基于涂层刀具的Ti-6Al-4V钛合金表面铣削切削性能对比实验研究

《Coatings》：An Experimental Study on Comparative Performance Analysis of Surface Milling of Ti-6Al-4V Titanium Alloy Using Coated Cutting Tools

　　

本研究对比评估了涂层切削刀具在加工Ti6Al4V钛合金时的切削性能，该合金在航空航天与国防工业以及生物医学领域应用广泛。表面铣削实验分别在干式和湿式条件下进行，所用刀具包括Al-Ti-N（铝钛氮化物）、Al-Ti-N/Ti-Si-N（铝钛氮/钛硅氮多层）、Al-Cr-N（铝铬氮化物）、Al-Ti-Si-N（铝钛硅氮化物）涂层刀具以及无涂层钨硬质合金刀具。实验数据依据刀具磨损、表面粗糙度（Ra, 算术平均表面粗糙度）和切屑形成特征进行分析。结果表明，涂层类型与切削参数对刀具寿命和表面质量具有显著影响。本研究旨在为上述工业应用中的刀具选型提供实验依据与参考。

**研究背景与问题陈述**

Ti-6Al-4V（又称Ti-64或Grade 5级）是一种α+β型钛合金，因其低密度、高比强度、优异的耐蚀性及在高温下保持力学性能的能力，在航空航天结构件、机身构件、国防装备和生物医学植入体等领域得到广泛应用。然而，Ti-64合金的低热导率、低弹性模量、高化学活性及脆性使其成为典型的难加工材料。切削过程中产生的热量难以有效扩散，导致刀具-切屑界面和刀具-工件界面处热量剧烈积聚；局部温度升高，叠加较大的切削力以及钛与刀具材料之间强烈的化学交互作用，加速了刀具磨损并严重恶化已加工表面质量。在高切削速度下，高温环境还可能引发复杂的磨损机制乃至刀具塑性变形。在钛合金切削中，粘着磨损、扩散磨损、微崩刃、刻槽磨损及后刀面磨损等多种失效机制可同时出现，且刀具磨损与表面粗糙度、切屑形态之间耦合效应显著，因此需要三者的联合评估才能全面理解Ti-64的切削性能。

涂层技术被认为是改善钛合金切削性能的有效途径。涂层在刀具与工件之间形成热障与化学屏障，限制氧化和元素扩散，同时提高刀具的抗磨损和抗粘着能力。在过渡金属氮化物物理气相沉积（PVD, Physical Vapor Deposition）涂层体系中，Al-Ti-N涂层以高硬度、抗氧化性和优异的摩擦学性能著称，Si的引入可细化晶粒结构、进一步提升硬度与高温稳定性，而多层结构体系则有望综合硬度、韧性与耐热性优势。此外，干式切削因取消切削液而具有成本和环境效益，但Ti-64极低的热导率使干切削刀具磨损风险增大。

现有研究多聚焦于单一涂层类型或特定冷却方式，对多种涂层体系在不同切削参数与加工环境条件下的综合对比仍然有限，刀具磨损、表面质量与切屑形态之间的关联分析也有待深化。

**主要研究方法与技术路线**

研究人员在Quaser MV184C数控立式加工中心上对符合SAE AMS4911R标准的商业Ti-64合金块体试样进行表面铣削实验，共设计20种加工方案。所用刀具为商品化涂层及无涂层硬质合金刀具，切削速度为50、150、200和250 m/min，进给率为0.05、0.10和0.15 mm/rev，切削深度恒定为0.2 mm，湿式切削使用5% Cleancut 200微乳化切削液。表面粗糙度（Ra）以Surftest SJ-210粗糙度仪在五测点取均值，刀具特征磨损长度（CTW, Characteristic Tool Wear）以100 μm读数精度的放大镜测微尺测定，切屑按形态特征分为四类。涂层成分与性能参数依据制造商技术规格，未经本研究独立表征。

**研究结果**

3.1 表面粗糙度与刀具磨损测量结果：实验证实涂层有助于稳定切屑形成从而改善表面质量，但切削参数选择对表面完整性同样关键。Al-Ti-N刀具在150 m/min湿式条件下以Ra=0.192 μm和CTW=0.90 mm实现表面质量与刀具磨损的最佳平衡；无涂层刀具在200 m/min干式条件下获得全局最低Ra=0.104 μm；Al-Ti-N/Ti-Si-N多层涂层刀具在250 m/min下获得最低CTW=0.70 mm，但Ra值相对较高（0.267 μm），表明表面质量与刀具寿命之间存在此消彼长的权衡关系。

3.2 切屑类型评价：切屑被分为A型短螺旋状（200 m/min干式，Ra范围0.104–0.141 μm）、B型短宽直条状（50 m/min干式，Ra范围0.087–0.157 μm）、C型混合形态（150 m/min湿式，Ra范围0.169–0.237 μm）和D型短窄直条状（250 m/min湿式）。受控短切屑有利于刀具寿命和操作安全，但切屑形态本身不能决定涂层相对性能，需与Ra和CTW联合评估。

3.3 最佳切削条件与刀具状态评价：干式200 m/min下五种刀具Ra均较低（0.104–0.141 μm）但CTW波动较大（1.20–2.60 mm）；湿式250 m/min下CTW范围0.70–2.20 mm而Ra较高（0.152–0.274 μm）。Al-Cr-N刀具在150 m/min湿式条件下Ra=0.169 μm、CTW=1.20 mm，也属于较平衡的方案。目视检查显示湿式条件下切削刃几何总体完好但存在局部材料堆积；干式条件下部分实验出现更明显的表面损伤和切削刃微崩现象，这与Ti-64低热导率及与刀具材料的高化学活性相关。由于实验未采用完全析因设计，各参数的独立效应无法分离，结果以组合条件为单元进行横向比较。

**讨论与结论**

研究结论明确指出：Ti-64表面铣削中，没有任何单一刀具或一组切削参数能同时在表面质量、刀具磨损和生产率方面取得最优。涂层类型与切削参数的交互作用导致不同刀具体系在不同加工条件下呈现差异化响应，因此刀具与切削参数的选择应依据实际生产优先级。表面质量优先时，无涂层硬质合金刀具（干式200 m/min）即可满足需求；刀具寿命和高切削速度优先时，Al-Ti-N/Ti-Si-N多层涂层和Al-Ti-N涂层刀具更具优势；兼顾表面质量与刀具磨损时，Al-Ti-N涂层刀具在湿式150 m/min条件下的综合表现最为均衡。本研究为Ti-64零部件加工中刀具选型与工艺参数优化提供了实验性参考依据。