钛合金深孔加工刀具磨损机制及优化策略

引言

钛合金因其优异的比强度、耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、汽车制造和生物医学等领域得到广泛应用。然而，钛合金的低热导率、高化学活性和强粘附倾向等特性，使其在深孔加工过程中面临严峻挑战。深孔加工时刀具磨损加剧、加工精度下降、表面质量恶化等问题突出，严重制约了钛合金零件的高效精密制造。因此，深入研究钛合金深孔加工中的刀具磨损机制，并制定相应的优化策略，对提高钛合金零件加工质量和生产效率具有重要的理论意义和实用价值。

一、钛合金深孔加工刀具磨损形态与失效模式分析

钛合金深孔加工过程中，刀具磨损呈现出复杂多样的形态特征。前刀面磨损主要表现为月牙洼磨损，这是由于钛合金切屑与前刀面长时间接触摩擦，在高温高压作用下形成的凹陷区域。后刀面磨损则以均匀磨损和局部崩刃为主要特征，磨损带宽度随加工时间延长而逐渐增大。刀尖圆角半径的增大导致切削力显著上升，进一步加剧了刀具的整体磨损进程。

深孔加工环境的特殊性使得刀具失效模式更加复杂。由于孔深径比大，切削热难以有效散发，刀具工作区域温度急剧升高，引发热疲劳裂纹的产生和扩展。钛合金的强粘附特性导致积屑瘤频繁形成，不仅影响加工表面质量，还会造成刀具几何形状的改变。当积屑瘤脱落时，往往会带走部分刀具材料，形成粘附磨损。刀具的最终失效通常是多种磨损机制综合作用的结果 [1]。磨粒磨损在加工初期占主导地位，随着温度升高，扩散磨损和化学磨损逐渐成为主要因素。刀具涂层的剥落、基体材料的软化以及微观裂纹的扩展相互促进，最终导致刀具完全失效。深入理解这些磨损形态和失效模式的演变规律，为后续的刀具优化设计和加工参数选择提供了重要的理论依据。

二、切削参数与刀具几何对磨损机制的影响规律

切削速度是影响钛合金深孔加工刀具磨损的关键参数之一。低速切削时，切削温度相对较低，刀具磨损主要以磨粒磨损为主，磨损速率相对缓慢。随着切削速度的提高，摩擦生热显著增加，切削区温度急剧上升，扩散磨损和化学磨损开始占据主导地位。当切削速度超过临界值时，刀具材料发生软化，磨损速率呈指数级增长，刀具寿命急剧下降。进给量的变化直接影响切削厚度和切削力的大小。小进给量虽然能够降低单位时间内的材料去除量，但会导致刀具在弹性恢复区的摩擦时间延长，加剧后刀面的摩擦磨损。过大的进给量则会引起切削力急剧增大，刀具承受的机械冲击载荷超出承载能力，容易产生崩刃和断裂现象。合理的进给量选择需要在磨损控制和加工效率之间寻求平衡点。

刀具前角对切削力和切削温度具有显著影响。正前角能够减小切削变形，降低切削力和切削温度，有利于延长刀具寿命。但过大的正前角会削弱切削刃强度，在钛合金的强化作用下容易发生刃口塌陷。负前角虽然增强了切削刃的机械强度，但会显著增加切削力和切削热，加速刀具磨损进程。刀具的后角设计对排屑性能和表面质量有重要影响。适当的后角能够减少刀具与工件的摩擦接触面积，降低摩擦热的产生[2]。深孔加工中，由于空间限制和排屑困难，后角的选择需要综合考虑刀具强度、排屑能力和表面质量要求，通常采用较小的后角以确保刀具的稳

定性和耐用性。

三、刀具材料选择与涂层技术的优化策略研究

钛合金深孔加工对刀具材料提出了极高的性能要求。硬质合金因其优异的硬度和耐磨性成为主流选择，但在高温环境下容易发生粘结磨损。陶瓷刀具虽然具有出色的耐热性和化学稳定性，但脆性较大，在深孔加工的复杂应力状态下容易发生脆性断裂。立方氮化硼刀具展现出良好的综合性能，其超高硬度和热稳定性能够有效抵抗钛合金的磨蚀作用，但成本相对较高。

刀具基体材料的微观结构优化对提升加工性能具有重要意义。细晶粒硬质合金通过减小晶粒尺寸，提高了材料的韧性和抗冲击能力，在保持高硬度的同时增强了刀具的可靠性。添加适量的钴粘结相能够改善材料的韧性，但过多的钴含量会降低刀具的耐磨性能。梯度结构设计通过在刀具表面形成高硬度层、内部保持高韧性的结构配置，实现了硬度与韧性的有效平衡。

涂层技术为刀具性能提升提供了有效途径。氮化钛涂层具有良好的耐磨性和低摩擦系数，能够显著减少刀具与钛合金的粘附现象。氮化铝钛涂层在高温下表现出优异的稳定性，有效抑制了扩散磨损的发生。多层复合涂层通过不同功能层的协同作用，实现了耐磨、减摩、抗氧化等多重效果的统一。涂层工艺参数的优化对涂层质量和附着力具有决定性影响。合适的沉积温度和气压条件能够获得致密均匀的涂层结构，提高涂层与基体的结合强度 [3]。涂层厚度的控制需要在保护效果和残余应力之间寻求平衡，过厚的涂层容易产生内应力集中而导致剥落。表面预处理工艺通过清洁和粗化基体表面，为涂层的牢固附着创造了良好条件，显著提升了涂层刀具在钛合金深孔加工中的使用寿命。

结论

钛合金深孔加工刀具磨损是一个涉及材料学、摩擦学和制造工艺学的复杂问题。通过深入分析刀具磨损形态与失效模式，揭示了月牙洼磨损、粘附磨损和热疲劳裂纹等主要磨损机制。切削参数与刀具几何的优化研究表明，合理匹配切削速度、进给量和刀具角度是控制磨损的关键。刀具材料选择与涂层技术的应用为解决钛合金加工难题提供了有效途径。本研究为钛合金深孔加工刀具的设计优化和工艺参数选择提供了理论指导和实践依据。

参考文献

[1] 赵武 , 陈德杰 . 重型油缸侧缸 BTA 深孔套料加工刀具过度磨损崩刃的研究 [J]. 机床与液压 , 2011, 39(16):2.

[2] 许宁 , 武鹏 , 张柱银 , 等 . 钛合金深孔钻削刀具磨损试验分析 [J]. 表面技术 , 2018, 47(5):6.

[3] 吴伏家 , 王帅 , 刘军强 , 等 .GH4169 高温合金混合等离子体深孔加工试验研究 [J]. 航空制造技术 , 2022(11).