分享：超精细抛光处理对硬质合金铣刀耐磨性能的影响

史建猛1,董卫萍1,成书民1,关艳英1,刘 珍2,王俊斌1,史海兰2,刘道新2 (1.中航西安飞机工业集团股份有限公司,西安 710089;2.西北工业大学民航学院,西安 710072)

 摘 要:在硬质合金铣刀表面离子镀 TiAlN 涂层前后进行超精细抛光处理(MST),采用划痕试 验、磨损量测定、粗糙度测试、形貌观察、成分分析等方法分析了 MST 对刀具磨损行为及磨损机理 的影响。结果表明:在制备涂层后进行 MST 不会影响涂层的结合强度,并且可以降低刀具的表面 粗糙度,从而减小切削阻力,因此 MST 刀具的耐磨性能明显优于未进行 MST 的刀具;先进行 MST 再制备涂层虽然也能降低刀具表面粗糙度,但是劣化了涂层的结合性能,影响了涂层对刀具 的有效保护,因此 MST 刀具的耐磨性能劣于未进行 MST 的刀具;硬质合金刀具均发生黏着磨损 和氧化磨损,制备涂层后进行 MST 可以抑制黏着磨损和氧化磨损。 

关键词:硬质合金刀具;超精细抛光处理;TiAlN 涂层;刀具磨损 中图分类号:TG714 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0016-07

0 引 言

 刀具是金属切削加工的关键工具,其质量和寿 命不仅影响着生产效率和产品的制造成本,而且还 影响着产品的表面质量和服役性能[1-3]。特别是随 着航空工业技术的发展,钛合金、高强度钢等难加工 材料的用量越来越大,由此对刀具质量的要求也愈 来愈高[4-5]。刀具表面完整性是影响刀具寿命和加 工产品表面质量的重要因素。目前的商品刀具及表 面涂层通常表面粗糙度较大,不利于刀具的使用寿 命和加工产品的表面质量[6-8]。为此,采用先进的刀 具加工技术以改善刀具的表面完整性,成为刀具制 16 史建猛,等:超精细抛光处理对硬质合金铣刀耐磨性能的影响 造领域的一个重要命题。超精细抛光处理技术(简 称 MST 技术)是近年来发展起来的一种新型表面 处理技术[9],针对不同金属材料,采用特定的电解质 溶液和金刚石磨料,在超声振动作用下通过物理、化 学与机械的协同作用对金属制品表面进行精细抛光 处理,从而降低表面粗糙度。MST 技术在改善刀具 表面完整性方面展示出了突出的优势[10-12]。 切削刀具通常采用先进陶瓷涂层进行表面保 护,以提高其使用寿命[13-14]。MST 技术专利持有者 指出,在切削刀具表面未制备陶瓷涂层或者制备陶 瓷涂层后进行超精细抛光处理,均能够有效提高刀 具在加工一般钢铁材料时的耐久性能[15-16]。对于 用于加工航空装备用钛合金和高强度钢等难加工材 料零部件的刀具,在其表面涂层前后进行超精细抛 光处理,是否同样能够有效提高其服役性能则有待 研究。为此,作者以硬质合金铣刀为研究对象,以航 空用 TC4钛合金和30CrMnSiA 高强度钢零件为加 工对象,研究了在离子镀 TiAlN 陶瓷涂层前后进行 超精细抛光处理对硬质合金铣刀表面质量和耐磨性 能的影响,拟为 MST 技术在提高航空产品加工用 刀具耐久性能及产品质量方面的应用提供依据。 

1 试样制备与试验方法 

试验所用刀具为同种材料硬质合金铣刀,型号 分别为 D16R3和 XF200,刀具表面均采用电弧离子 镀技术制备了 TiAlN 陶瓷涂层[17],涂层厚度约为 3mm。各取8把硬质合金铣刀,其中4把不进行抛 光处理(即未进行抛光只沉积涂层),简称原刀;另4 把进行超精细抛光处理(即涂层+抛光),简称 MST 刀。D16R3铣刀的超精细抛光处理在表面离子镀 陶瓷涂层后进行,而 XF200铣刀则先进行超精细抛 光处理,再在表面制备陶瓷涂层。 加工工件材料分别为退火态 Ti6Al4V 钛合金 和调质态30CrMnSiA 高强度钢,钛合金的化学成 分(质 量 分 数/%,下 同)为 6.7Al,4.2V,0.1Fe, 0.03C,0.015N,0.14O,0.03H,余 Ti;高强度钢的化 学 成 分 为 0.285C,0.95Mn,0.920Cr,1.125Si, 0.013P,0.010S。两种工件材料的拉伸性能见表1。 采用 TR300型划痕仪对刀具进行划痕试验,试 验载荷分别为130N 和150N,保载时间15s。根 据声发射信号出现的频率及强度来分析超精细抛光 处理对涂层结合强度的影响。 分别 使 用D16R3铣 刀 加 工Ti6Al4V钛 合 金 , 表1 Ti6Al4V钛合金和30CrMnSiA钢的拉伸性能 Table1 TensilepropertiesofTi6Al4Vtitaniumalloyand 30CrMnSiAsteel 材料 屈服强 度/MPa 抗拉强 度/MPa 断后伸 长率/% 断面收 缩率/% Ti6Al4V 钛合金 975 1020 14 41 30CrMnSiA 钢 835 1080 10 45 XF200铣刀加工 30CrMnSiA 高强度钢,均加工成 同规 格 零 件,铣 削 加 工 时 的 转 速 n 为 3200r· min -1,进给量F 为1200mm·min -1,切削深度ap 为0.5mm,切削宽度ae 为2.0mm。原刀和超精细 抛光处理刀具加工的零件数量相同。 刀具表面的磨损量是衡量刀具性能优劣的一个 重要参量[18-20]。由于刀具的严重磨损通常发生在 后刀面上,并且后刀面的测量也比较方便[21],因此 国际标准统一规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定 的磨 损 带 宽 度 VB 作 为 刀 具 的 磨 损 量[22]。 采 用 Alicona型刀具测量仪测量后刀面磨损带最大宽度 VBmax,即最大磨损量,该测量仪配备 LeicaDMLM/ 11888605型显微镜和 DFC320型摄像镜头,测量采 集系统为 LeicaQwinPlusV3.2.1,测量放大倍数为 50~500倍。 采用 OLYMPUSIX81型激光共聚焦显微镜测 量系统对加工零件前后的刀具进行表面粗糙度 Ra 的测定,均各测试5次取平均值。由于铣刀在加工 零件过程中,其侧刀面与前刀面,以及靠近刀尖处与 远离刀尖处的磨损环境相差较大,故每把刀随机选 择一个刃的4个部位(侧刀面与前刀面靠近刀尖和 远离刀尖位置)进行测试。采用JSM-6360LV 型扫 描电子显微镜(SEM)对刀具表面磨损微观形貌进 行分析,并利用其所配能谱仪(EDS)测定刀具表面 微区成分,以分析刀具的磨损机理。

2.2 表面粗糙度 

由表2可以看出,MST 刀前刀面和侧刀面的表 面粗糙度Ra 均小于对应原刀,说明无论是在制备 涂层前还是在制备涂层后进行超精细抛光处理,均 能有效降低硬质合金刀具的表面粗糙度,但制备涂 层后进行超精细抛光处理的表面粗糙度相对更小。 较小的表面粗糙度既能减轻刀具加工零件时的切削 阻力,降低温升,从而提高刀具的耐磨性能,同时也 有利于改善加工零部件表面的完整性。 由表3可以看出:D16R3 MST 刀4 个部位的 表面粗糙度均小于其原刀,这说明其磨损程度较原 刀要轻微。由前文可知,制备涂层后进行超精细抛 表2 两种硬质合金铣刀前刀面和侧刀面的表面粗糙度 Table2 Surfaceroughnessofrakefaceandsidebladeof twocementedcarbidemillingcutters μm 刀具 表面粗糙度 前刀面 侧刀面 D16R3铣刀 未进行 MST 0.149 0.233 制备涂层后进行 MST 0.081 0.134 XF200铣刀 未进行 MST 0.276 0.365 制备涂层前进行 MST 0.194 0.203 光处理不会影响涂层的结合强度,但会显著降低表 面粗糙度,而较小的表面粗糙度有利于耐磨性能的 提高。因此,切削加工后 D16R3 MST 刀表面仍然 保持了较低的表面粗糙度。XF200 铣刀在切削加 工后,其 MST 刀4个部位的表面粗糙度均大于其 原 刀,即 MST 刀 的 磨 损 严 重 程 度 更 大。 虽 然 XF200 MST 刀的表面粗糙度低于原刀,但是在制 备涂层前进行超精细抛光处理降低了涂层的结合强 度,导致在切削加工过程中涂层易发生脱落失效而 使得刀具的耐磨性能劣化。

 2.3 磨损量 

由表 4 可 以 看 出:加 工 Ti6Al4V 钛 合 金 后, D16R3MST 刀的最大磨损量小于未经超精细抛光 处理的原 刀,平 均 最 大 磨 损 量 相 比 于 原 刀 降 低 约 44.6%,耐磨性能相比于原刀得到显著提升;加工 30CrMnSiA 高强度钢后,XF200 MST 刀的最大磨 损量高于未经超精细抛光处理的原刀,平均最大磨 损量相比于原刀提高约109.8%,耐磨性能相比于 原刀显著降低。 18 史建猛,等:超精细抛光处理对硬质合金铣刀耐磨性能的影响 表3 切削加工后两种硬质合金铣刀侧刀面和前刀面不同位置的表面粗糙度 Table3 Surfaceroughnessatdifferentpositionsofrakefaceandsidebladeoftwocarbidemillingcuttersaftermachining μm 刀具 表面粗糙度 侧刀面近刀尖处 侧刀面远离刀尖处 前刀面近刀尖处 前刀面远离刀尖处 D16R3铣刀 未进行 MST 0.266 0.259 1.643 1.597 制备涂层后进行 MST 0.158 0.161 0.921 0.923 XF200铣刀 未进行 MST 1.751 1.275 1.561 1.432 制备涂层前进行 MST 2.683 2.051 2.509 1.887 表4 切削加工后两种硬质合金刀具的最大磨损量 Table4 Maximumwearlossoftwocementedcarbidemillingcuttersaftermachining μm 刀具 VBmax 测试值 平均值 D16R3刀具 未进行 MST 24.27,16.12,18.45,22.65 20.37 制备涂层后进行 MST 14.19,5.90,12.40,12.63 11.28 XF200刀具 未进行 MST 54.63,47.81,53.59,44.88 50.23 制备涂层前进行 MST 117.83,116.10,77.38,110.24 105.39 对比可知,超精细抛光处理安排的工艺环节不 同,对刀具耐磨性能的影响亦不同:在刀具表面电弧 离子镀 TiAlN 陶瓷涂层之后进行超精细抛光处理, 可以提高刀具的耐磨性能;而将超精细抛光处理安 排在刀具表面电弧离子镀 TiAlN 陶瓷涂层之前,则 会显著降低刀具的耐磨性能。造成这种现象的主要 原因与超精细抛光处理对刀具涂层结合强度及表面 粗糙度影响的差异有关。先制备涂层再进行超精细 抛光处理对涂层结合强度无影响,并且能降低刀具 的表面粗糙度,使得切削加工时的阻力下降,因此耐 磨性能提高;先进行超精细抛光处理再制备涂层时, 涂层的结合强度下降,在切削加工过程中刀具表面 的涂层易发生脱落失效,涂层对刀具基体的保护效 果降低,导致刀具基体直接与加工工件和切屑接触, 故刀具磨损程度增大。 

3结论

(1)在 D16R3硬质合金铣刀离子镀 TiAlN 涂 层后进行超精细抛光处理(MST),不会影响涂层的 结合强度,但可以明显降低铣刀表面粗糙度;在铣削 加工 Ti6Al4V 钛合金后,该 MST 刀的后刀面最大 磨损量 比 未 进 行 超 精 细 抛 光 处 理 的 原 刀 降 低 约 44.6%,耐磨性能显著提升。 (2)对 XF200硬质合金铣刀先进行超精细抛 光处理再离子镀 TiAlN 涂层,会同时降低铣刀的表 面 粗 糙 度 和 涂 层 的 结 合 强 度;在 铣 削 加 工 20 史建猛,等:超精细抛光处理对硬质合金铣刀耐磨性能的影响 30CrMnSiA 高强度钢后,该 MST 刀后刀面最大磨 损 量 比 未 经 超 精 细 抛 光 处 理 的 原 刀 增 大 了 109.8%,耐磨性能显著下降。 (3)超精细抛光处理对硬质合金刀具耐磨性能 的影响与其工艺顺序有关,在制备涂层后进行超精 细抛光处理能够有效提高刀具的耐磨性能,原因在 于超精细抛光处理降低了刀具的表面粗糙度,从而 减小了切削阻力;制备涂层前进行超精细抛光处理 导致耐磨性能下降,归因于涂层结合强度的下降。

来源：材料与测试