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高速金屬切削立銑刀涂層的研究
摘要
一些用在硬質(zhì)合金和金屬陶瓷端銑刀上的新型民用試驗(yàn)PVD (物理氣相沉積)涂層正通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行研究.這些有涂層和無(wú)涂層刀具被用在高速的鋼的干切削和鋁合金的濕切削上.最后使用銑床進(jìn)行精加工.刀具壽命被用來(lái)作為評(píng)價(jià)涂層性能的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也以切削力和功率損耗的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)察為基礎(chǔ).最后的結(jié)果按照機(jī)械加工的單位體積損耗來(lái)進(jìn)行討論. # 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved.
關(guān)鍵詞: PVD涂層;端銑刀;高速銑削
1. 論文簡(jiǎn)介
這項(xiàng)研究工作通過(guò)調(diào)查一些用在商用的硬質(zhì)合金和金屬陶瓷端銑刀上的新型涂層進(jìn)行處理[1-3].使用由物理氣相沉積技術(shù)組成并基于陰極電弧的裝置[4].鋼和鋁合金被用作工件材料.一般來(lái)講,大家都知道當(dāng)金屬陶瓷基板的涂層效果沒(méi)有被完全評(píng)估時(shí)硬質(zhì)合金表面的PVD涂層可以提升切削刀具的耐磨性[5-11].
2. 試驗(yàn)
2.1材料
鋼塊AISI-SAE 1045(HB≈190)和過(guò)共晶鋁合金(包含:硅 17±19%, 鐵 1.20%最大, 鎂 0.4±0.7%)用作被加工材料.商用硬質(zhì)合金端銑刀(ISO等級(jí)K10-20;體積組成:碳化鎢≈90%,Co≈10%;HV30=1600;抗彎強(qiáng)度3700N/mm2),金屬陶瓷(ISO等級(jí)P20;主要由TiCN, TiC, TaC, WC, NbC, Co, Ni組成; HV30=1600; 抗彎強(qiáng)度2300 N/mm2)用作切削刀具.
硬質(zhì)合金(HM)和金屬陶瓷也被用作基板,外表涂上基于陰極電弧系統(tǒng)的PVD涂層[4].一些單層按如下堆放: MoS2和TiN(兩種試驗(yàn)涂層基板) , TiCN, TiAlCN, TiAlNbN(僅HM); TiAlN(僅金屬陶瓷)和如下混合層TiN+TiCN(兩種試驗(yàn)涂層基板) .顯微鏡下的涂層如圖1.這些涂層的特性總結(jié)在下面表1中.
2.2銑削試驗(yàn)
精加工是在CNC銑床上完成,切削速度平均在vc=100±600 m/min;進(jìn)給速率fz=0.04 mm/每齒;軸向切削深度aa=0.5 mm;徑向切削深度ar=10 mm.設(shè)備條件總結(jié)在表2中:干切削以AISI-SAE 1045運(yùn)行,當(dāng)濕操作時(shí)需要5%的乳液配合切削鋁合金以免刀具被焊接到被加工工件上.
該端銑刀刀具的幾何參數(shù)列在表3中.
通過(guò)切削力與功率的實(shí)時(shí)檢測(cè)，刀具側(cè)面磨損極限VBB≤0.20 mm被用作評(píng)價(jià)涂層表現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)（ISO3002\1），VBB是通過(guò)一套離線光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。切削力通過(guò)安裝在機(jī)床上的三相陀螺儀進(jìn)行測(cè)量。主軸電機(jī)消耗的功率通過(guò)切削過(guò)程中的功率監(jiān)控器進(jìn)行測(cè)量。力和功率通過(guò)在線的帶有一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理板的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
3. 結(jié)果與討論
Fig2.3是用鋁合金作為工件材料的的銑削試驗(yàn)結(jié)果。Fig4-7是用AISI-SAE 1045進(jìn)行試驗(yàn)的銑削結(jié)果。
由銑削試驗(yàn)結(jié)果可知，用鋁合金作為工件材料，通過(guò)在重金屬基板上涂層實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其可獲得一個(gè)有限的提升，根據(jù)耐磨性與效率的觀點(diǎn)，按照金屬移除體積，未涂層刀具與涂層刀具有著相似的表現(xiàn)。如果將未涂層
刀具作為基準(zhǔn)，那么刀具壽命百分比將在87-113%的范圍內(nèi)進(jìn)行變化，涂有TiALNbN的刀具有著最好的表現(xiàn)：這是一種能抵抗高溫的新型涂層。這些涂層不能進(jìn)行干切削，因其不能產(chǎn)生工件材料與刀具的焊接屏障。
至于鋼AISI-SAE 1045的銑削，其切削表現(xiàn)主要依靠底層件板材料。當(dāng)陶瓷材料為底層材料，未涂層刀具獲得最好的表現(xiàn)，所
有涂層材料在測(cè)試中均表現(xiàn)為減少，這種現(xiàn)
象可能是由于刀具材料與工件材料之間的化
學(xué)反應(yīng)。這些涂層并不能有效阻止普遍性磨
損，這是一種最重要的磨損理論，由此可以
將金屬干切削提高到更高的切削速度。（Vc
=600/min）
如果將未涂層刀具作為基準(zhǔn)，那么刀具壽命將減少63%（TiN+TiCN）-91%（TiAlN）你會(huì)發(fā)現(xiàn)TiN+TiCN是最低的氧化阻力而TiN+TiCN最高。
另一方面，如果底層材料為重金屬，那么未涂層材料表現(xiàn)最差。事實(shí)上使用Vc=200m/min的切削速度，未涂層材料太低而不能與涂層材料相比。另外，即使未涂層材料使用Vc=100m/min的切削速度，其與在Vc=200m/min的涂層材料相比也有著很大差距。（fig6）
如果將未涂層刀具作為基準(zhǔn)，下面重要的刀具壽命將會(huì)增長(zhǎng)：27%（TiALNbN）297%（TiN+TiCN）385%（TiCN）455%（TiAlN）和473%（TiN），從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，涂層與未涂層刀具有以下計(jì)算公式：
,(1)
其中，Cw是機(jī)械加工花費(fèi)（￡it/cm3）;Cm=1170, 機(jī)械刀具的使用花費(fèi)（￡it/min）；Ct刀具花費(fèi)（￡it）；Tw刀具壽命（以VBb=0.2mm）；Tt=3,磨損的刀具的變化時(shí)間（min），V是金屬的去除體積。
與Eq（1）有關(guān)的數(shù)據(jù)總結(jié)在表4中以，當(dāng)?shù)毒咭越?jīng)濟(jì)方式涂層，刀具耗費(fèi)意大利市場(chǎng)價(jià)格為準(zhǔn)，當(dāng)?shù)毒咛貏e的以實(shí)驗(yàn)為用途進(jìn)行涂層，花費(fèi)以每種底層材料的涂層的相似類(lèi)型的經(jīng)濟(jì)花費(fèi)為基礎(chǔ)，下面的柱形表對(duì)機(jī)械花費(fèi)進(jìn)行了對(duì)比，并用Eq（1）進(jìn)行計(jì)算。
Fig8表明從經(jīng)濟(jì)角度看，未涂層重金屬是最合適的即使其銑削鋁合金時(shí)以刀具壽命（fig2）和金屬移除體積（fig3）來(lái)看并不是表現(xiàn)最好的.涂層和未涂層刀具在價(jià)格方面的重要差異的影響因素（table4）。Fig9表明從經(jīng)濟(jì)和切削效率來(lái)看用陶瓷作為刀具基層材料的未涂層刀具來(lái)銑削AISI-SAE 1045是最合適的。
另一方面，fig10與 6,7表明考慮機(jī)械花費(fèi)，以TiN為涂層的重金屬刀具是最合適的，同樣其在刀具壽命與金屬移除體積方面
表現(xiàn)最好。
至于切削力功率與切削力，F(xiàn)x與Fy在表11-13中表明吸收的plots，通過(guò)考慮在監(jiān)控時(shí)上下銑削的價(jià)值，一般來(lái)講，這些量隨著時(shí)間增長(zhǎng)與刀具磨損有關(guān)。Fig11表明機(jī)械加工鋁合金時(shí)，最好的涂層材料TiALNbN（table4）同樣允許切削力的降低，這意味著更好的機(jī)械加工性。
4. 結(jié)論
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論與以上討論，可以得出以下結(jié)論：
1. 重要刀具壽命的提升與機(jī)械加工花費(fèi)的減少可以使用涂層重金屬來(lái)銑削AISI-SAE 1045
2. 通過(guò)應(yīng)用于AISI-SAE 1045，當(dāng)用PVD涂層時(shí)陶瓷端銑削的磨損極限增加。
3. 涂有重金屬的刀具不能加工鋁合金，并且不會(huì)減少機(jī)械加工花費(fèi)。
4. 在一些情況下，以重金屬為基礎(chǔ)的PVD涂層刀具可以在濕切削鋁合金時(shí)提高磨損極限
5. 這些涂層通過(guò)減少磨損和切削力可以提升AISI-SAE 1045的干機(jī)械加工性和鋁合金的濕機(jī)械加工性
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