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高速金屬切削立銑刀涂層的研究
摘要
一些用在硬質合金和金屬陶瓷端銑刀上的新型民用試驗PVD (物理氣相沉積)涂層正通過實驗室試驗進行研究.這些有涂層和無涂層刀具被用在高速的鋼的干切削和鋁合金的濕切削上.最后使用銑床進行精加工.刀具壽命被用來作為評價涂層性能的標準,同時也以切削力和功率損耗的現場監(jiān)察為基礎.最后的結果按照機械加工的單位體積損耗來進行討論. # 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved.
關鍵詞: PVD涂層;端銑刀;高速銑削
1. 論文簡介
這項研究工作通過調查一些用在商用的硬質合金和金屬陶瓷端銑刀上的新型涂層進行處理[1-3].使用由物理氣相沉積技術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.一般來講,大家都知道當金屬陶瓷基板的涂層效果沒有被完全評估時硬質合金表面的PVD涂層可以提升切削刀具的耐磨性[5-11].
2. 試驗
2.1材料
鋼塊AISI-SAE 1045(HB≈190)和過共晶鋁合金(包含:硅 17±19%, 鐵 1.20%最大, 鎂 0.4±0.7%)用作被加工材料.商用硬質合金端銑刀(ISO等級K10-20;體積組成:碳化鎢≈90%,Co≈10%;HV30=1600;抗彎強度3700N/mm2),金屬陶瓷(ISO等級P20;主要由TiCN, TiC, TaC, WC, NbC, Co, Ni組成; HV30=1600; 抗彎強度2300 N/mm2)用作切削刀具.
硬質合金(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(兩種試驗涂層基板) .顯微鏡下的涂層如圖1.這些涂層的特性總結在下面表1中.
2.2銑削試驗
精加工是在CNC銑床上完成,切削速度平均在vc=100±600 m/min;進給速率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.設備條件總結在表2中:干切削以AISI-SAE 1045運行,當濕操作時需要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列在表3中.
通過切削力與功率的實時檢測，刀具側面磨損極限VBB≤0.20 mm被用作評價涂層表現的標準（ISO3002\1），VBB是通過一套離線光學測量系統(tǒng)進行測量。切削力通過安裝在機床上的三相陀螺儀進行測量。主軸電機消耗的功率通過切削過程中的功率監(jiān)控器進行測量。力和功率通過在線的帶有一個數字信號處理板的計算機系統(tǒng)進行監(jiān)控。
3. 結果與討論
Fig2.3是用鋁合金作為工件材料的的銑削試驗結果。Fig4-7是用AISI-SAE 1045進行試驗的銑削結果。
由銑削試驗結果可知，用鋁合金作為工件材料，通過在重金屬基板上涂層實驗發(fā)現其可獲得一個有限的提升，根據耐磨性與效率的觀點，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。如果將未涂層
刀具作為基準，那么刀具壽命百分比將在87-113%的范圍內進行變化，涂有TiALNbN的刀具有著最好的表現：這是一種能抵抗高溫的新型涂層。這些涂層不能進行干切削，因其不能產生工件材料與刀具的焊接屏障。
至于鋼AISI-SAE 1045的銑削，其切削表現主要依靠底層件板材料。當陶瓷材料為底層材料，未涂層刀具獲得最好的表現，所
有涂層材料在測試中均表現為減少，這種現
象可能是由于刀具材料與工件材料之間的化
學反應。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，那么刀具壽命將減少63%（TiN+TiCN）-91%（TiAlN）你會發(fā)現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最差。事實上使用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，下面重要的刀具壽命將會增長：27%（TiALNbN）297%（TiN+TiCN）385%（TiCN）455%（TiAlN）和473%（TiN），從經濟角度來看，涂層與未涂層刀具有以下計算公式：
,(1)
其中，Cw是機械加工花費（￡it/cm3）;Cm=1170, 機械刀具的使用花費（￡it/min）；Ct刀具花費（￡it）；Tw刀具壽命（以VBb=0.2mm）；Tt=3,磨損的刀具的變化時間（min），V是金屬的去除體積。
與Eq（1）有關的數據總結在表4中以，當刀具以經濟方式涂層，刀具耗費意大利市場價格為準，當刀具特別的以實驗為用途進行涂層，花費以每種底層材料的涂層的相似類型的經濟花費為基礎，下面的柱形表對機械花費進行了對比，并用Eq（1）進行計算。
Fig8表明從經濟角度看，未涂層重金屬是最合適的即使其銑削鋁合金時以刀具壽命（fig2）和金屬移除體積（fig3）來看并不是表現最好的.涂層和未涂層刀具在價格方面的重要差異的影響因素（table4）。Fig9表明從經濟和切削效率來看用陶瓷作為刀具基層材料的未涂層刀具來銑削AISI-SAE 1045是最合適的。
另一方面，fig10與 6,7表明考慮機械花費，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
表現最好。
至于切削力功率與切削力，Fx與Fy在表11-13中表明吸收的plots，通過考慮在監(jiān)控時上下銑削的價值，一般來講，這些量隨著時間增長與刀具磨損有關。Fig11表明機械加工鋁合金時，最好的涂層材料TiALNbN（table4）同樣允許切削力的降低，這意味著更好的機械加工性。
4. 結論
根據實驗結論與以上討論，可以得出以下結論：
1. 重要刀具壽命的提升與機械加工花費的減少可以使用涂層重金屬來銑削AISI-SAE 1045
2. 通過應用于AISI-SAE 1045，當用PVD涂層時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，并且不會減少機械加工花費。
4. 在一些情況下，以重金屬為基礎的PVD涂層刀具可以在濕切削鋁合金時提高磨損極限
5. 這些涂層通過減少磨損和切削力可以提升AISI-SAE 1045的干機械加工性和鋁合金的濕機械加工性
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