doi: 10.12052/gdutxb.200110
刘杰1,2，朱水生1，肖晓兰1，邓欣1
（1. 广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006；2. 广州番禺职业技术学院 智能制造学院，广东 广州 511483）
摘要: 使用未涂层的和AlCrSiN涂层的硬质合金车刀片以3种切削速度干式车削Ti-6Al-4V钛合金。研究发现AlCrSiN涂层刀片的切削寿命在各切削速度下都超过无涂层刀片, 而切削力、切削温度和工件表面粗糙度3项指标均低于无涂层刀具, 说明AlCrSiN涂层能够有效地保护基体从而维具的锋利度。2种刀具在切削过程中均出现切削力先上升后下降的现象, 这与二者高温下产生的润滑氧化物有关。切削温度和工件粗糙度都与后刀面磨损量有正相关关系, 即随着后刀面磨损量的增加, 温度和粗糙度都随之增加, 但温度的增加还与前刀面第一变形区塑性变形增大, 热量增加有关。另外, 2种刀具产生的切屑尺寸、颜、锯齿频率也证明了AlCrSiN涂层刀具磨损较慢，切削温度较低。
关键词: AlCrSiN涂层；Ti-6Al-4V；切削力；切削温度；粗糙度；刀具磨损
中图分类号: TG712 文献标志码: A 文章编号: 1007–7162(2021)02–0099–08
Cutting Performance of AlCrSiN Coated Tool in Dry
Turning Ti-6Al-4V Titanium Alloy
Liu Jie1,2, Zhu Shui-sheng1, Xiao Xiao-lan1, Deng Xin1
(1. School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. School of
Intelligent Manufacturing, Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China) Abstract: Ti-6Al-4V titanium alloy was dry turned by uncoated and AlCrSiN coated carbide inserts at three cutting speeds. It was found that the cutting life of AlCrSiN coated inserts exceeds uncoated inserts at all three cutting speeds and meanwhile the three values of cutting force, cutting temperature and workpiece surface roughness are lower than that of uncoated tools, which shows that AlCrSiN coating can effectively protect the substrate and maintain the sharpness of the tool. During the cutting process, the cutting force of both tools increased first and then decreased, which is related to the lubricating oxides produced by the two tools at high temperatures. Both cutting temperature and
workpiece roughness have a positive correlation with the wear of the flank, that is, as the wear of the flank increases, the temperature and roughness increase accordingly, and incidentally, the increase in temperature is also related to the increase in plastic deformation and heat in the first deformation zone of the rake face. In addition, the chip size, color, and sawtooth frequency produced by the two tools also prove that the AlCrSiN coated tool has lower wear rate and cutting temperature than the uncoated tool.
Key words: AlCrSiN coating; Ti-6Al-4V; cutting force; cutting temperature; roughness; tool wear
钛合金是公认的难加工材料，由于其低热导率、低弹性模量以及高强度、高化学活性使得刀具经受高温氧化、扩散、粘结、高回弹等一系列的考验，带来刀具寿命短、加工效率低以及工件的表面质量差等一系列问题[1]。一直以来，硬质合金是切削钛合金的主流刀具材料，如果在硬质合金表面施加适宜的涂层，可以起到隔热、隔绝化学反应甚至自润滑的作用。
最早的Cr系涂层CrN因具有较高的硬度、结合
第 38 卷 第 2 期广东工业大学学报Vol. 38 No. 2 2021 年 3 月Journal of Guangdong University of Technology March 2021
收稿日期：2020-09-01
高频磁芯
基金项目：广东省前沿与关键技术创新重大科技专项(2017B090911006)；广东省河源市科技项目(HEKE000781)
作者简介：刘杰(1974–)，男，副教授，博士研究生，主要研究方向为涂层刀具及先进加工技术，E-mail：******************
通信作者：邓欣(1971–)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为非传统硬质合金刀具、金属基复合材料3D打印等，E-mail：ruddy.
************
力以及抗氧化性获得了一定应用，为了进一步优化涂层的上述性能，加入金属和非金属元素形成三元和四元涂层，其中，Al和Si是被研究的热门元素，由此形成了AlCrN、CrSiN、AlCrSiN等涂层类型。涂层中的Al元素通过固溶强化提高了涂层的硬度，并且在氧化后形成致密的Al2O3薄膜覆盖在完好涂层的表面，可以同时阻止氧向内的侵入和涂层金属元素的向外扩散，提高了涂层的抗氧化性[2]。涂层中的Si与N形成非晶的Si3N4相包裹在CrN晶界形成纳米复合结构，同时提高了涂层的硬度、高温稳定性和抗氧化性[3]。Polcar等[4]的研究表明，AlCrSiN涂层在1 300 ℃仍能保持沉积态时的立方相结构。Lee等[5]研
究了CrAlSiN的抗氧化性，涂层表面生成的Al2O3、Cr2O3和SiO2是其优越抗氧化性的主要原因。Sun等[6]研究了不同Si含量CrAlSiN的摩擦性能，发现5.52%的Si含量表现出最优的综合性能，具有较高的硬度和结合力，以及较低的摩擦系数和抗磨损性能。
关于AlCrSiN涂层刀具干切削钛合金的研究较少。Wu[7]在高速钢基体上沉积了AlCrSiN和AlCrN，干铣削40CrNiMo合金钢，发现AlCrSiN的切削性能优于AlCrN，磨损机理为磨粒磨损和粘结磨损。Cai[8]在M42钢基体上沉积不同Si含量的梯度AlCrSiN涂层，使用水基润滑液铣削20CrMo，高Si含量的AlCrSiN涂层表现出较少的磨损和较长寿命，磨损机理为磨粒磨损、粘结磨损和氧化。Chang[9]在硬质合金基体上沉积Cr47Al46Si7N，干铣削Ti–6Al–4V钛合金，发现该涂层的切削寿命优于TiAlN、TiAlSiN以及无涂层刀具。
综上所述，过往研究主要集中在AlCrSiN涂层本身的高温稳定性以及抗氧化性研究，对于该涂层的切削性能仅给出结果和磨损形式，未关注其切削过程中的表现。本文在硬质合金基体上沉积高Al含量的AlCrSiN涂层，高速干式车削Ti–6Al–4V，通过研究与切削过程直接相关的切削力、切削温度、工件表面粗糙度等参量的变化规律和特征来揭示AlCrSiN 涂层干切削钛合金时的特征表现、性能及机理。
1 实验方案
1.1 涂层表征
采用扫描电子显微镜(SEM, FEI NovaNano 430)观察涂层的表面和截面形貌，涂层的化学成分可通过扫描电镜附带的能谱仪EDS来测定。采用X射线光电子能谱仪(XPS, Escalab 250Xi)分析切削后刀具表面元素的价态结构，X射线源的束斑为650 μm，电压和电流分别为15 kV和15 mA。硬度和弹性模量采用CSM TTX-NHT2纳米压痕仪测量，载荷10 mN。涂层的膜基结合力采用微米划痕仪(RST, CSM)测试，最大载荷100 N，划痕长度3 mm。AlCrSiN涂层的化学成分和力学性能如表1所示。涂层的截面和表面形貌如图1所示。从截面观察，涂层致密，与基体结合良好。从表面观察，可见白的液滴，这是电弧沉积涂层的明显特征[10]。
表 1 涂层的化学成分及力学性能
Table 1 Chemical composition and mechanical properties of the coatings.
元素质量分数/%厚度/
μm
纳米硬度/
GPa
弹性模量/
GPa
膜基结合力/
N
Al Cr Si N
29.5318.16 4.8247.4933239347
1 μm
AlCrSiN 涂层
(a) 截面
基体
10 μm
(b) 表面
图 1 AlCrSiN涂层形貌
Fig.1 Morphologies of AlCrSiN coating
1.2 工件材料
本文切削用的工件材料为α-β钛合金Ti-6Al-4V。该材料的化学成分和物理性能分别如表2和表3所示。
表 2 Ti-6Al-4V中元素质量分数
Table 2 Chemical composition of the Ti-6Al-4V alloy% Al V Fe C N O H Ti
640.10.030.010.150.003Balance
表 3 Ti-6Al-4V的物理力学性能
Table 3 Physical properties of Ti–6Al–4V
参数值
密度 ρ/(g·cm–3) 4.42
屈服极限 σ0.2/MPa885
强度极限 σb/MPa1 270
断后伸长率A/%10
断面收缩率Z/%30
热导率/(W·m–1·K–1)7
硬度(HRC)37
1.3 车削实验
车削实验利用CAK3665nj车床(沈阳第一机床厂)进行，车削过程为干车削。刀片为标准SNMA120408
100广 东 工 业 大 学 学 报第 38 卷
涂层与无涂层刀片，刀杆为标准MSBNR2020K12，主偏角75°，前角–6°，如图2所示。在切削速度、切削深度、进给量3个切削用量中切削速度对刀具寿命的影响最大，所以3组切削用量中切削深度固定为0.5 mm (单边)，进给量固定为0.1 mm/r，切削速度变化为60、100、150 m/min。使用工具显微镜
每隔一定的切削时间观测一次刀具后刀面磨损量，直到刀具达到失效标准。本文选用的刀具失效标准为：后刀面平均磨损量VB=0.3 mm，或者最大磨损量VB=0.6 mm。测力仪为Kistler 9129AA三向测力仪；粗糙度仪TR100，精确度0.01 μm；测温仪为红外Testo 890-2 SET，测温精度±2 ℃，测温范围：室温~1 200 ℃。
红外热像仪
Ti-6Al-4V
SNMA120408
测力仪
图 2 车削实验配置
Fig.2 Turning experiment configuration
2 结果与讨论
2.1 刀具的寿命、磨损及切削温度
以后刀面磨损平均值达到300 μm的标准来衡量，两种刀具在3种切削速度下的切削寿命如图3所示。AlCrSiN涂层刀具的切削寿命在3种速度下均超过无涂层刀具，寿命增长率分别为59%、71%、45%，在100 m/min时寿命增长率最大。说明AlCrSiN涂层有效地保护了刀具基体。
图4为AlCrSiN涂层刀具在3种切削速度下的温度曲线。可见，切削速度超过100 m/min后，切削速度对于切削温度的影响显著增强，切削速度为150 m/min 时切削温度超过了700 ℃。
图5为两种刀具在切削速度为100 m/min时的磨
损与切削温度曲线。从磨损曲线形态上可明显看出，AlCrSiN涂层刀具的磨损曲线中间部位出现一处台阶，这是稳定磨损阶段，属于耐磨物体磨损的3个阶段之一，介于初期快速磨损和后期的剧烈磨损之间；而无涂层刀具直接由初期磨损进入了剧烈磨损。在整个切削过程中，AlCrSiN涂层刀具的切削温度明显低于无涂层刀具。在切削起始时，二者的温度分别是340 ℃和382 ℃，温差也最小为42 ℃，但是随着切削
切削速度/(m·min−1)
无涂层刀具
AlCrSiN 涂层刀具
60
7.1
59%11.3
3.4
5.8
1.1
45% 1.6
71%
100150
图 3 2种刀具在不同切削速度时的切削寿命
Fig.3 Cutting life of two tools at different cutting speed
024681012
60 m/min
100 m/min
150 m/min
14
切削时间/min
图 4 AlCrSiN涂层刀具在3种切削速度时的切削温度
Fig.4 Cutting temperature of AlCrSiN coated tools at three cutting speeds
无涂层刀具
AlCrSiN 涂层刀具
稳定
磨损
123
42 °C
174 °C
4568
7
切削时间/min
图 5 AlCrSiN涂层刀具与无涂层刀具后刀面磨损与切削温度Fig.5 Flank wear and cutting temperature of AlCrSiN coated and uncoated tools
第 2 期刘杰，等：AlCrSiN涂层刀具干车削Ti-6Al-4V钛合金的切削性能研究101
时间延长，二者的升温曲线与其磨损曲线呈现正相关的发展，即无涂层刀具的温度几乎线性上升；而AlCrSiN 涂层刀具在稳定磨损阶段维持了几乎不变的温度，只是到了剧烈磨损后，温度缓慢上升到最
高的456 ℃，而此时无涂层刀具的温度已达到630 ℃，此时的温差也达到了最大的174 ℃。涂层刀具的切削温度较低与刀具在涂层保护下可以长久保持锋利有关，也与涂层表面摩擦系数低有关。
图6为两种刀具在切削速度为100 m/min 时后刀面磨损形貌演变过程，可以看出，无涂层刀具后刀面磨损速度要快于AlCrSiN 。在切削2.4 min 后，AlCrSiN 涂层刀具的磨损带宽度仅有141 μm ，而无涂层刀具
切削1.4 min 后，已达到186 μm 。从图6还可以看出AlCrSiN 涂层刀具的另外两个优势，一是切屑粘结比较轻微，而无涂层刀片几乎每一个时刻在前刀面都存在比较严重切屑粘结。众所周知，切屑的粘结与切削温度有密切的正相关关系。说明无涂层刀具的切削温度明显高于AlCrSiN 涂层刀具。二是切削热的影响区域更小。这是因为AlCrSiN 涂层本身切削温度低，且比硬质合金有更低的热导率(AlCrSiN 的热导率500 ℃大约为4.5 W/(m·K)，硬质合金在42~75 W/(m·K)[11])，使切削热不易从切削刃传递到其他部位，另外涂层优异的高温稳定性和抗氧化性也保护了涂层自身和其下的基体。
热影响区
热影响区
切削时间/min
飞机操纵杆
VB=186 μm
300 μm
VB=141 μm
300 μm
1
2
3
4
5
6
7
AlCrSiN 涂层刀具
图 6 AlCrSiN 涂层刀具与无涂层刀具后刀面磨损演变与热影响区
Fig.6 Flank wear evolution and heat-affected zone of AlCrSiN coated and uncoated tools
图7为刀具磨损前后形态变化引起的热力变化，第一变形区(First Deformation Zone, FDZ)的热量由切屑的塑性变形功转化而来，第二和第三变形区(Second Deformation Zone and Third Deformation Zone, SDZ 和TDZ)热量主要是由摩擦产生。当刀具变钝后，切屑在断离前的塑性变形增大，尤其是靠近刃口的切屑，可以说是被“挤下来”而不是切下来的。整个FDZ 区由原先的剪切为主逐渐转变为剪切和挤压
共存，FDZ 区扩大，因此由切屑变形功转化而来的热量也在增加；位于后刀面上的TDZ 区受到后刀面逐渐磨平的影响，摩擦也越来越大，摩擦热也在增加。对于无涂层刀具来说，因为变钝的速度快，这两个区域产生的热量就多。再由摩擦系数的影响，AlCrSiN 与TC4之间的摩擦系数低至0.12[12]，远低于硬质合金与TC4之间的0.35[13]，这是AlCrSiN 涂层刀具温度较低的另外一个原因。
切屑刀尖变钝后刀面磨损形成修光带
后刀面
FDZ 区剪切为主
FDZ 区范围变大剪切+挤压共存
TDZ 区范围变大
摩擦加剧
SDZ 区
TDZ 区
(a) 磨损前(b) 磨损后
Ti-6Al-4V
γ0α0
前刀面
热
热
图 7 刀具磨损前后形态变化引起的热力变化
Fig.7 Heat and force changes caused by tool shape changes before and after tool wear
102广 东 工 业 大 学 学 报第 38 卷
2.2 刀具的切削力
切削力是衡量刀具和工件之间切削难易程度的重要指标，与刀具寿命及工件加工质量有密切关系。图8为两种刀具切削钛合金时测得的三向切削力(轴向力F x ，径向力F y ，切向力F z )以及计算得到的切削合力F r 和摩擦系数μ。其中切削合力和摩擦系数分别由式(1)和(2)给出。
其中，刀具前角γ0取–6°的弧度值。
2.8 min
F r max =445 N
切削时间/min (a) 无涂层刀具 100 m/min
1
2
3
4
5
67
摩擦系数
F x F y F z F r
二波罗蜜5.8 min
滤菌器F r max =369N
切削时间/min
(b) AlCrSiN 涂层刀具 100 m/min
1
2
3
4
5
6
7
摩擦系数
F x F y F z F r
切削时间/min
果糖定量机(c) AlCrSiN 涂层刀具 60 m/min
2
4
6
8
10
12
14
摩擦系数
F x F y F z F r
切削时间/min
(d) AlCrSiN 涂层刀具 150 m/min
1
2
34
5
摩擦系数
F x F y F z F r
图 8 两种刀具在各切削速度下的切削力与摩擦系数
Fig.8 The cutting force and friction coefficient of the two tools at various cutting speeds
从图8可以看出如下结果。第一，从共同特征上看，与其他工件材料显著不同的是，切削钛合金时，径向切削力F y (也称吃刀抗力))明显高于另外两个方向的力，尤其是超过主切削力F z 。这与钛合金低的弹性模量有关[14]，钛合金弹性模量在110~130 GPa ，仅为钢数值的一半。所以弹性变形大，切削过程中由于弹性回复，使得刀具后刀面与工件之间产生强烈的挤压，造成径向切削力明显偏大。第二，对比两种刀具的切削力，发现AlCrSiN 涂层刀具各向切削力明显低于无涂层刀具。如图8(a)和(b)，同样在100 m/min 的切削速度下，从切削合力上看，无涂层刀具最大值为
445 N ，AlCrSiN 涂层刀具最大值仅为369 N ，这与AlCrSiN 涂层的高温稳定性、抗氧化性以及在高温下仍能保持较低的摩擦系数有直接关系。第三，观察图8(a)、(b)和(d)，发现除了切向力F z 外，F x 和F y 都是先增大后减小，图8(b)更加显著。但是在图8(c)中未见上述变化。这是因为，首先，切削力逐渐增大与刀尖变钝以及后刀面磨损有直接关系，刚进入切削的新刀具，虽然锋利，但磨损也快，即刀具的快速磨损阶段(图5的开始阶段)，这个阶段的切削力是逐渐增大的。这一点仍然可由图7中刀尖变钝后，切屑塑性变形增大，挤压作用增强得到解释。再来分析切削力的下降过
第 2 期刘杰，等：AlCrSiN 涂层刀具干车削Ti-6Al-4V 钛合金的切削性能研究103隧道喷浆
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