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《製造技術與工具機》雜誌創刊於1951年，是我國機械工業科技期刊中創刊早、發行量大、影響面廣的刊物之一，擁有廣泛、專業的讀者群體。本刊屬中文核心期刊，中國科技論文統計用刊和《中國學術期刊文摘》摘錄用期刊。
TiAlN塗層與無塗層刀具高速車削TC4鈦合金的性能研究
鈦合金比強度高、熱穩定性好、高溫強度高，在300～500 ℃的溫度下，其強度約比鋁合金高10倍，被廣泛應用於航空航天和化工船舶等領域。由於它導熱係數低、切削溫度高、刀具易磨損，使其成為一種典型的難加工材料。目前，鈦合金實際切削中主要採用硬質合金刀具，且塗層與無塗層刀具均被大量使用，國內外的學者對這兩種刀具在鈦合金切削過程中的磨損特性進行了研究。牟濤等研究了(Ti，Al)N—TiN複合塗層和無塗層硬質合金刀具在不同冷卻條件下銑削Ti-6Al-4V鈦合金時的磨損特性，發現無論是在乾式銑削還是冷卻液銑削下，塗層刀具的磨損均比無塗層刀具的磨損慢。李友生等採用無塗層硬質合金、TiAlN塗層硬質合金和CBN三種不同材料的刀具進行了高速車削Ti-6Al-4V鈦合金試驗，結果表明，切削速度為80m/min時，CBN刀具的壽命最長，TiAlN塗層硬質合金刀具次之，無塗層硬質合金刀具最差。哈爾濱理工大學的範依航選擇TiCN和Al2O3膜的疊層膜塗層、AlTiN合金和CrAlN合金交互層積塗層兩種塗層硬質合金刀具以及一種無塗層硬質合金刀具對比分析了車削Ti-6Al-4V鈦合金時的刀具磨損情況，發現無塗層硬質合金刀具的磨損量最小，AlTiN合金和CrAlN合金交互層積塗層硬質合金刀具次之，TiCN和Al2O3膜的疊層膜塗層硬質合金刀具最差。Che Haron等採用(TiC + Ti/CN +/TiN)塗層和無塗層硬質合金刀具進行端銑Ti-6242S鈦合金試驗，發現當切削速度為100m/min時，無塗層刀具的壽命要更長一些。
綜上可知，對於鈦合金切削過程中塗層是否有利於減小硬質合金刀具磨損和提高使用壽命並無定論。TiAlN塗層作為一種新型塗層材料，具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強、摩擦係數小、導熱率低等優良特性，是一種典型的隔熱塗層，目前廣泛應用於高合金鋼、不鏽鋼、鈦合金、鎳合金等難加工材料的切削加工，因此，本文選擇TiAlN塗層硬質合金與無塗層硬質合金刀具做乾式車削TC4鈦合金試驗，對比研究TiAlN塗層對刀具磨損特性及耐用度的影響，為高速切削鈦合金刀具的選擇及刀具材料的開發提供參考。
1 試驗設備與方案
1.1 試驗設備
(1)加工設備：車削試驗所選用的加工設備是由瀋陽第一工具機廠生產的CAK6150數控車床。
(2)測量裝置：試驗選用VHX-1000C型超景深三維顯微系統來觀察刀具的前刀面和後刀面磨損形態，並測量其後刀面的磨損量。
1.2 工件材料及刀具
(1)工件材料：試驗所選用的TC4鈦合金化學成分如表1所示。
(2)刀具型號及幾何參數：如圖1所示，試驗選用刀片型號為CNMG120408-QM，刀杆型號為MCLNR2525M12。安裝後的刀具幾何參數為：前角γo=6°，后角αo=7°，主偏角κr=95°，副偏角κr'=4°，副后角αo'=7°，刃傾角λs=-5.5°，刀尖圓弧半徑r=0.8mm。
2 試驗刀片材料及微觀結構
試驗選用山特維克可樂滿公司生產的牌號分別為GC1105與H13A的兩種車削刀片，由於其型號均為CNMG120408-QM，兩種刀片外形尺寸完全相同，僅材料不同。GC1105為TiAlN硬質合金塗層刀片，H13A為無塗層硬質合金刀片，兩種刀片的特性如表2所示。
由表2可知，這兩種刀片都為細晶粒硬質合金基體，GC1105刀片表面通過PVD方法覆蓋了一層TiAlN塗層。為了解該塗層的特點，製備了試樣，對其微觀結構進行觀察與分析。將刀片放到載玻片上，把牙託粉和自凝牙託水按照一定的比例調好倒入硬塑模具中做鑲嵌試樣，然後將試樣在金剛石砂輪上進行粗磨，採用金剛石研磨膏在PG-2C型拋光機上拋光，在拋光過程中要用4XBE型倒置金相顯微鏡觀察刀片的拋光面，待觀察到拋光面沒有刮痕時，完成試樣製備。
如圖2所示為通過試樣觀察到的GC1105刀片上TiAlN塗層在超景深顯微鏡下的形貌照片。圖中可明顯觀察到研磨拋光後刀片表面殘留塗層及刀片基體與牙託粉之間的塗層截面。
為仔細觀測塗層厚度，在掃描電鏡下對試樣進行了觀察。圖3為GC1105刀片鑲嵌試樣的SEM照片，刀片基體與牙託粉之間可明顯觀察到厚度大約為10μm的TiAlN塗層。
硬質合金刀片基體的晶粒尺寸對其使用性能有重要影響，為觀測兩種刀片基體的晶粒尺寸，分別製備金相試樣，將研磨拋光完全的試樣通過由10%K3Fe(CN)6+10%NaOH水溶液製備的腐蝕劑做腐蝕處理，在超景深顯微鏡下對其微觀組織進行了金相分析。如圖4所示分別為GC1105和 H13A基體的顯微組織金相照片，可以看到兩種刀片基體中主要成分為WC顆粒與Co，其中灰白色顆粒狀物體為WC顆粒，其周圍被腐蝕掉顯示為黑色的部分為Co。兩種刀片基體中WC顆粒的晶粒大小基本相當，除少數大尺寸顆粒外，大部分WC顆粒小於1μm，兩種刀片均為細晶硬質合金基體。
3 試驗結果與分析
試驗選擇在幹切削條件下進行兩種刀片磨損的對比分析。切削參數為：切削速度v=95m/min，切削深度ap=0.5mm，進給量f=0.2mm/r。
3.1 刀具磨損形態
圖5為幹切削條件下的刀具磨損形態。圖5a為GC1105塗層刀片的前、後刀面磨損形態，在刀具的前刀面上可以看到比較明顯的月牙窪磨損。由於鈦合金的變形係數小，切削過程中的切屑與刀具前刀面的接觸面積較小，使作用於刀具接觸面上的局部壓力與溫度升高，刀具前刀面在切屑劇烈的擠壓與摩擦作用下極易產生月牙窪磨損。在刀具的後刀面上可以明顯觀察到工件材料中硬質點在刀具上劃擦產生的犁溝，同時可見由於高溫引起的粘結磨損。由於鈦合金在切削過程中會產生較大的變形和回彈，使得刀具後刀面與工件的接觸面積和壓力很大，在高溫條件下工件材料易於與後刀面粘結，粘結物在劇烈的摩擦作用下發生脫落，造成刀具的粘結磨損。如圖5b為H13A刀片的前、後刀面磨損形態，其前刀面磨損同樣為月牙窪磨損，後刀面上主要為磨粒磨損，並伴有輕微粘結磨損，在切削路程大於GC1105塗層刀片的條件下，後刀面磨損程度較輕。
3.2 刀具耐用度對比
圖6為幹切削條件下的刀具磨損曲線，可以看出，在切削初始階段這兩種刀片的後刀面磨損量均不大，磨損量增大較平緩，在切削路程為1050m之前，H13A刀片的磨損量稍大於GC1105刀片，當切削路程大於1000m時GC1105刀片首先進入急劇磨損階段，在切削路程為1430m時其後刀面磨損量超過0.55mm。H13A刀片的正常磨損階段要稍長一些，在切削路程達到1 300m時刀具才進入急劇磨損階段，而當切削路程為1570m時，其磨損量還未達到0.55mm。
綜上所述，在切削速度為95m/min時乾式車削TC4鈦合金，無塗層的H13A刀片比TiAlN塗層的GC1105刀片耐用度好一些。
3.3 刀具耐用度差異分析
對比圖6兩種刀片的磨損曲線，在95m/min的速度下乾式車削TC4鈦合金，在切削初始階段GC1105刀片磨損稍小一些，隨著切削路程增加，刀具磨損增大，GC1105刀片磨損速率增大，其磨損程度超過了H13A刀片，其原因主要有以下幾個方面。
在切削初始階段，刀具比較鋒利，切削區產熱較少，切削溫度相對較低，GC1105刀片在切削區的塗層還比較完整，可以有效地保護刀具基體，延緩其磨損速度。因此，切削初始階段GC1105刀片磨損小於H13A刀片。
隨著切削過程的進行，刀具逐漸變鈍，切削區產熱大幅增加。在GC1105刀片的切削區上，一方面，由於TiAlN塗層的隔熱作用切削熱難以從刀具有效傳出，另一方面，鈦合金的導熱能力也很差，切削熱從工件也無法有效傳出，致使切削區的散熱受阻，溫度急劇升高。較高的切削溫度導致TiAlN塗層快速失效，並加劇了粘結磨損、磨粒磨損的發生。因此，切削後期GC1105刀片磨損速率增大，且磨損量超過H13A刀片。
4 結語
在切削速度為95 m/min時研究了幹切削條件下高速車削TC4鈦合金時TiAlN塗層和無塗層硬質合金刀具的使用性能，得到以下結論：
(1)採用較高的速度乾式車削TC4鈦合金，TiAlN塗層和無塗層硬質合金刀具的主要磨損形式均為高溫條件下刀具材料軟化引起的粘結磨損和磨粒磨損。
(2)磨損初期TiAlN塗層對刀具有一定保護作用，磨損增大後塗層反而加劇刀具的磨損。
(3)單純的TiAlN類隔熱塗層對提高幹式高速車削鈦合金刀具性能的作用並不明顯，隔熱塗層在導熱性能較差材料的高速切削中反而會加劇刀具的磨損。
作者：劉朋和等
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