TiAlN涂层铣刀的高速切削性能www.tool-tool.com

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1 引言

表面涂层技术的发展与应用对刀具性能的改善和切削加工技术的进步起到了十分关键的作用，涂层刀具已成为现代刀具的重要标志。常用的刀具涂层材料主要有TiC、TiN、Al2O3、TiCN、 TiAlN、CBN 等。TiAlN作为一种新型涂层材料，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，尤其用于高速切削时性能优异。在日 本和我国台湾地区，TiAlN涂层刀具的应用已相当广泛。本文介绍的新型TiAlN涂层铣刀采用超细颗粒(直径约1µm)碳化钨—钴硬质合金基体，表面采 用特殊的低温物理气相沉积(PVD)法涂覆高硬度的TiAlN单层涂层(厚度约6µm)。TiAlN涂层表面生成高强度的氧化物(刚玉)，涂层中的Ti 含量控制在37%左右，Al含量控制在10%～13%之间，以保证刃口的锋利性。新型TiAlN涂层与TiN涂层的主要性能比较见表1。 表1 新型TiAlN涂层与TiN涂层主要性能比较 涂层性能 TiAlN涂层 TiN涂层 维氏硬度 Hv(kgf/m2) 2720 1930 氧化温度(℃) 840 620 划痕测试临界负荷 粘附力(N) 80.3 60.3 结构特征 细柱状面心立方结构 面心立方结构 摩擦性能 与钢摩擦系数0.30 与钢摩擦系数0.41 2 高速铣削技术在模具制造中的应用 近 年来，高速切削技术发展迅猛，如铣削机床转速已高达30000～50000r/min。高速铣削在模具制造等精密、超精密加工中具有良好的应用前景。由于 有些模具的过渡棱边尖锐薄弱，转角处易发生塌角现象，采用普通铣削难以保证模具廓形交界处的加工精度，而采用高速铣削可切削出形状锐利的轮廓尖角，可实现 精密模具的高精度、高效率加工。 近年来，国外模具制造商开发了多项模具高速加工先进技术，如：①形状预识别控制技术：该技术可在高速加 工模具自由曲面时实现高精度加工控制功能，以避免尖角部位因切削冲击、机械滞后等引起路径误差。②SF 技术：用球形铣刀加工模具自由曲面时，因工件和刀具的切削点在不断变化，使实际切削点的切削速度不断发生变化，影响表面加工质量。采用SF技术可从NC数 据中预先读出时刻变化的切削点信息，通过控制主轴回转速度使切削点切削速度保持一定；同时控制每转相当进给量，使进给速度保持稳定。③区域加工技术：在模 具加工面上预先设定一定区域，应用区域加工技术可在不改变原加工程序的情况下，对设定区域内或区域外实现可改变切深及其它切削条件的加工。④直角邻边圆弧 内角铣削技术：采用三面铣刀柄嵌三角刀片进行加工，可将圆弧内角直接铣削成直角，加工效率比电火花线切割可提高约20倍。⑤利用特殊数控代码G260指 令，可实现在平面上加工斜孔。加工时，铣刀杆利用万向节偏转要求的角度，可免除常规加工时需重新装夹工件及使用专用夹具的麻烦。⑥控制系统采用NURBS (Non-uniform RationAlB Spline)补偿，从而解决了控制系统数据传输存在等待现象，在微小进给(1µm)加工时机床不能移动等问题。 采用高速铣削技术对模具进行直接成型加工，可减少电加工及相关工序流程，显著提高加工效率，加工时间可缩短1/3～1/4。为实现模具的高速铣削加工，开发及应用先进的高速铣削刀具尤为重要，TiAlN涂层铣刀就是目前高速铣削淬硬模具钢最常用的理想刀具。 图1 立铣刀切削刃的后刀面磨损 3 TiAlN涂层铣刀高速铣削模具钢的磨损与破损性能 立铣刀切削刃的后刀面磨损如图1 所示。 用VC-MD 型号六齿TiAlN涂层硬铣刀(Ø10mm)高速铣削AlSi H13/JIS SKD61 淬硬模具钢(52HRC)时，采用不同冷却方式对刀具磨损形貌的影响如图2 所示(铣削速度：628m/min；铣削长度：50m；铣削深度：轴向切深10mm，径向切深0.5mm)。结果表明，采用风冷切削时刀具磨损最小(图 2b)；采用干式切削时刀具磨损次之(图2a)；采用乳化液冷却切削时刀具磨损最大(图2c)。由于铣刀刃呈间歇切削状态，如切削时将冷却液直接喷淋在刀 具上，刀刃时冷时热的温度变化容易引起热裂纹，导致切削刃破裂及刀片破损。因此，高速铣削模具钢时不应使用冷却液，否则会缩短刀具寿命。 (a)干式切削 (b)风冷切削 (c)乳化液冷却切削 图2 不同冷却方式下的铣刀磨损形貌(SEM照片) 刀 具的主要失效机理包括月牙洼磨损、热变形、破裂等。切削热和机械振动是刀具失效的重要影响因素。月牙洼磨损通常发生在刀片前刀面上，当高速加工钢件及其它 硬质材料时，切屑在高温作用下熔附在刀具表面，并使刀具材料颗粒发生剥离，形成月牙洼磨损。过度的月牙洼磨损会削弱切削刃强度，阻碍切屑流动，增大刀具承 受的温度与压力，最终导致刀具破损。对刀具进行涂层可在刀具与工件之间增加一层惰性硬介质，显著减小月牙洼磨损。通过合理应用涂层技术，可使刀片既具有高 硬度又具有高韧性。涂层时可根据需要调节基体和涂层的元素分布，使切削刃区域具有较高含钴量，从而将含钴基体的耐冲击性与涂层的耐磨性结合起来，使切削刃 具有良好韧性而刀具其余部分保持较高硬度。 用VC-MD 型号TiAlN涂层铣刀高速铣削AlSiH13模具钢(50HRC)时，铣削状态与刀具破损的关系如图3 所示(进给速度：0.10mm/齿；轴向切深10mm，径向切深0.5mm)。 图3 铣削状态与刀具破损的关系 当 切削速度V=157m/min时，采用干式切削和风冷切削时的切削长度均可达到300m；采用乳化液冷却切削时在200m 处刀刃出现崩裂。当切削速度V=314m/min时，采用干式切削时在150m处刀具出现破碎；采用风冷切削时在300m 处仍可正常铣削；采用乳化液冷却切削时在50m处刀具出现崩裂。当切削速度V=471m/min时，采用干式切削时在200m处刀具出现较大磨损；采用风 冷切削时在300m 处刀具出现较大磨损；采用乳化液冷却切削时在50m 处刀具出现崩裂。当切削速度V=628m/min时，采用干式切削时在100m 处刀具出现较大磨损，在120m 处刀具破碎折断；采用风冷切削时在150m处刀具折断破碎；采用乳化液冷却切削时刀具很快磨损折断。 风冷切削一般可采用液氮致冷和压缩 空气致冷两种方式，并可对切削区辅以油雾润滑，以提高加工表面光洁度。风冷切削可获得较好加工效果，但加工成本较高。干式切削省去了冷却、润滑装置，可降 低加工成本，减少环境污染。为实现干式切削，刀具涂层必须具有两个重要功能：①可在刀具与工件之间起到热壁垒的作用，以减小作用于刀具基体的热应力；②可 起到固体润滑剂的作用，以减小切削摩擦及切屑对刀具的粘附。TiAlN涂层就是一种可较好满足上述要求的高性能涂层。 许多新型硬质合金 刀具牌号(尤其是带涂层牌号)在高速切削时采用干切削方式可获得更高切削效率。事实上，对于间断切削，切削区温度越高，越不适合使用切削液。铣削时加切削 液可使刀具承受剧烈的温度变化(铣刀片自工件切出时被冷却，切入工件时温度再次上升)。虽然干切削时也存在类似的加热—冷却循环，但温度变化幅度比加切削 液时缓和得多。温度的剧烈变化可导致刀片中产生应力，从而引起裂纹。 涂层厚度(一般为2～18µm)对于刀具性能具有重要影响。对于冲 击力较大、刀具快速冷却和加热的间断切削，薄涂层承受温度变化的性能优于厚涂层，其应力较小，不易产生裂纹，因此薄涂层刀片干式切削时的寿命可延长 40%。一般来说，PVD 工艺可获得比CVD 工艺更薄的涂层，且与基体结合较为牢固，因此圆形刀具和铣刀片等常采用PVD 涂层。此外，由于PVD 涂层的沉积温度较低，因此较多应用于刃口锋利的刀具及大正前角铣刀、车刀等。TiAlN涂层是目前适用于高速干式切削的性能最佳的PVD 涂层，其高温连续切削性能指标比氮化钛(TiN)涂层高4 倍，这主要得益于高温切削时涂层表面的铝氧化后在切屑/刀具界面上形成的非结晶氧化铝薄膜。 图4 TiAlN涂层铣刀与其它刀具磨损量比较 图5 铣削速度与后刀面磨损关系曲线 图6 铣刀转速与径向切深的关系曲线 分 别用VC-MD型号TiAlN涂层铣刀、TiN涂层铣刀和未涂层铣刀高速铣削AlSi H13/JIS SKD61模具钢(52HRC)，加工长度达50m 后刀具周边后刀面的磨损情况如图4 所示(进给速度：0.10mm/齿；轴向切深10mm，径向切深0.5mm；顺铣，风冷)。 当切削速度V=100m/min时，加工时 间为60min，TiAlN涂层铣刀的磨损量仅为其它刀具的1/2～1/3。当V=600m/min时，TiAlN涂层铣刀加工同样长度仅需时 10min，磨损量增长2 倍；TiN涂层铣刀和未涂层铣刀在V=200m/min时磨损量已较大，V 继续增大时则出现剧烈磨损。分析磨损曲线的变化趋势可知，TiAlN涂层铣刀的磨损曲线斜率较小，走势较平坦；其它两种刀具的磨损曲线斜率则较大。表明随 着切削速度的增加，TiAlN涂层的磨损量变化很小，非常适合高速切削。 4 TiAlN涂层铣刀高速铣削钛合金的切削性能 用VC-2MS 型号TiAlN涂层铣刀(Ø10mm)铣削钛合金材料(Ti-6Al-4V)时，铣削速度与刀具后刀面磨损的关系如图5 所示(铣削深度：径向切深0.2mm，轴向切深10mm，侧面铣削；冷却压力：4.4M)。 钛 合金属于难加工材料。当TiAlN涂层铣刀低速铣削时，刀具磨损量很小，磨损曲线较平坦。随着切削速度不断增大，刀具磨损量缓慢增加。但当切削速度超过 10000r/min 后，刀具磨损量快速增加。断续切削钛合金材料产生的高温会使刀片的切削刃与其它部分之间产生较大温差，导致切削刃产生裂纹，裂纹的扩展将导致切削刃破裂及 刀片破损。 用六刃TiAlN涂层铣刀(Ø10mm)铣削Ti-6Al-4V，当改变铣削速度与铣削深度时，铣刀转速与径向切深的关系曲线如图6 所示(进给速度：0.10mm/齿；轴向切深10mm，侧面铣削)。 铣 削钛合金材料时，切削速度越高，可保证正常铣削的径向切深量就越小。如在临界转速(10000r/min)时，径向切深量取0.1mm可保证正常铣削，如 径向切深量取0.2mm则刀具磨损量较大，当转速进一步增加时磨损将迅速增大。选取5000r/min 的转速较为安全，可在0.4～0.6mm的径向切深量范围内实现正常加工，排屑量为15cc/min。排屑量通常随径向切深量的减小而减少，切屑排出量越 大，所需加工功率也越大。根据切削试验结果，铣削钛合金时，选取转速5000r/min、径向切深量0.4～0.6mm较为合理，此时铣刀磨损小、寿命 长，铣削功率大，加工效率高。 图7 圆弧铣槽示意图 图8 圆弧铣槽的尺寸计算 5 两种高效铣削方法 圆弧铣槽 铣 削键槽时，选用铣刀直径应小于键槽宽度，否则铣削阻力较大，影响铣刀寿命。如选用Ø10 铣刀加工槽宽10mm的键槽，每次切深为1mm，需来回铣削10 次才能完成加工。为提高加工效率，可采用如图7所示的圆弧铣槽方法。采用Ø6 铣刀沿一定弧度进行旋转铣削，可高效完成切深10mm的加工。圆弧铣槽的尺寸计算关系如图8 所示。尺寸计算公式为q=arccos[1-2Rd(t-Rd)/Ø(t-Ø)]式中：q——最大铣削角度 Rd——径向切深 t——被加工槽宽 Ø——铣刀直径 X——相当铣削深度 表2 圆弧铣槽铣削参数与加工效果 铣削参数 t(mm) 18 16 15 Rd(mm) 0.6 0.3 0.27 X(mm) 1.74 1.48 0.89 q 44.8° 41.0° 31.5° 加工效果 槽长度(m) 0.26 0.33 0.35 铣削长度(m) 24 28 33 刀刃磨损量 较大 较小 较小 采 用VC-MD 型号TiAlN涂层端铣刀(Ø12mm)对AlSi H13/JIS SKD61 模具钢材料(52HRC)进行圆弧铣槽加工(槽深10mm)。铣削速度：313m/min(8300r/min)；进给速度：5000mm/min (0.10mm/齿)；风冷。加工槽宽分别为18mm、16mm、15mm的槽时的铣削参数和加工效果见表2。 由表2可知，径向切深Rd对圆弧铣槽时的刀具磨损影响较大，Rd越大，刀刃磨损就越明显。圆弧铣槽的优势在于大的轴向切深、减小铣削力、减轻机械振动、提高铣刀耐用度。 螺旋铣孔 图9 螺旋铣孔示意图 图10 轴向进给率Fa示意图 用TiAlN涂层球头铣刀以螺旋铣削方式加工孔可获得较高的加工效率和较长的刀具使用寿命。图9为用VC-2MB R5型TiAlN涂层球头铣刀螺旋铣削Ø15×18(mm)孔的示意图。螺旋式铣削的轴向进给率(螺旋前进一周的轴向移动量)可用Fa表 示，见图10。用VC-2MB R3 型TiAlN涂层球形铣刀对AlSi H13/JIS SKD61模具钢材料(52HRC)工件进行螺旋铣孔加工(孔深：9mm；X、Y向进给速度：1500mm/min；铣削速度：283m/min，相当于 15000r/min)，被加工孔径与Fa取值的关系如图11 所示。图中○表示合适(铣100 个孔后的后刀面磨损量约0.03mm)，Δ表示不合适(铣20 个孔后刀刃破碎)。Fa取值较小时可加工较大的孔径。当被加工孔径为Ø9mm时，Fa最大可取值0.6mm，如超过该值则铣刀磨损将加剧。图12 为以轴向进给率Fa=0.3mm加工Ø7mm孔径时(参见图11)的铣孔数量与铣刀磨损量的关系。由图可知，铣100个孔的后刀面磨损量约为0.03mm，铣500 个孔的后刀面磨损量约为0.05mm，可见随铣孔数量的增加，TiAlN涂层铣刀的磨损量变化不大，其耐用度较高。 图11 被加工孔径与Fa取值的关系 图12 铣孔数量与铣刀磨损的关系曲线 6 结语 TiAlN 涂层具有优于TiC、TiN、TiCN等涂层的机械物理性能，并可与其它涂层配合组成多元多层复合涂层。切削试验及加工实践表明，TiAlN涂层刀具化学 稳定性好，抗氧化磨损能力强，高速加工高合金钢、不锈钢、钛合金、镍合金等难加工材料时，其工作寿命可比TiN涂层刀具提高3～4倍。TiAlN涂层中具 有较高Al浓度，切削加工时涂层表面会生成一层极薄的非晶态Al2O3，从而形成硬质惰性保护膜，非常适合应用于高速切削加工。TiAlN涂层刀具的普及应用将大大提高刀具耐用度，减少加工辅助时间，降低切削加工成本，提高企业经济效益。

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