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新型TiAlN 涂層銑刀的高速切削性能

 

    表面涂層技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)刀具性能的改善和切削加工技術(shù)的進(jìn)步起到了十分關(guān)鍵的作用，涂層刀具已成為現(xiàn)代刀具的重

要標(biāo)志。常用的刀具涂層材料主要有TiC、TiN、Al2O3、TiCN、TiAlN、CBN等。TiAlN作為一種新型涂層材料，具有硬度

高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強(qiáng)、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性，尤其用于高速切削時(shí)性能優(yōu)異。在日本和我國(guó)臺(tái)

灣地區(qū)，TiAlN涂層刀具的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。本文介紹的新型TiAlN涂層銑刀采用超細(xì)顆粒(直徑約1μm)碳化鎢—鈷硬質(zhì)合金基

體，表面采用特殊的低溫物理氣相沉積(PVD)法涂覆高硬度的TiAlN單層涂層(厚度約6μm)。TiAlN涂層表面生成高強(qiáng)度的氧化

物(剛玉)，涂層中的Ti含量控制在37%左右，Al含量控制在10%～13%之間，以保證刃口的鋒利性。新型TiAlN涂層與TiN涂層

的主要性能比較

新型TiAlN涂層與TiN涂層主要性能比較

　　涂層性能-TiAlN涂層-TiN涂層

　　維氏硬度Hv(kgf/m2)-2720-1930

　　氧化溫度(℃)-840-620

　　劃痕測(cè)試臨界負(fù)荷粘附力(N)-80.3-60.3

　　結(jié)構(gòu)特征-細(xì)柱狀面心立方結(jié)構(gòu)-面心立方結(jié)構(gòu)

　　摩擦性能-與鋼摩擦系數(shù)0.30-與鋼摩擦系數(shù)0.41

　　2.高速銑削技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

　　近年來(lái)，高速切削技術(shù)發(fā)展迅猛，如銑削機(jī)床轉(zhuǎn)速已高達(dá)30000～50000r/min。高速銑削在模具制造等精密、超精密加

工中具有良好的應(yīng)用前景。由于有些模具的過(guò)渡棱邊尖銳薄弱，轉(zhuǎn)角處易發(fā)生塌角現(xiàn)象，采用普通銑削難以保證模具廓形交界

處的加工精度，而采用高速銑削可切削出形狀銳利的輪廓尖角，可實(shí)現(xiàn)精密模具的高精度、高效率加工。

　　近年來(lái)，國(guó)外模具制造商開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)模具高速加工先進(jìn)技術(shù)，如：①形狀預(yù)識(shí)別控制技術(shù)：該技術(shù)可在高速加工模具自由

曲面時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度加工控制功能，以避免尖角部位因切削沖擊、機(jī)械滯后等引起路徑誤差。②SF技術(shù)：用球形銑刀加工模具

自由曲面時(shí)，因工件和刀具的切削點(diǎn)在不斷變化，使實(shí)際切削點(diǎn)的切削速度不斷發(fā)生變化，影響表面加工質(zhì)量。采用SF技術(shù)

可從NC數(shù)據(jù)中預(yù)先讀出時(shí)刻變化的切削點(diǎn)信息，通過(guò)控制主軸回轉(zhuǎn)速度使切削點(diǎn)切削速度保持一定；同時(shí)控制每轉(zhuǎn)相當(dāng)進(jìn)給

量，使進(jìn)給速度保持穩(wěn)定。③區(qū)域加工技術(shù)：在模具加工面上預(yù)先設(shè)定一定區(qū)域，應(yīng)用區(qū)域加工技術(shù)可在不改變?cè)?/p>

　　加工程序的情況下，對(duì)設(shè)定區(qū)域內(nèi)或區(qū)域外實(shí)現(xiàn)可改變切深及其它切削條件的加工。④直角鄰邊圓弧內(nèi)角銑削技術(shù)：采用

三面銑刀柄嵌三角刀片進(jìn)行加工，可將圓弧內(nèi)角直接銑削成直角，加工效率比電火花線切割可提高約20倍。⑤利用特殊數(shù)控

代碼G260指令，可實(shí)現(xiàn)在平面上加工斜孔。加工時(shí)，銑刀桿利用萬(wàn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)要求的角度，可免除常規(guī)加工時(shí)需重新裝夾工件

及使用專用夾具的麻煩。⑥控制系統(tǒng)采用NURBS(Non-uniform Rational B Spline)補(bǔ)償，從而解決了控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸存在

等待現(xiàn)象，在微小進(jìn)給(1μm)加工時(shí)機(jī)床不能移動(dòng)等問(wèn)題。

　　采用高速銑削技術(shù)對(duì)模具進(jìn)行直接成型加工，可減少電加工及相關(guān)工序流程，顯著提高加工效率，加工時(shí)間可縮短1/3～

1/4。為實(shí)現(xiàn)模具的高速銑削加工，開(kāi)發(fā)及應(yīng)用先進(jìn)的高速銑削刀具尤為重要，TiAlN涂層銑刀就是目前高速銑削淬硬模具鋼最

常用的理想刀具。

 

　　3.TiAlN涂層銑刀高速銑削模具鋼的磨損與破損性能

　　用VC-MD型號(hào)六齒TiAlN涂層硬銑刀(φ10mm)高速銑削AlSi H13/JIS SKD61淬硬模具鋼(52HRC)時(shí)(銑削速度：

628m/min；銑削長(zhǎng)度：50m；銑削深度：軸向切深10mm，徑向切深0.5mm)，采用不同冷卻方式對(duì)刀具磨損形貌的影響結(jié)

果表明，采用風(fēng)冷切削時(shí)刀具磨損最?。徊捎酶墒角邢鲿r(shí)刀具磨損次之；采用乳化液冷卻切削時(shí)刀具磨損最大。由于銑刀刃呈

間歇切削狀態(tài)，如切削時(shí)將冷卻液直接噴淋在刀具上，刀刃時(shí)冷時(shí)熱的溫度變化容易引起熱裂紋，導(dǎo)致切削刃破裂及刀片破

損。因此，高速銑削模具鋼時(shí)不應(yīng)使用冷卻液，否則會(huì)縮短刀具壽命。

　　刀具的主要失效機(jī)理包括月牙洼磨損、熱變形、破裂等。切削熱和機(jī)械振動(dòng)是刀具失效的重要影響因素。月牙洼磨損通常

發(fā)生在刀片前刀面上，當(dāng)高速加工鋼件及其它硬質(zhì)材料時(shí)，切屑在高溫作用下熔附在刀具表面，并使刀具材料顆粒發(fā)生剝離，

形成月牙洼磨損。過(guò)度的月牙洼磨損會(huì)削弱切削刃強(qiáng)度，阻礙切屑流動(dòng)，增大刀具承受的溫度與壓力，最終導(dǎo)致刀具破損。對(duì)

刀具進(jìn)行涂層可在刀具與工件之間增加一層惰性硬介質(zhì)，顯著減小月牙洼磨損。通過(guò)合理應(yīng)用涂層技術(shù)，可使刀片既具有高硬

度又具有高韌性。涂層時(shí)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)基體和涂層的元素分布，使切削刃區(qū)域具有較高含鈷量，從而將含鈷基體的耐沖擊性

與涂層的耐磨性結(jié)合起來(lái)，使切削刃具有良好韌性而刀具其余部分保持較高硬度。

　　用VC-MD型號(hào)TiAlN涂層銑刀高速銑削AlSi H13模具鋼(50HRC)時(shí)(進(jìn)給速度：0.10mm/齒；軸向切深10mm，徑向切深

0.5mm)，銑削狀態(tài)與刀具破損的關(guān)系表明：當(dāng)切削速度V=157m/min時(shí)，采用干式切削和風(fēng)冷切削時(shí)的切削長(zhǎng)度均可達(dá)到

300m；采用乳化液冷卻切削時(shí)在200m處刀刃出現(xiàn)崩裂。當(dāng)切削速度V=314m/min時(shí)，采用干式切削時(shí)在150m處刀具出現(xiàn)破

碎；采用風(fēng)冷切削時(shí)在300m處仍可正常銑削；采用乳化液冷卻切削時(shí)在50m處刀具出現(xiàn)崩裂。當(dāng)切削速度V=471m/min時(shí)，

采用干式切削時(shí)在200m處刀具出現(xiàn)較大磨損；采用風(fēng)冷切削時(shí)在300m處刀具出現(xiàn)較大磨損；采用乳化液冷卻切削時(shí)在50m

處刀具出現(xiàn)崩裂。當(dāng)切削速度V=628m/min時(shí)，采用干式切削時(shí)在100m處刀具出現(xiàn)較大磨損，在120m處刀具破碎折斷；采

用風(fēng)冷切削時(shí)，在150m處刀具折斷破碎；采用乳化液冷卻切削時(shí)刀具很快磨損折斷。

　　風(fēng)冷切削一般可采用液氮致冷和壓縮空氣致冷兩種方式，并可對(duì)切削區(qū)輔以油霧潤(rùn)滑，以提高加工表面光潔度。風(fēng)冷切削

可獲得較好加工效果，但加工成本較高。干式切削省去了冷卻、潤(rùn)滑裝置，可降低加工成本，減少環(huán)境污染。為實(shí)現(xiàn)干式切

削，刀具涂層必須具有兩個(gè)重要功能：①可在刀具與工件之間起到熱壁壘的作用，以減小作用于刀具基體的熱應(yīng)力；②可起到\

固體潤(rùn)滑劑的作用，以減小切削摩擦及切屑對(duì)刀具的粘附。TiAlN涂層就是一種可較好滿足上述要求的高性能涂層。

 

　許多新型硬質(zhì)合金刀具牌號(hào)(尤其是帶涂層牌號(hào))在高速切削時(shí)采用干切削方式可獲得更高切削效率。事實(shí)上，對(duì)于間斷切

削，切削區(qū)溫度越高，越不適合使用切削液。銑削時(shí)加切削液可使刀具承受劇烈的溫度變化(銑刀片自工件切出時(shí)被冷卻，切

入工件時(shí)溫度再次上升)。雖然干切削時(shí)也存在類似的加熱—冷卻循環(huán)，但溫度變化幅度比加切削液時(shí)緩和得多。溫度的劇烈

變化可導(dǎo)致刀片中產(chǎn)生應(yīng)力，從而引起裂紋。

　　涂層厚度(一般為2～18μm)對(duì)于刀具性能具有重要影響。對(duì)于沖擊力較大、刀具快速冷卻和加熱的間斷切削，薄涂層承受

溫度變化的性能優(yōu)于厚涂層，其應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生裂紋，因此薄涂層刀片干式切削時(shí)的壽命可延長(zhǎng)40%。一般來(lái)說(shuō)，PVD

工藝可獲得比CVD工藝更薄的涂層，且與基體結(jié)合較為牢固，因此圓形刀具和銑刀片等常采用PVD涂層。此外，由于PVD涂

層的沉積溫度較低，因此較多應(yīng)用于刃口鋒利的刀具及大正前角銑刀、車刀等。

　　TiAlN涂層是目前適用于高速干式切削的性能最佳的PVD涂層，其高溫連續(xù)切削性能指標(biāo)比氮化鈦(TiN)涂層高4倍，這主

要得益于高溫切削時(shí)涂層表面的鋁氧化后在切屑/刀具界面上形成的非結(jié)晶氧化鋁薄膜。

　　分別用VC-MD型號(hào)TiAlN涂層銑刀、TiN涂層銑刀和未涂層銑刀高速銑削AlSi H13/JIS SKD61模具鋼(52HRC)(進(jìn)給速度：

0.10mm/齒；軸向切深10mm，徑向切深0.5mm；順銑，風(fēng)冷)，加工長(zhǎng)度達(dá)50m后刀具周邊后刀面的磨損情況表明：當(dāng)切削

速度V=100m/min時(shí)，加工時(shí)間為60min，TiAlN涂層銑刀的磨損量?jī)H為其它刀具的1/2～1/3。當(dāng)V=600m/min時(shí)，TiAlN涂層

銑刀加工同樣長(zhǎng)度僅需時(shí)10min，磨損量增大2倍；TiN涂層銑刀和未涂層銑刀在V=200m/min時(shí)磨損量已較大，V繼續(xù)增大時(shí)

則出現(xiàn)劇烈磨損。分析磨損曲線的變化趨勢(shì)可知，TiAlN涂層銑刀的磨損曲線斜率較小，走勢(shì)較平坦；其它兩種刀具的磨損曲

線斜率則較大。表明隨著切削速度的增加，TiAlN涂層的磨損量變化很小，非常適合高速切削。

　　4.TiAlN涂層銑刀高速銑削鈦合金的切削性能

　　用VC-2MS型號(hào)TiAlN涂層銑刀(φ10mm)銑削鈦合金材料(Ti-6Al-4V)時(shí)(銑削深度：徑向切深0.2mm，軸向切深10mm，側(cè)

面銑削；冷卻壓力：4.4M)，銑削速度與刀具后刀面磨損的關(guān)系表明：鈦合金屬于難加工材料，當(dāng)TiAlN涂層銑刀低速銑削時(shí)，

刀具磨損量很小，磨損曲線較平坦。隨著切削速度不斷增大，刀具磨損量緩慢增加。但當(dāng)切削速度超過(guò)10000r/min后，刀具

磨損量快速增加。斷續(xù)切削鈦合金材料產(chǎn)生的高溫會(huì)使刀片的切削刃與其它部分之間產(chǎn)生較大溫差，導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生裂紋，裂

紋的擴(kuò)展將導(dǎo)致切削刃破裂及刀片破損。

　　用六刃TiAlN涂層銑刀(φ10mm)銑削Ti-6Al4V，當(dāng)改變銑削速度與銑削深度時(shí)(進(jìn)給速度：0.10mm/齒；軸向切深10mm，

側(cè)面銑削)，銑刀轉(zhuǎn)速與徑向切深的關(guān)系曲線表明：銑削鈦合金材料時(shí)，切削速度越高，可保證正常銑削的徑向切深量就越

小。如在臨界轉(zhuǎn)速(10000r/min)時(shí)，徑向切深量取0.1mm可保證正常銑削，如徑向切深量取0.2mm則刀具磨損量較大，當(dāng)轉(zhuǎn)

速進(jìn)一步增加時(shí)磨損將迅速增大。選取5000r/min的轉(zhuǎn)速較為安全，可在0.4～0.6mm的徑向切深量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常加工，排

屑量為15cc/min。排屑量通常隨徑向切深量的減小而減少，切屑排出量越大，所需加工功率也越大。根據(jù)切削試驗(yàn)結(jié)果，銑

削鈦合金時(shí)，選取轉(zhuǎn)速5000r/min、徑向切深量0.4～0.6mm較為合理，此時(shí)銑刀磨損小、壽命長(zhǎng)，銑削功率大，加工效率

高。

　　5.兩種高效銑削方法

　　(1)圓弧銑槽

　　銑削鍵槽時(shí)，選用銑刀直徑應(yīng)小于鍵槽寬度，否則銑削阻力較大，影響銑刀壽命。如選用φ10銑刀加工槽寬10mm的鍵

槽，每次切深為1mm，需來(lái)回銑削10次才能完成加工。為提高加工效率，可采用圓弧銑槽方法。采用φ6銑刀沿一定弧度進(jìn)行

旋轉(zhuǎn)銑削，可高效完成切深10mm的加工。圓弧銑槽的尺寸計(jì)算公式為：

　　θ=arccos［1-2Rd(t-Rd)/φ(t-φ)］

　　式中：θ為最大銑削角度，Rd為徑向切深，t為被加工槽寬，φ為銑刀直徑。

　　采用VC-MD型號(hào)TiAlN涂層端銑刀(φ12mm)對(duì)AlSi H13/JIS SKD61模具鋼材料(52HRC)進(jìn)行圓弧銑槽加工(槽深10mm)

(銑削速度：313m/min(8300r/min)；進(jìn)給速度：5000mm/mi(0.10mm/齒)；風(fēng)冷)。加工槽寬分別為18mm、16mm、15mm

的槽時(shí)的銑削參數(shù)和加工效果見(jiàn)表2。

　　表2圓弧銑槽銑削參數(shù)與加工效果

　　銑削參數(shù)：

　　t(mm)：18，16，15

　　Rd(mm)：0.6，0.3，0.27

　　X(mm)：1.74，1.48，0.89

　　θ：44.8°，41.0°，31.5° 槽長(zhǎng)度(m)：0.26，0.33，0.35

　　加工效果：

　　銑削長(zhǎng)度(m)：24，28，33

　　刀刃磨損量：較大，較小，較小

　　由表2可知，徑向切深Rd對(duì)圓弧銑槽時(shí)的刀具磨損影響較大，Rd越大，刀刃磨損就越明顯。圓弧銑槽的優(yōu)勢(shì)在于大的軸

向切深、減小銑削力、減輕機(jī)械振動(dòng)、提高銑刀耐用度。

　　(2)螺旋銑孔

　　用TiAlN涂層球頭銑刀以螺旋銑削方式加工孔可獲得較高的加工效率和較長(zhǎng)的刀具使用壽命。用VC-2MB R3型TiAlN涂層

球形銑刀對(duì)AlSi H13 / JIS SKD61模具鋼材料(52HRC)工件進(jìn)行螺旋銑孔加工(孔深：9mm；X、Y向進(jìn)給速度：

1500mm/min；銑削速度：283m/min，相當(dāng)于15000r/min)時(shí)，被加工孔徑與螺旋式銑削的軸向進(jìn)給率(螺旋前進(jìn)一周的軸向

移動(dòng)量)Fa取值的關(guān)系表明：Fa取值較小時(shí)可加工較大的孔徑。當(dāng)被加工孔徑為φ9mm時(shí)，F(xiàn)a最大可取值0.6mm，如超過(guò)該

值則銑刀磨損將加劇。以軸向進(jìn)給率Fa=0.3mm加工φ7mm孔徑時(shí)的銑孔數(shù)量與銑刀磨損量的關(guān)系表明：銑100個(gè)孔的后刀面

磨損量約為0.03mm，銑500個(gè)孔的后刀面磨損量約為0.05mm，可見(jiàn)隨銑孔數(shù)量的增加，TiAlN涂層銑刀的磨損量變化不大，

其耐用度較高。

　　6.結(jié)語(yǔ)

　　TiAlN涂層具有優(yōu)于TiC、TiN、TiCN等涂層的機(jī)械物理性能，并可與其它涂層配合組成多元多層復(fù)合涂層。切削試驗(yàn)及加

工實(shí)踐表明，TiAlN涂層刀具化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損能力強(qiáng)，高速加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金等難加工材料

時(shí)，其工作壽命可比TiN涂層刀具提高3～4倍。TiAlN涂層中具有較高Al濃度，切削加工時(shí)涂層表面會(huì)生成一層極薄的非晶態(tài)

Al2O3，從而形成硬質(zhì)惰性保護(hù)膜，非常適合應(yīng)用于高速切削加工。TiAlN涂層刀具的普及應(yīng)用將大大提高刀具耐用度，減少

加工輔助時(shí)間，降低切削加工成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。