金剛石涂層刀具在干式切削中的性能分析

劉凱

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院遼寧葫蘆島 125005）

0 前言

切削液在金屬的切削加工過(guò)程中可以起到冷卻、潤(rùn)滑、排屑等作用，因此目前大部分的切削加工基本都要使用切削液。隨著高速切削加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，加工過(guò)程中切削液的用量越來(lái)越大，但隨之也伴隨著以下主要問(wèn)題:廢棄切削液的排放造成了環(huán)境污染;切削液中含有油酸皂、燒堿、苯酚等有害物質(zhì)，若產(chǎn)生的油煙被人吸入，會(huì)造成操作工人的多種呼吸道疾病。而且切削液的大量使用會(huì)增加切削加工成本，根據(jù)企業(yè)對(duì)加工成本的統(tǒng)計(jì)分析可知，在集中冷卻加工系統(tǒng)中，刀具成本只占加工成本的2% ～4%左右，切削液的成本則會(huì)占到總成本的14% ～16%［1］。近幾年，歐洲一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家為了降低加工成本、保護(hù)環(huán)境，大力推廣和開(kāi)發(fā)干式切削加工技術(shù)。據(jù)估算，若20%的切削加工使用干式切削技術(shù)，總的制造成本大約可以降低1.6%左右［1］，對(duì)于一個(gè)大型機(jī)械加工企業(yè)，節(jié)約的費(fèi)用將是巨大的。

當(dāng)今金屬切削加工倡導(dǎo)采用綠色制造技術(shù)，干式切削符合這一宗旨，因而這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景被普遍看好。但干式切削具有切削力大、切削溫度高等特點(diǎn)，要使干式切削加工工藝得到很好地推廣，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，克服其缺點(diǎn)，就必須要很好地解決干式切削加工中相關(guān)的技術(shù)難題。從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，國(guó)外就對(duì)干式切削技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，尤其隨著刀具材料、制造技術(shù)及機(jī)械加工工藝的迅速發(fā)展，使干式切削技術(shù)的應(yīng)用成為可能，干式切削加工已經(jīng)成為未來(lái)機(jī)械加工的重要發(fā)展方向之一，擁有光明的前景。相對(duì)而言，我國(guó)對(duì)干式切削技術(shù)的研究還處于起步階段，應(yīng)用也只限于鑄鐵的銑削加工。為了跟上國(guó)際形勢(shì)，順應(yīng)干式切削技術(shù)的發(fā)展的總趨勢(shì)，我國(guó)應(yīng)重視干式切削技術(shù)的研究和應(yīng)用，不斷提高金屬切削加工的技術(shù)含量［2］。

1 干式切削技術(shù)特點(diǎn)

干式切削時(shí)，因沒(méi)有切削液的冷卻、潤(rùn)滑等作用，會(huì)使切削區(qū)所產(chǎn)生的大量切削熱無(wú)法及時(shí)散出，切削力大和切削溫度大幅上升，增大摩擦力，加快刀具磨損，加工表面品質(zhì)將會(huì)變差。近些年涂層刀具技術(shù)的快速發(fā)展，不但使刀具能承受更高溫度、更耐磨，而且可以降低刀具與工件以及刀具與切屑表面之間的摩擦，減少切削熱的產(chǎn)生，同時(shí)會(huì)阻斷切削區(qū)的熱量傳入刀具，這樣就會(huì)使刀具壽命大幅提高，同時(shí)也提高工件表面精度。

2 硅鋁合金及金剛石涂層刀具性能分析

近年來(lái)高硅鋁合金在軍工、汽車(chē)及航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。高硅鋁合金中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)12%，其組織中分散著過(guò)共晶析出的硬質(zhì)硅顆粒，硬度高達(dá)1 000 HV，會(huì)加速刀具的磨損［4］。鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)為117～175 W/m·℃，比45鋼導(dǎo)熱系數(shù)50 W/m·℃大很多，這樣切削過(guò)程中切屑就可以帶走大量的切削熱，使刀具磨損相對(duì)較小，因此鋁合金切削加工可以不使用冷卻液，所以更適合干式切削［3-4］。

金剛石涂層刀具具有極高的硬度和耐磨性，主要用于有色金屬及高硬度、高耐磨材料以及高速精密加工，而且被加工材料的硬度越高，脆性越大其耐磨性也越好。它與有色金屬的摩擦系數(shù)約為硬質(zhì)合金的一半，可以減小切削力，且不易產(chǎn)生積屑瘤，可以大大提高加工工件的表面精度。金剛石涂層刀具所具有的這些特性，可以保證其在干式切削加工中具有良好的性能［5］。金剛石涂層的工藝方法很多，本文實(shí)驗(yàn)中所使用的是使用化學(xué)氣相沉積（CVD）法，即在硬質(zhì)合金YG6基體上沉積一層50 μm以下的金剛石膜，使用這種金剛石涂層外圓車(chē)刀，加工共晶硅鋁合金，通過(guò)切削加工實(shí)驗(yàn)來(lái)分析和研究金剛石薄膜涂層刀具干式切削加工性能。

2.1 干式切削硅鋁合金加工表面品質(zhì)分析試驗(yàn)

a）試驗(yàn)設(shè)計(jì)

機(jī)床:C616A－1精密車(chē)床;刀具:基體為YG6的金剛石涂層車(chē)刀;試驗(yàn)工件:含硅量12～14%的共晶鑄造鋁硅圓棒;切削條件:干式切削;刀具安裝角度:前角γ0=0°，后角 α0=12°，主偏角 kr=50°，副偏角 kr'=40°刀尖圓弧半徑 γε=1 mm，刃口鈍圓半徑 rn=0.05 mm［6］;切削參數(shù)為:切削速度 vc=150 ～450 m/min，進(jìn)給量 f=0.05 ～0.2 mm/r，切削深度 ap=0.1 ～0.4 mm［6］。

選用金剛石薄膜涂層機(jī)夾刀具進(jìn)行干式切削，試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)夾刀桿不動(dòng)，保證上下刀片在切削過(guò)程中刀具的切削角度不變。將切削深度ap，切削速度vc及進(jìn)給量f三個(gè)影響工件表面粗糙度的因素做正交試驗(yàn)。應(yīng)用每組切削參數(shù)切削一段時(shí)間后，通過(guò)SRM－1型表面粗糙度測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量工件的表面粗糙度，使用萬(wàn)能工具顯微鏡來(lái)觀察涂層刀片刃口的形狀，再用體式顯微鏡觀察刀具前、后刀面的磨損情況和積屑瘤形態(tài)，當(dāng)?shù)毒叩娜锌谕繉用撀鋾r(shí)終止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，結(jié)果極差分析如表2所示:

表1 干式切削硅鋁合金加工表面品質(zhì)數(shù)據(jù)表

6 0.2 0.2 150 1.65 7 0.4 0.05 450 0.92 8 0.4 0.1 150 1.06 9 0.4 0.2 300 2.27

表2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

b）試驗(yàn)結(jié)果分析

1）根據(jù)切削試驗(yàn)的切屑形成和刀具磨損形態(tài)的觀察，磨損過(guò)程的開(kāi)始階段，切削刃上凸起的金剛石晶粒能夠起到微刃作用，可以進(jìn)行切削加工，形成粉（粒）狀切削，這時(shí)工件表面的粗糙度值較大。當(dāng)?shù)镀M(jìn)入正常磨損階段時(shí)，能形成短帶狀或C形切屑，在前刀面上會(huì)形成穩(wěn)定的積屑瘤，這時(shí)工件表面的粗糙度值變化不明顯，可保證刀具在較長(zhǎng)時(shí)間具有良好的干式切削性能。

2）在表2中，Ki為各因素第i個(gè)水平試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，R為因素極差，它等于各影響因素中K的最大值與最小值之差，能夠反映各因素變化時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變化幅度。若某因素R值大，則說(shuō)明該因素是試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著因素。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)給量對(duì)加工表面粗糙度影響最大，其次是背吃刀量，切削速度影響最小。因此，在較高的切削速度下，只要進(jìn)給量選的合理，則工件的表面粗糙度變化不大。

2.2 金剛石涂層刀具與硬質(zhì)合金YG6的對(duì)比試驗(yàn)

a）試驗(yàn)設(shè)計(jì)

機(jī)床:C616A－1精密車(chē)床;試驗(yàn)工件:含硅24%的共晶鑄造鋁硅圓棒;刀具:基體為YG6金剛石薄膜涂層車(chē)刀及硬質(zhì)合金車(chē)刀;切削條件:干式切削;刀具安裝角度與試驗(yàn)1相同。

切削參數(shù)為:v=200 m/min，f=0.1 mm/r，ap=0.2 mm。

將未經(jīng)熱處理的實(shí)驗(yàn)工件固定在車(chē)床上，分別用未涂層的硬質(zhì)合金刀片和金剛石薄膜涂層刀片進(jìn)行切削加工。切削用量采用交叉方式，兩種刀片交替進(jìn)行切削，必須保證試驗(yàn)過(guò)程中的條件完全相同。每經(jīng)過(guò)一段切削時(shí)間，取下刀片用萬(wàn)能工業(yè)顯微鏡來(lái)觀察刀片刃口磨損情況，測(cè)量刀片后刀面的磨損量VB，并記錄于表3中。

表3 金剛石涂層刀具與硬質(zhì)合金刀具干式切削對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

b）試驗(yàn)結(jié)果分析:

1）金剛石涂層薄膜刀片壽命比基體YG6的壽命高很多，在相同的條件下，YG6 切削8 s，VB=0.13，而金剛石涂層刀具切削178 s，VB=0.14，壽命差距明顯。

2）在磨損階段，通過(guò)表3分析可以看到，金剛石薄膜涂層刀具磨損要比硬質(zhì)合金YG6刀具慢，主要因?yàn)榻饎偸毒叩耐繉涌梢云鸬揭欢ǖ闹巫饔茫@樣就可以延緩刀具的磨損，使刀具的壽命更長(zhǎng)。

3）通過(guò)圖1可以看到，在切削加工過(guò)程中，金剛石涂層破壞是以脫落為主，試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有見(jiàn)到涂層被磨穿現(xiàn)象，在涂層沒(méi)有脫落前，刀具沒(méi)有磨損，切削性能良好。

圖1 金剛石涂層刀具磨損后的后刀面照片

3 試驗(yàn)結(jié)論

1）在干式切削硅鋁合金實(shí)驗(yàn)中，金剛石薄膜涂層刀具的使用壽命大大高于硬質(zhì)合金YG6刀具的壽命。刀具損壞的主要形式是薄膜涂層的破損脫落，在涂層沒(méi)有脫落前，刀具磨損量很小。刃口薄膜脫落后，后刀面涂層能夠起到一定的支撐作用，這時(shí)刀具還可以繼續(xù)工作，而且表面粗糙度值很小，刀具磨損緩慢，壽命得到很大提高。通過(guò)分析可以說(shuō)明，通過(guò)提高涂層與基體的粘接強(qiáng)度，可以大大提高金剛石涂層刀具干式切削的壽命。

2）在干式切削鋁硅合金時(shí)，金剛石薄膜涂層刀具在開(kāi)始階段切削試件表面粗糙度值不穩(wěn)定，這主要是由于金剛石顆粒形成的刃口不平，進(jìn)入刀具正常磨損階段后，工件表面粗糙度值將會(huì)很穩(wěn)定，切削路程也很長(zhǎng)，體現(xiàn)出很好的干式切削性能。

3）金剛石涂層刀具在干式切削加工過(guò)程中，對(duì)工件表面粗糙度影響最大的因素是切削進(jìn)給量，在較高切削速度下，只要進(jìn)給量選擇合理，就能夠使工件的表面粗糙度得到很好的控制。

［1］張書(shū)橋.干式切削加工技術(shù)及其應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2002，（2）:29-31.

［2］鄧定瀛，陳世平.干式切削加工技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2002，（4）:30-31.

［3］趙玉玲，豐平，張曉明，等.涂層硬質(zhì)合金的最新研究進(jìn)展［J］.材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2009，（2）:94-100.

［4］袁躍峰，常興.硅鋁合金切削加工性的研究［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2005，（6）:10-11，13.

［5］趙志巖，鄧福銘，盧學(xué)軍，等.CVD金剛石涂層刀具研究與應(yīng)用前景［J］.硬質(zhì)合金，2009，（4）:246-250.

［6］陳根銀，宋志良.機(jī)械制造技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007.37-44.