不同涂層對(duì)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(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、造船、醫(yī)療、汽車(chē)等領(lǐng)域[1]。鈦合金是典型的難加工材料，加工時(shí)溫度高，刀具粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損嚴(yán)重[2]。鈦合金切削加工要求高，目前鈦合金切削應(yīng)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(xué)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(chē)削TC4鈦合金工件時(shí)，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(zhǎng)的壽命[6]。趙毅湘等研究表明，TiAlN涂層刀片高速車(chē)削鈦合金的耐磨損性能較TiAlSiN涂層刀片提高約20%[7]。此外，學(xué)者們?cè)赥iAlN涂層硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金切削速度[8-9]、切削過(guò)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(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性能，與鈦反應(yīng)傾向低且具有較好的力學(xué)性能[11]。目前已有相關(guān)研究驗(yàn)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(kuò)散[12]。Chowdhury等在研究Ti6Al4V航空航天合金加工過(guò)程中涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損行為時(shí)發(fā)現(xiàn)TiB?表面氧化產(chǎn)生的B?O?能起到潤(rùn)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(guò)程中的摩擦現(xiàn)象和刀具磨損機(jī)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(wú)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(duì)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(duì)象，通過(guò)側(cè)銑對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究不同涂層對(duì)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(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定參考依據(jù)。

1、切削試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)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(yàn)設(shè)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T(mén)iB?0涂層斷面圖片如圖1所示。

表 1 立銑刀基本參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)置工件材料為T(mén)C4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(yàn)?zāi)MTC4鈦合金實(shí)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(jìn)給為1070mm/min，切深12mm，切寬0.8mm。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

切削試驗(yàn)設(shè)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(cè)量設(shè)備：KeyenceVHX-950F超景深測(cè)量?jī)x，如圖2(b)所示，用于檢測(cè)銑削立銑刀后刀面磨損值。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中以銑削長(zhǎng)度為間隔進(jìn)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(cè)切削過(guò)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(biāo)準(zhǔn)。

1.4立銑刀壽命測(cè)量結(jié)果

根據(jù)上述切削參數(shù)進(jìn)行TC4側(cè)銑試驗(yàn)，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(fù)測(cè)試二組。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)條件下，相比TiB?涂層立銑刀涂層立銑刀在加工鈦合金時(shí)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(shì)相近。切削長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)入劇烈磨損階段并迅速達(dá)到壽命判定標(biāo)準(zhǔn)，立銑刀B在切削65~75m后進(jìn)入劇烈磨損階段并迅速達(dá)到壽命判定標(biāo)準(zhǔn)。總體上，相比立銑刀B，立銑刀A磨損情況穩(wěn)定，切削壽命更長(zhǎng)。

2、試驗(yàn)結(jié)果分析

使用超景深測(cè)量?jī)x將立銑刀放大500倍，對(duì)四把立銑刀的前刀面和后刀面磨損形貌進(jìn)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(guò)對(duì)比分析立銑刀A和立銑刀B試驗(yàn)過(guò)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(zhǎng)度46m前，兩者的磨損程度接近，在切削長(zhǎng)度46m后，立銑刀B的磨損擴(kuò)散速度明顯快于立銑刀A，并快速達(dá)到失效狀態(tài)。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知使用TiB?涂層的立銑刀B在刀具達(dá)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(hù)作用降低使刀具快速達(dá)到失效狀態(tài)。蔣繁等研究發(fā)現(xiàn)，TiAlN涂層在900℃條件下會(huì)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(kāi)始強(qiáng)烈揮發(fā)其損失速度超過(guò)其生成速度導(dǎo)致表面的B?O?減少，涂層失去保護(hù)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(dá)到一定磨損后，仍能對(duì)刀具形成一定保護(hù)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(duì)象通過(guò)側(cè)銑對(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(shí)的刀具壽命和刀具磨損機(jī)理，得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)立銑刀對(duì)比試驗(yàn)可知，TiAlN涂層刀具和TiB?涂層刀具加工鈦合金時(shí)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(duì)比試驗(yàn)可知，在文章試驗(yàn)條件下，相比TiB?涂層涂層能更好地保護(hù)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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