TiC—TiN复合硬质合金涂层刀具切削应用及其性能分析

2023.08.01

冯小东王公安胡一龙

摘要：介绍了TiC-TiN复合硬质合金涂层刀具用途及性能，利用实验类比方法分析TiC-TiN涂层刀具相关切削几何参数，归纳TiC-TiN复合涂层刀具切削几何参数及其切削性能相关规律，形成关系图表。

关键词：TiC-TiN；涂层刀具；几何参数；切削性能；复合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.026

1 硬质合金涂层刀具发展概况

随着新型材料的研究发展，刀具材料由碳素工具钢、合金工具钢、高速钢发展到铸造钴基合金、陶瓷、以及超硬刀具材料，刀具切削加工效率得到大大提升，而且提高了加工精度，保证了加工质量。刀具材料的切削性能及其几何参数的选择不仅影响加工效率还直接影响零件的加工质量及精度。近年来涂层刀具研究也取得了很大的成就，由原来的TiC单涂层发展到TiC（N）、AL2O3等双层、三层及多层涂层。TiC-TiN双涂层刀具虽然已经得以应用，但在不同材料加工性能及其最优车削几何参数选择等有待进一步实验分析与研究。

2 TiC-TiN复合硬质合金涂层刀具车削几何参数

涂层刀具不仅有经济性而且具有通用性，可适合多种材料的切削，如碳素结构钢、合金结构钢、工具钢、易切钢、合金铸铁及不锈钢的高速精加工。但是涂层硬质合金刀具的韧性及其强度有所下降，尤其在大冲击重负荷的粗加工不适合使用。在车削中涂层刀具可进给量f可达0.5-0.8mm/r，切削速度也大大提高。

目前TiC-TiN复合双涂层刀具主要应用在车削加工当中，实验中采用实验设备C6140卧式车床，针对不同材料进行多件加工对比，如图表1TiC-TiN涂层刀片与未涂层刀片切削效果对比如下：

通过类比加工和实验测量数据可见在加工合金钢与硬质合金相比，TiC-TiN涂层刀具在V=80～200m/min时，刀具的耐用度可提高2倍左右，每刃切削工件数量也显著增加。TiC-TiN复合双涂层刀片普通碳钢切削几何参数选择原则：粗加工时转速不易太低，背吃刀量不易太大，避免低轉速大负荷加工，加剧涂层磨损；精加工时易采用高转速、低进给量车削，提高每刃加工量。以45#钢为例，车削加工切削参数选择可参考如下（材料45#钢、直径Ф50mm）：粗加工时机床切削速度：V=400-600mm/s、F=0.2-0.3mm/r、Ap=2-5mm范围；精加工时机床切削参数：V=600-800mm/s、F=0.08-0.2mm/r、Ap=0.3-1mm范围。具体加工以实际加工条件适当调整。在加工有色金属时（如6061铝合金），因有色金属材质较软，其切削参数适当增大，但是有色金属易产生积削瘤，影响刀具实际前角，对加工不利，使用时应间断性的对积削瘤进行清理。

3 TiC-TiN双层涂层硬质合金刀具切削性能分析

TiC-TiN双涂层刀片是目前应用最为广泛的，是一种复合涂层，铁基体与TiC接近，TiC的抗氧化性高，涂装层极薄（0.3-0.5μm），总厚度可增至10μm，能有效避免中间脱碳层，它综合了TiC和TiN单涂层刀具优点，在刀片表层是纯TiN涂层，中间过渡层是Ti（C、N）固溶体。

通过加工不同材料对比可得不同涂层刀片耐用度与切削速度的关系如图1所示；在不同切削条件下各涂层后刀面磨损的关系如图2所示。

4 结语

TiC-TiN复合涂层车削时与工件材料表面切削摩擦系数较小，切削加工时刀具产生的残余切削热也相对减少，因此切削温比未涂层及TiC涂层也低，同时抗弯强度大，抗氧化性高，有较强的抗裂纹扩展能力。目前TiC-TiN涂层刀具应用以比较普遍，TiC-TiN涂层针对中高速机加工是较好的选择，但是对于其不同材料切削性能及几何参数优化还有待进一步实验探究和推广。

参考文献：

[1]肖诗纲.刀具材料及其合理选择[M].-2版.北京：机械工业出版社，1990（04）：276-280.

[2]乐兑谦.金属切削刀具[M].-2版.北京：机械工业出版社，2011

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作者简介：冯小东（1987-），男，山东临沂人，本科，实验师，研究方向：机械工程。