1、引言

航空航天裝備中的一些關鍵零部件在滿足結構功能要求的同時還需要有較低的重量和較高的強度。鈦合金因具有耐高溫、低密度、高比強度等優良的綜合性能，已成為航天飛機及運載火箭等關鍵零部件的首選材料[1]。但鈦合金較好的材料性能也使其較難加工，切削性能差，在切削過程中局部熱量堆積、切削振動大等因素導致刀具涂層性能下降、壽命快速降低，對加工零件的表面質量造成不利影響。以45鋼的相對加工性Kv＝1為基準，鈦合金的Kv只有0.12～0.38[2]。TC11鈦合金具有低密度、高強度、耐高溫、耐腐蝕等特點，被廣泛應用于航空航天、運載火箭以及醫療等領域，而低導熱性、彈性模量小、易產生切削振動等不利因素使其成為典型的難加工材料。

國內外相關學者針對鈦合金的切削加工開展了大量研究。ＪｏｓéＯ．等[3]對鈦合金進行了涂層和未涂層硬質合金刀具的正交切削試驗，研究了切削速度Ｖｃ、切削厚度ｈ、刀具傾前角γｎ等切削參數對切削力和殘余應力的影響，結果表明：隨著刀具前角和切削速度的增大，切削力減�。粴堄鄳�力隨刀具前角的增大而減小，而切削速度和切削厚度的影響可以忽略不計。ＬｏｍａｅｖａＴ.Ｖ．等[4]研究了切削鈦合金過程中塑性變形與切削速度之間的關系，結果表明，當切削速度超過40m/min時增加進給量，可以有效避免鈦合金的塑性形變。ＮａｂｈａｎｉＦ．[5]進行了鈦合金車削實驗，比較了涂層與非涂層刀具之間的加工區別，研究結果表明，在加工鈦合金時，由于材料的塑性變形和高溫，涂層材料會很快失效，因此在涂層刀具的使用過程中需要注意其耐磨性和耐高溫性能。ＤａｎｉｙａｎＩ．等[6]采用計算機輔助建模和仿真方法對鈦合金銑削加工過程中工藝條件變化進行了監測和控制，并通過鈦合金銑削實驗進行了驗證，結果表明，兩者之間有顯著的一致性，通過有限元模擬可以確定切削過程中溫度的變化。從政[7]針對車削TC11過程中的熱—力耦合現象研究發現，切削參數對切削力的影響排序為切削深度＞進給量＞切削速度，在切削深度2ｍｍ、切削速度50m/min、進給量0.06～0.15ｍｍ／ｒ時可以獲得較好的加工質量。李峰等[8]研究了TC11鈦合金銑削加工過程中刀具磨損對加工表面質量的影響規律，并設計了刀具磨損實驗，結果表明：TC11鈦合金銑削加工過程中的刀具磨損可以分為初期磨損、正常磨損、劇烈磨損三個階段，當刀具進入劇烈磨損階段時，銑削表面粗糙度迅速增大，表面殘余應力也有顯著增加。ＹａｏＣ．等[9]研究了TC11鈦合金在不同切削條件下的加工表面完整性以及殘余應力、表面粗糙度和顯微組織，結果表明：在不同的切削條件下，表面殘余應力均為壓應力；在進給方向上，殘余應力隨銑削速度的增大而減�。划斻娤魉俣仍龃髸r，表面粗糙度明顯增大。張中石[10]研究了不同冷卻條件下銑削TC11鈦合金的表面質量，并得到以下結論：在相同切削條件下，表面粗糙度從大到小依次為干式切削＞低溫微量潤滑＞低溫液氮潤滑；在相同冷卻條件下，粗糙度值隨著主軸轉速的增大而減小，隨著每齒進給量的增大先減小后增加。

以上研究主要針對TC11鈦合金的材料特性、加工特性以及刀具的磨損特性，但還存在以下問題：①涂層失效發生在切削高溫狀態下，而目前研究未探究切削過程中產生的高溫對刀具涂層性能的影響；②涂層刀具與加工工件的種類繁多，缺少兩者匹配的依據以及如何選擇切削參數，難以選擇相匹配的切削參數與刀具。因此，本文開展了涂層刀具高溫硬度與切削時溫度的匹配以及切削參數與切削溫度匹配的研究，為加工TC11鈦合金提供一種基于切削溫度的刀具涂層選擇和切削參數的優選方案。

2、切削實驗方案

2.1　工件材料和涂層刀具

工件材料為TC11鈦合金。刀片涂層材料為AlCrN，TiAlSiN和TiAlN／TiSiN，三種涂層材料均為實際生產中常用的涂層材料，其中，AlCrN與TiAl⁃SiN的結構為單一涂層，TiAlN／TiSiN的結構為復合納米涂層。三種涂層刀具的材料與結構均具有代表性，因此作為實驗涂層刀具，分別記作刀片Ａ、刀片Ｂ和刀片Ｃ，對應的刀片型號見表1，刀具幾何參數見表2和圖1。

表 1 刀具主要參數

刀片代號	刀片型號	涂層
刀片 A	CNMG120408	AlCrN
刀片 B	-	TiAlSiN
刀片 C	-	TiAlN/TiSiN
注：原文中刀片 B、刀片 C 的刀片型號未完整標注，已按文檔內容如實提取

表 2 刀具幾何參數

前角γ0	后角α0	刃口半徑ρ	刀尖圓角半徑
-5°	0°	0.02mm	0.5mm

2.2　涂層刀具切削磨損實驗

實驗所用機床為Ｍａｚａｋ數控五軸加工中心，采用干式切削，詳細切削參數見表3。

表 3 實驗切削參數擬定

切削速度Vc(m/min)	進給量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為10000ｍｍ3，后刀面磨鈍標準為ＶＢｍａｘ＝0.3ｍｍ。實驗采用紅外熱像儀測量切削時的溫度，實驗結束后采用ＫｅｙｅｎｃｅＶＨＸ－5000超景深數碼顯微鏡測量后刀面磨損量[11]（見圖2和圖3）。

TC11鈦合金加工實驗中，三種涂層刀具在不同切削速度下的切削溫度見圖4，對應的后刀面的磨損情況見圖5～圖7。

2.3　刀具涂層與工件材料的高溫硬度

圖8所示為不同涂層材料刀具以及TC11鈦合金在400℃～800℃下的硬度—溫度變化曲線�？梢钥闯�，在中低切削溫度（550℃以下）時三種涂層的硬度變化均不明顯。在中高切削溫度（550℃以上）時涂層Ａ⁃AlCrN以及涂層Ｂ⁃TiAlSiN的硬度均急劇下降，但涂層Ｃ⁃TiAlN／TiSiN的硬度變化不明顯甚至略有上升。這是因為在其特有的納米復合結構中添加硅元素后，TiN的生長被吸附在表面的Ｓｉ3Ｎ4相中斷，從而使TiN晶粒變得非常小，在如此小的晶粒內無法產生運動或增殖，使涂層產生超硬效應[12]。工件材料TC11的高溫硬度隨溫度上升呈現緩慢下降趨勢。

總體而言，涂層Ｃ的高溫硬度性能最佳，涂層Ａ高溫硬度性能次之，涂層Ｂ的高溫硬度最差。TC11鈦合金的高溫硬度轉折點在600℃，即溫度在600℃以上時其硬度快速下降，體現了鈦合金材料的耐溫性，對切削加工造成了較大困難。

2.4　刀具涂層與工具材料的高溫硬度匹配

采用高溫高真空納米壓痕試驗法檢測涂層高溫力學性能。所用設備為Ａｎｔｏｎ⁃ＰａａｒＴｒｉＴｅｃＨＴ－ＵＮＨＴ3，該設備的壓痕可以達到納米級別，最大程度降低了基體材料對涂層硬度的影響。

根據不同切削溫度的測量結果以及后刀面的磨損情況得到不同切削溫度下三種涂層刀具的后刀面磨損量（見圖9）�？梢钥闯觯�在中低切削溫度（550℃以下）下，三種涂層刀具的磨損量均未超過磨鈍標準，這與三種涂層刀具在這一溫度區間的硬度變化不大有關。但在切削溫度超過550℃后，涂層Ａ⁃AlCrN刀具磨損急速上升并很快超過磨鈍標準，涂層Ｃ⁃TiAlN／TiSiN在中高切削溫度（550℃以上）時的磨損最小，該結果與三種刀具涂層的的高溫硬度特性相符。

綜上所述，針對TC11鈦合金的加工，當切削溫度低于550℃時，三種涂層刀具都能滿足刀具磨損標準；當切削溫度高于550℃時，應優選高溫硬度特性較好的涂層Ｃ⁃TiAlN／TiSiN刀具。

3、切削工藝參數選擇

本文討論的切削工藝參數主要指刀具的涂層種類和對切削效率影響較大的切削速度。圖10為三種涂層刀具在不同切削速度下加工TC11鈦合金時的后刀面磨損趨勢。

由圖可以看出，在加工TC11鈦合金時，三種涂層刀具在低速切削時的磨損差異不大，在90m/min以下均保持較低的磨損。切削速度超過90m/min時，涂層Ａ⁃AlCrN和Ｂ⁃TiAlSiN刀具的磨損量急劇增加，這與刀具涂層的高溫硬度特性有關，由于涂層的高溫硬度急劇下降，導致中高速切削時出現劃痕、溝痕等損傷，增大磨損。雖然涂層Ｂ⁃TiAlSiN的常溫硬度低于涂層Ａ⁃AlCrN，但其高溫硬度高于涂層Ａ⁃AlCrN，所以涂層Ｂ⁃TiAlSiN的切削性能優于涂層Ａ⁃AlCrN。而對于Ｃ⁃TiAlN／TiSiN涂層刀具，雖然中高速切削時切削溫度高于其余兩種涂層刀具，但該涂層的高溫特性優異，同時在切削溫度更高時工件材料的硬度下降也更多，所以其耐磨損程度要優于另外兩種涂層刀具。綜合對比可得，切削速度大于90m/min時，Ｃ⁃TiAlN／TiSiN涂層刀具有較高加工效率和較低的磨損量。

4、結論

綜上所述，針對涂層刀具加工TC11鈦合金的工藝參數選擇問題，通過實驗研究得到以下結論。

（1）不同的涂層刀具，其涂層的高溫硬度特性有較大差異。在中低切削溫度（低于550℃）下，三種刀具涂層的硬度變化不大，但在中高切削溫度（高于550℃）下，涂層Ａ⁃AlCrN、涂層Ｂ⁃TiAlSiN的硬度急劇下降，而涂層Ｃ⁃TiAlN／TiSiN的硬度基本保持不變甚至略有提高，具有較好的高溫硬度特性（紅硬性）。TC11鈦合金工件材料的高溫硬度總體呈下降趨勢，且在600℃后下降趨勢加快，這也體現了TC11鈦合金的難切削特性。

（2）在評價涂層的切削性能時，常溫下的硬度指標具有很大的局限性，必須優先考慮涂層的高溫硬度特性。針對TC11鈦合金的加工，在中低切削溫度（低于550℃）下，三種涂層刀具都具有較好的

切削性能，但在中高溫切削時，應優選高溫硬度特性優異的Ｃ⁃TiAlN／TiSiN涂層刀具，其次是Ｂ⁃TiAlSiN涂層刀具。

（3）就切削用量的選擇而言，在加工高溫合金時，涂層Ｃ⁃TiAlN／TiSiN刀具的切削速度不宜高于110m/min，若要提高切削效率，應在不增加切削速度的前提下適當增加進給量與切削深度，以實現鈦合金的高效、優質加工。

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第一作者：趙久一，碩士研究生，江蘇大學機械工程學院，212013江蘇省鎮江市

ＦｉｒｓｔＡｕｔｈｏｒ：ＺｈａｏＪｉｕｙｉ，Ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ212013，Ｃｈｉ⁃ｎａ

通信作者：王樹林，教授，江蘇大學機械工程學院，212013江蘇省鎮江市

ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒ：ＷａｎｇＳｈｕｌｉｎ，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅ⁃ｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ212013，Ｃｈｉｎａ

（注，原文標題：TC11鈦合金的加工切削用量和刀具優選）

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tag標簽:TC11鈦合金,涂層刀具,高溫硬度演變,切削溫度分布,刀具磨損規律

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