屑及后刀面与工件加工表面均会因运动接触而产生摩擦热，而且通过切屑和工件传出去的切削热相对较少，绝大部分的切削热留在了刀具中，导致刀具在高温、高压和摩擦的环境下极易出现磨损，降低了刀具的使用寿命和加工的效率，增加了生产成本，也对被加工零件的表面质量产生了很大影响，选择合理的刀具材料和切削参数以及刀具材料与工件材料的匹配非常重要。硬质合金刀具是目前最主要的刀具材料之一，涂层硬质合金刀具是在韧性好的硬质合金刀片基础上涂上高硬度及耐磨性好的金属或非金属化合物。涂层技术的应用不仅丰富了切削刀具的“种类”，而且相比于未涂层的硬质合金刀具，涂层硬质合金刀具有高韧性、高强度、高硬度及较好的耐磨性[1]。选择合适的刀具涂层材料、涂层结构和涂层方法可以很大程度地提高刀具的切削性能，而选择不合适的刀具涂层有可能会加剧刀具的失效，所以研究涂层硬质合金刀具的磨损具有重要意义。

为了提高刀具的切削性能、降低生产的成本，许多学者对刀具的磨损做了大量的研究。Jawaid[2]等对WC-Co 硬质合金刀具切削Ti6246 的刀具磨损特性研究显示，晶粒越细和倒圆越小的硬质合金刀具的寿命越长；Nouari 和Ginting[3]研究了未涂层硬质合金刀具和多涂层CVD 刀具干切削钛合金Ti6242S 的性能，结果表明，两种刀具的主要磨损形式是后刀面磨损，在VB=0.3 mm 附近时，观察到了微剥落及涂层分层等现象；姜振喜[4]等使用AlCrN 涂层整体硬质合金立铣刀对Ti6Al4V进行了铣削试验，研究了刀具磨损对于切削力及振动的影响；王福增[5]等进行了钛合金铣削试验，结果显示，低速时主要是后刀面粘结磨损，在高速下，前刀面有涂层剥落、微裂纹扩展以及崩刃等现象；Shi Q[6]等使用3 种不同硬质合金刀具铣削两种钛合金试验，研究了刀具材料、刀具磨损及铣削参数对切削力和切削温度的影响，并且研究了刀具寿命受刀具材料的影响。

本文使用两种尺寸结构完全相同的刀具在相同的切削参数条件下切削Ti6Al4V，研究两种涂层（CVD 涂层NL300 和PVD 涂层SP4019）刀具的磨损，可以为硬质合金涂层刀具的研究以及实际生产中涂层刀具、切削参数的选择提供参考。

1 实验

1.1 机床和工件材料

如图1 所示，实验使用的机床是云南机床厂生产的CY6140 普通卧式车床，其主轴最高转速是1 480 r/min，工件材料是Ti6Al4V 棒料。

图1 CY6140 车床Fig.1 CY6140 turning machine

1.2 刀具

实验中所用的刀柄和刀片如图2 所示。刀柄是SCLCR2020K12；刀片是Stellram 生产的C 型硬质合金涂层刀片，具体型号是CCMT120408E-73，涂层材料分别是SP4019（单层TiAlN）和NL300（三层TiN+Al2O3+TiCN）。刀片主要几何参数如图3 所示。

图2 刀柄和刀片Fig.2 Handle and blade

图3 刀片的主要几何参数Fig.3 Main geometric parameters of the blade

1.3 工业显微镜

如图4 所示，实验中使用一台工业显微镜观察、测量并记录两种硬质合金涂层刀具在切削加工过程中前、后刀面的磨损形貌和磨损量的值，其最高可以放大150 倍左右。在使用工业显微镜观察、测量前，需要先标定测量面，标定后通过找点划线就可以观察测量刀片磨损量的值，其值可以精确到0.1 mm。在实验过程中，当达到一定切削长度就卸下刀片，观察、测量并记录刀具前、后刀面的磨损形貌和磨损量的值，直至实验刀具达到了磨钝标准。

图4 工业显微镜Fig.4 Industrial microscope

1.4 实验方案

吴远晨[7]等的研究表明了切削三因素中，对刀具磨损影响最大的是切削速度。当切削Ti6Al4V 难以加工材料时，在低速、小进给的条件下，与加工材料匹配的刀具可以长时间保持良好的切削性能，而在高速的条件下，刀具非常容易发生磨损。本实验是将对刀具磨损影响最主要的因素作为变量，固定切削深度和进给量两个次要因素，具体实验方案如表1 所示。

表1 Ti6Al4V 切削实验参数Tab.1 Ti6Al4V cutting experiment parameters

2 实验结果与分析

对实验刀具的磨损进行形貌分析。固定切削深度和进给量，在一定切削速度和切削长度下，两种涂层刀具的前、后刀面的磨损形貌变化过程如图5—图10 所示。

图5 vc=50 m/min 时，SP4019 涂层刀具的前、后刀面磨损形貌Fig.5 Wear morphology of front and back tool surfaces of SP4019 coated tools when vc=50 m/min

图6 vc=50 m/min 时，NL300 涂层刀具的前、后刀面磨损形貌Fig.6 Wear morphology of front and back tool surfaces of NL300 coated tools when vc=50 m/min

图7 vc=80 m/min 时，NL300 涂层刀具的前、后刀面磨损形貌Fig.7 Wear morphology of front and back tool surfaces of SP4019 coated tools when vc=80 m/min

图8 vc=80 m/min 时，NL300 涂层刀具的前、后刀面磨损形貌Fig.8 Wear morphology of front and back tool surfaces of NL300 coated tools when vc=80 m/min

图9 vc=100 m/min 时，SP4019 涂层刀具的前、后刀面磨损形貌Fig.9 Wear morphology of front and back tool surfaces of SP4019 coated tools when vc=100 m/min

图10 vc=100 m/min 时，NL300 涂层刀具的前、后刀面磨损形貌Fig.8 Wear morphology of front and back tool surfaces of NL300 coated tools when vc=100 m/min

由图5 与图6 分析可知，SP4019 涂层刀具较NL300 涂层刀具的前、后刀面而言，前者磨损不明显，后者的前、后刀面有明显的磨损痕迹。由图7 与图8 分析可知，SP4019 涂层刀具较NL300 涂层刀具的前、后刀面而言，前者在L=2 200 m 时有明显的前刀面月牙洼磨损及后刀面磨损，后者在L=600 m 时就有了较大的后刀面磨损。由图9 与图10 分析可知，两种刀具在短时间内都出现了较为严重的磨损现象。

图11（a）、图11（b）和图11（c）分别是切削速度vc=50，80，100 m/min 下，SP4019 涂层刀具与NL300 涂层刀具后刀面磨损量VB 的值随着切削长度变化的情况。

图11 刀具涂层对刀具磨损的影响Fig.11 Effect of tool coating on tool wear

通过分析可知，SP4019 涂层刀具与NL300涂层刀具在相同的条件下切削Ti6Al4V，SP4019涂层刀具较NL300 涂层刀具磨损均更小；切削速度vc对于两种涂层刀具的影响都非常明显。

3 结论

在相同的切削条件下切削Ti6Al4V，SP4019涂层刀具较NL300 涂层刀具磨损均更小，因此，SP4019 涂层刀具比NL300 涂层刀具更优；切削速度vc对于两种涂层刀具的影响都非常明显，SP4019 涂层刀具在低速下切削Ti6Al4V 有较好的切削性能；NL300 涂层刀具在切削Ti6Al4V 时的切削性能差。