发布日期：2025-11-2 19:21:31
1、引言
航空航天装备中的一些关键零部件在满足结构功能要求的同时还需要有较低的重量和较高的强度。钛合金因具有耐高温、低密度、高比强度等优良的综合性能，已成为航天飞机及运载火箭等关键零部件的首选材料[1]。但钛合金较好的材料性能也使其较难加工，切削性能差，在切削过程中局部热量堆积、切削振动大等因素导致刀具涂层性能下降、寿命快速降低，对加工零件的表面质量造成不利影响。以45钢的相对加工性Kv＝1为基准，钛合金的Kv只有0.12～0.38[2]。TC11钛合金具有低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、运载火箭以及医疗等领域，而低导热性、弹性模量小、易产生切削振动等不利因素使其成为典型的难加工材料。
国内外相关学者针对钛合金的切削加工开展了大量研究。ＪｏｓéＯ．等[3]对钛合金进行了涂层和未涂层硬质合金刀具的正交切削试验，研究了切削速度Ｖｃ、切削厚度ｈ、刀具倾前角γｎ等切削参数对切削力和残余应力的影响，结果表明：随着刀具前角和切削速度的增大，切削力减小；残余应力随刀具前角的增大而减小，而切削速度和切削厚度的影响可以忽略不计。ＬｏｍａｅｖａＴ.Ｖ．等[4]研究了切削钛合金过程中塑性变形与切削速度之间的关系，结果表明，当切削速度超过40m/min时增加进给量，可以有效避免钛合金的塑性形变。ＮａｂｈａｎｉＦ．[5]进行了钛合金车削实验，比较了涂层与非涂层刀具之间的加工区别，研究结果表明，在加工钛合金时，由于材料的塑性变形和高温，涂层材料会很快失效，因此在涂层刀具的使用过程中需要注意其耐磨性和耐高温性能。ＤａｎｉｙａｎＩ．等[6]采用计算机辅助建模和仿真方法对钛合金铣削加工过程中工艺条件变化进行了监测和控制，并通过钛合金铣削实验进行了验证，结果表明，两者之间有显著的一致性，通过有限元模拟可以确定切削过程中温度的变化。从政[7]针对车削TC11过程中的热—力耦合现象研究发现，切削参数对切削力的影响排序为切削深度＞进给量＞切削速度，在切削深度2ｍｍ、切削速度50m/min、进给量0.06～0.15ｍｍ／ｒ时可以获得较好的加工质量。李峰等[8]研究了TC11钛合金铣削加工过程中刀具磨损对加工表面质量的影响规律，并设计了刀具磨损实验，结果表明：TC11钛合金铣削加工过程中的刀具磨损可以分为初期磨损、正常磨损、剧烈磨损三个阶段，当刀具进入剧烈磨损阶段时，铣削表面粗糙度迅速增大，表面残余应力也有显著增加。ＹａｏＣ．等[9]研究了TC11钛合金在不同切削条件下的加工表面完整性以及残余应力、表面粗糙度和显微组织，结果表明：在不同的切削条件下，表面残余应力均为压应力；在进给方向上，残余应力随铣削速度的增大而减小；当铣削速度增大时，表面粗糙度明显增大。张中石[10]研究了不同冷却条件下铣削TC11钛合金的表面质量，并得到以下结论：在相同切削条件下，表面粗糙度从大到小依次为干式切削＞低温微量润滑＞低温液氮润滑；在相同冷却条件下，粗糙度值随着主轴转速的增大而减小，随着每齿进给量的增大先减小后增加。
以上研究主要针对TC11钛合金的材料特性、加工特性以及刀具的磨损特性，但还存在以下问题：①涂层失效发生在切削高温状态下，而目前研究未探究切削过程中产生的高温对刀具涂层性能的影响；②涂层刀具与加工工件的种类繁多，缺少两者匹配的依据以及如何选择切削参数，难以选择相匹配的切削参数与刀具。因此，本文开展了涂层刀具高温硬度与切削时温度的匹配以及切削参数与切削温度匹配的研究，为加工TC11钛合金提供一种基于切削温度的刀具涂层选择和切削参数的优选方案。
2、切削实验方案
2.1 工件材料和涂层刀具
工件材料为TC11钛合金。刀片涂层材料为AlCrN，TiAlSiN和TiAlN／TiSiN，三种涂层材料均为实际生产中常用的涂层材料，其中，AlCrN与TiAl⁃SiN的结构为单一涂层，TiAlN／TiSiN的结构为复合纳米涂层。三种涂层刀具的材料与结构均具有代表性，因此作为实验涂层刀具，分别记作刀片Ａ、刀片Ｂ和刀片Ｃ，对应的刀片型号见表1，刀具几何参数见表2和图1。
表 1 刀具主要参数
| 刀片代号 | 刀片型号 | 涂层 |
| 刀片 A | CNMG120408 | AlCrN |
| 刀片 B | - | TiAlSiN |
| 刀片 C | - | TiAlN/TiSiN |
| 注：原文中刀片 B、刀片 C 的刀片型号未完整标注，已按文档内容如实提取 |
表 2 刀具几何参数
| 前角γ0 | 后角α0 | 刃口半径ρ | 刀尖圆角半径 |
| -5° | 0° | 0.02mm | 0.5mm |
2.2 涂层刀具切削磨损实验
实验所用机床为Ｍａｚａｋ数控五轴加工中心，采用干式切削，详细切削参数见表3。
表 3 实验切削参数拟定
| 切削速度Vc(m/min) | 进给量f(mm/r) | 背吃刀量ap(mm) |
| 30,50,90,130,170,190 | 0.2 | 0.5 |
三款刀具的切削量固定为10000ｍｍ3，后刀面磨钝标准为ＶＢｍａｘ＝0.3ｍｍ。实验采用红外热像仪测量切削时的温度，实验结束后采用ＫｅｙｅｎｃｅＶＨＸ－5000超景深数码显微镜测量后刀面磨损量[11]（见图2和图3）。
TC11钛合金加工实验中，三种涂层刀具在不同切削速度下的切削温度见图4，对应的后刀面的磨损情况见图5～图7。
2.3 刀具涂层与工件材料的高温硬度
图8所示为不同涂层材料刀具以及TC11钛合金在400℃～800℃下的硬度—温度变化曲线。可以看出，在中低切削温度（550℃以下）时三种涂层的硬度变化均不明显。在中高切削温度（550℃以上）时涂层Ａ⁃AlCrN以及涂层Ｂ⁃TiAlSiN的硬度均急剧下降，但涂层Ｃ⁃TiAlN／TiSiN的硬度变化不明显甚至略有上升。这是因为在其特有的纳米复合结构中添加硅元素后，TiN的生长被吸附在表面的Ｓｉ3Ｎ4相中断，从而使TiN晶粒变得非常小，在如此小的晶粒内无法产生运动或增殖，使涂层产生超硬效应[12]。工件材料TC11的高温硬度随温度上升呈现缓慢下降趋势。
总体而言，涂层Ｃ的高温硬度性能最佳，涂层Ａ高温硬度性能次之，涂层Ｂ的高温硬度最差。TC11钛合金的高温硬度转折点在600℃，即温度在600℃以上时其硬度快速下降，体现了钛合金材料的耐温性，对切削加工造成了较大困难。
2.4 刀具涂层与工具材料的高温硬度匹配
采用高温高真空纳米压痕试验法检测涂层高温力学性能。所用设备为Ａｎｔｏｎ⁃ＰａａｒＴｒｉＴｅｃＨＴ－ＵＮＨＴ3，该设备的压痕可以达到纳米级别，最大程度降低了基体材料对涂层硬度的影响。
根据不同切削温度的测量结果以及后刀面的磨损情况得到不同切削温度下三种涂层刀具的后刀面磨损量（见图9）。可以看出，在中低切削温度（550℃以下）下，三种涂层刀具的磨损量均未超过磨钝标准，这与三种涂层刀具在这一温度区间的硬度变化不大有关。但在切削温度超过550℃后，涂层Ａ⁃AlCrN刀具磨损急速上升并很快超过磨钝标准，涂层Ｃ⁃TiAlN／TiSiN在中高切削温度（550℃以上）时的磨损最小，该结果与三种刀具涂层的的高温硬度特性相符。
综上所述，针对TC11钛合金的加工，当切削温度低于550℃时，三种涂层刀具都能满足刀具磨损标准；当切削温度高于550℃时，应优选高温硬度特性较好的涂层Ｃ⁃TiAlN／TiSiN刀具。
3、切削工艺参数选择
本文讨论的切削工艺参数主要指刀具的涂层种类和对切削效率影响较大的切削速度。图10为三种涂层刀具在不同切削速度下加工TC11钛合金时的后刀面磨损趋势。
由图可以看出，在加工TC11钛合金时，三种涂层刀具在低速切削时的磨损差异不大，在90m/min以下均保持较低的磨损。切削速度超过90m/min时，涂层Ａ⁃AlCrN和Ｂ⁃TiAlSiN刀具的磨损量急剧增加，这与刀具涂层的高温硬度特性有关，由于涂层的高温硬度急剧下降，导致中高速切削时出现划痕、沟痕等损伤，增大磨损。虽然涂层Ｂ⁃TiAlSiN的常温硬度低于涂层Ａ⁃AlCrN，但其高温硬度高于涂层Ａ⁃AlCrN，所以涂层Ｂ⁃TiAlSiN的切削性能优于涂层Ａ⁃AlCrN。而对于Ｃ⁃TiAlN／TiSiN涂层刀具，虽然中高速切削时切削温度高于其余两种涂层刀具，但该涂层的高温特性优异，同时在切削温度更高时工件材料的硬度下降也更多，所以其耐磨损程度要优于另外两种涂层刀具。综合对比可得，切削速度大于90m/min时，Ｃ⁃TiAlN／TiSiN涂层刀具有较高加工效率和较低的磨损量。
4、结论
综上所述，针对涂层刀具加工TC11钛合金的工艺参数选择问题，通过实验研究得到以下结论。
（1）不同的涂层刀具，其涂层的高温硬度特性有较大差异。在中低切削温度（低于550℃）下，三种刀具涂层的硬度变化不大，但在中高切削温度（高于550℃）下，涂层Ａ⁃AlCrN、涂层Ｂ⁃TiAlSiN的硬度急剧下降，而涂层Ｃ⁃TiAlN／TiSiN的硬度基本保持不变甚至略有提高，具有较好的高温硬度特性（红硬性）。TC11钛合金工件材料的高温硬度总体呈下降趋势，且在600℃后下降趋势加快，这也体现了TC11钛合金的难切削特性。
（2）在评价涂层的切削性能时，常温下的硬度指标具有很大的局限性，必须优先考虑涂层的高温硬度特性。针对TC11钛合金的加工，在中低切削温度（低于550℃）下，三种涂层刀具都具有较好的
切削性能，但在中高温切削时，应优选高温硬度特性优异的Ｃ⁃TiAlN／TiSiN涂层刀具，其次是Ｂ⁃TiAlSiN涂层刀具。
（3）就切削用量的选择而言，在加工高温合金时，涂层Ｃ⁃TiAlN／TiSiN刀具的切削速度不宜高于110m/min，若要提高切削效率，应在不增加切削速度的前提下适当增加进给量与切削深度，以实现钛合金的高效、优质加工。
参考文献
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第一作者：赵久一，硕士研究生，江苏大学机械工程学院，212013江苏省镇江市
ＦｉｒｓｔＡｕｔｈｏｒ：ＺｈａｏＪｉｕｙｉ，Ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ212013，Ｃｈｉ⁃ｎａ
通信作者：王树林，教授，江苏大学机械工程学院，212013江苏省镇江市
ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒ：ＷａｎｇＳｈｕｌｉｎ，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅ⁃ｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ212013，Ｃｈｉｎａ
（注，原文标题：TC11钛合金的加工切削用量和刀具优选）
tag标签:TC11钛合金,涂层刀具,高温硬度演变,切削温度分布,刀具磨损规律