不同材質(zhì)刀具在7075鋁合金高速銑削中的磨損研究

邵偉平張 韜，彭廣盼薛 喆

（1 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院， 無錫214121）

（2 張家港市微納新材料科技有限公司，蘇州201316）

0 引言

7075 鋁合金是一種常用的高強(qiáng)度合金，合金材料中包含有鋅和鎂，其中鋅在里面是主要合金元素，加了少量鎂，使合金材料的熱處理效果比一般的鋁鋅二元合金更佳［1］。同時(shí)合金材料中一般都加入了少量的銅、鉻等，使材料擁有非常高的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度≥560 MPa，適合飛機(jī)構(gòu)架及高強(qiáng)度配件［2］，很多數(shù)控加工切削制造的零部件用的都是7075鋁合金。由于7075鋁合金材料強(qiáng)度高、比較硬，加工薄壁工件時(shí)容易變形，所以在加工工藝上一般是先粗加工，然后半精修和精加工。針對(duì)7075 鋁合金的切削加工研究，殷繼花等［3］選用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，研究了高速銑削鋸齒形切屑的形成過程及機(jī)理；李小龍等［4］以硬質(zhì)合金刀具為研究對(duì)象，通過四因素三水平正交試驗(yàn)對(duì)刀具磨損行為進(jìn)行了研究；馬殿文等［5］選用PCD 刀具對(duì)7075 鋁合金進(jìn)行車削試驗(yàn)，對(duì)切削試驗(yàn)中的切削力和表面粗糙度進(jìn)行了分析；候鵬宇［6］選用單晶金剛石刀具進(jìn)行鋁合金車削試驗(yàn)，研究了單晶金剛石刀具在較長切削距離下切削鋁合金的刀具磨損和熱變形問題?？梢钥闯?，在7075 鋁合金工件的切削加工研究中，大都采用了硬質(zhì)合金刀具，有的還選用了PCD 刀具與單晶金剛石刀具進(jìn)行車削試驗(yàn)研究。由于7075 鋁合金材料的高強(qiáng)度高硬度特性，切削加工過程中硬質(zhì)合金刀具的磨損往往比較厲害，刀具表面容易粘結(jié)積屑瘤，產(chǎn)生粘結(jié)磨損；單晶金剛石刀具的磨損形式主要是機(jī)械摩擦磨損并伴有崩刃和斷裂現(xiàn)象；PCD 刀具的加工表面質(zhì)量要好于硬質(zhì)合金刀具，但價(jià)格成本比較高。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）金剛石涂層刀具是一種在硬質(zhì)合金成形刀具的基體表面上，利用CVD沉積了一層金剛石薄膜涂層的刀具［7］。金剛石薄膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能，能直接沉積在不同形狀的襯底上，是一種理想的工業(yè)涂層［8-9］，金剛石薄膜涂層的刀具提高了耐磨性和表面硬度，延長了刀具的使用壽命，對(duì)切削一些鋁、鋁硅合金、石墨、氧化鋯等有色金屬及硬脆的難加工材料有較好的效果［10-14］。CVD金剛石涂層刀具主要有兩種：微米金剛石（MCD）涂層刀具和納米金剛石（NCD）涂層刀具，其中MCD涂層刀具表面粗糙度相對(duì)較大韌性稍差，但硬度很高；NCD涂層刀具表面粗糙度相對(duì)較小韌性高，但硬度相對(duì)稍低［15］。隨著7075鋁合金材料在工業(yè)生產(chǎn)中的大量應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)有關(guān)CVD金剛石涂層刀具用于7075鋁合金切削加工的相關(guān)研究報(bào)道還比較少，查閱文獻(xiàn)資料，只有王宜豹等［16］在無潤滑干切條件下用單層金剛石涂層刀具和多層金剛石涂層刀具對(duì)7075鋁合金的切削性能進(jìn)行了比較；張程焱等［17］選取納米金剛石涂層刀具對(duì)7075鋁合金進(jìn)行了干式車削實(shí)驗(yàn)，研究了切削參數(shù)對(duì)表面完整性的影響規(guī)律。已有的研究主要是針對(duì)金剛石涂層刀具的制備以及通過車削實(shí)驗(yàn)來觀察金剛石涂層刀具的加工工藝性能；而金剛石涂層刀具用于7075鋁合金的高速銑削實(shí)驗(yàn)以及不同材質(zhì)刀具對(duì)7075鋁合金的切削性能比對(duì)研究至今還很少。本文根據(jù)7075鋁合金的切削性能、機(jī)床性能以及切削加工工藝特點(diǎn)，選取粗、精加工兩組銑削參數(shù)來進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，選取硬質(zhì)合金刀具、微米（MCD）/納米（NCD）金剛石涂層刀具在同一組參數(shù)條件下對(duì)7075鋁合金進(jìn)行高速干切削，在工件銑削加工一定長度后對(duì)刀具的磨損、工件表面粗糙度進(jìn)行比對(duì)研究，分析不同材質(zhì)刀具對(duì)7075鋁合金材料加工的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 金剛石涂層刀具制備

采用7075鋁合金切削銑刀為YG6的三刃平底立銑刀，其直徑為Φ8 mm。為保證金剛石涂層質(zhì)量，首先應(yīng)對(duì)銑刀基體進(jìn)行預(yù)處理。先將數(shù)把該型號(hào)銑刀浸泡在Murakami 溶液（KOH∶K3（Fe（CN）6）∶H2O =1∶1∶10）中進(jìn)行30 min 超聲清洗，再將其浸泡在Caro混合酸溶液（H2SO4∶H2O2= 1∶10）中進(jìn)行5 min 的刻蝕以去除刀具表層的鈷元素［18］，從而提高金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體之間的附著強(qiáng)度。再對(duì)酸堿預(yù)處理后的刀具進(jìn)行研磨處理，每把刀具須處理約5 min，研磨粉可采用核桃殼和金剛石混合顆粒，主要是去除刀具表面的疏松層和殘留的鈷元素含量。研磨之后，所有樣品都需要在去離子水和丙酮的超聲波浴中清洗5 min，以去除混合顆粒。薄膜的沉積在密閉的真空反應(yīng)室中進(jìn)行，用丙酮溶液作為碳源，試驗(yàn)用鉭絲作為熱絲提供熱源，熱絲溫度保持在2 200 ℃左右，基體表面溫度保持在800 ℃左右［19］。

制備結(jié)束后利用場發(fā)射掃描電鏡（FESEM，Zeiss ULTRA55）、拉曼譜儀（SPEX1403）對(duì)涂層銑刀上的金剛石薄膜的表面形貌及純度進(jìn)行表征［20］。

1.2 7075鋁合金銑削實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)比不同材質(zhì)的刀具對(duì)7075鋁合金的銑削性能，將實(shí)驗(yàn)分為粗加工銑削實(shí)驗(yàn)和精加工銑削實(shí)驗(yàn)兩組進(jìn)行，其切削參數(shù)的選用如表1所示。在粗加工實(shí)驗(yàn)中沒有用納米金剛石涂層銑刀來做實(shí)驗(yàn)比對(duì)是因?yàn)楣ぜ拇旨庸ひ话阒饕侨コぜ拇蟛糠钟嗔?，不追求工件的表面質(zhì)量和精度要求，粗晶粒的微米金剛石涂層銑刀相對(duì)于納米金剛石涂層銑刀性價(jià)比高，切削性能相差不大，同時(shí)在粗加工實(shí)驗(yàn)中主要是觀察涂層刀與未涂層刀之間的磨損情況和使用壽命。采用沈陽機(jī)床公司生產(chǎn)的機(jī)床，電機(jī)直連驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)10 000 r/min 的主軸轉(zhuǎn)速和8 m/min進(jìn)給速度的高速銑削加工，該機(jī)床x軸、y軸、z軸軸向定位精度和重復(fù)定位精度分別為8 和5 μm；樣件采用200 mm×100 mm×50 mm的方塊料。

表1 粗、精加工銑削實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)Tab.1 Cutting parameters of rough and finish milling experiments

采用型號(hào)為Motic SMZ-171 的智能體視顯微鏡來觀測刀具切削刃的磨損程度以及工件切削后的表面形貌；采用型號(hào)為SJ-310 的日本三豐粗糙度儀來檢測工件切削后的表面粗糙度值。

2 結(jié)果分析

2.1 CVD金剛石涂層刀具物理性能

兩種制備好的銑刀經(jīng)FESEM 觀測后，可以看到：微米金剛石涂層的晶粒尺寸在1～4 μm 波動(dòng)，晶粒呈（111）取向生長，且排布致密，無明顯生長缺陷；納米金剛石涂層表面由許多球形納米顆粒組成，粒徑為20～40 nm，呈團(tuán)簇狀生長，表面致密，且其表面平整度較微米涂層有所提高，如圖1所示。

圖1 微米和納米金剛石涂層刀具的表面形貌Fig.1 Surface topography of diamond coated tools

圖2是兩種涂層對(duì)應(yīng)的Raman譜圖，由圖2（a）可以看出微米金剛石涂層僅在1 335.86 cm-1處有一明顯特征峰，這表面薄膜的主要成分為金剛石sp3結(jié)構(gòu)，說明金剛石純度較高。由圖2（b）可以看出納米金剛石涂層在1 332 cm-1附近的特征峰的寬度明顯增加，這表示薄膜中納米尺度的金剛石晶粒逐漸增多，同時(shí)，代表石墨相結(jié)構(gòu)的D峰（～1 350 cm-1）和G峰（～1 580 cm-1）也很明顯，它們是由薄膜中的sp2成分引起的［18］。

圖2 微米和納米金剛石涂層刀具的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of diamond coated tools

2.2 粗加工銑削實(shí)驗(yàn)分析

圖3 是硬質(zhì)合金銑刀刀刃在未切削工件及分別切削工件10、20 、30 m 后的檢測情況。由圖3（a）看到硬質(zhì)合金銑刀在未切削前，側(cè)刃及端面刃完整，側(cè)刃與端面刃交界處的刀尖部位有倒角。直徑Φ8 mm的硬質(zhì)合金銑刀在粗加工銑削7075 鋁合金10 m 后，刀刃部位就出現(xiàn)了明顯的磨損崩刃現(xiàn)象，如圖3（b）所示。由于磨損范圍較小且切削加工是面銑削，為了能比對(duì)不同材質(zhì)刀具的切削性能，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行下去；銑削到20 m 后，刀尖部位的磨損區(qū)域擴(kuò)大；銑削30 m 后，經(jīng)過體視顯微鏡觀測到磨損崩刃部位擴(kuò)大嚴(yán)重，刀具已不能用于銑削加工，如圖3（d）所示。圖4 是微米金剛石涂層銑刀刀刃在未切削工件及分別切削工件10、20、30 m后的檢測情況。

圖3 硬質(zhì)合金刀刃檢測圖Fig.3 Inspection drawing of carbide blade

圖4 微米金剛石涂層刀刃檢測圖Fig.4 Inspection diagram of micron diamond coated blade

由圖4（a）看到微米金剛石涂層銑刀在未切削前，側(cè)刃及端面刃完整，刀尖部位有倒角，涂層均勻完整。直徑Φ8 mm的微米金剛石涂層銑刀在粗加工銑削7075鋁合金10 m后，刀刃部位完整，涂層未有脫落或磨損，側(cè)刃面上有少量白色的鋁印痕；銑削加工20 m后，刀具側(cè)刃面上白色印痕增多，側(cè)面刀刃有少量的涂層磨損；銑削加工30 m后，刀具切削部位的涂層明顯剝落，且刀尖部位磨損崩刃，如圖4（d）所示。在切削加工過程中，刀具與工件接觸區(qū)的壓力、溫度會(huì)升高，同時(shí)刀具與材料實(shí)際接觸的面積增加，刀具和剛從工件材料內(nèi)部切削出的新鮮表面間會(huì)形成強(qiáng)烈的粘結(jié)，刀具易產(chǎn)生切削粘結(jié)磨損。硬質(zhì)合金刀具在銑削10 m后就出現(xiàn)了輕微的粘結(jié)磨損，而微米金剛石涂層刀具還未發(fā)現(xiàn)涂層脫落或磨損現(xiàn)象，刀刃完整，原因是金剛石熱導(dǎo)率高，不會(huì)出現(xiàn)較高的切削溫度區(qū)域，鋁屑不會(huì)因高溫軟化附著在刀具上，涂層對(duì)刀具起到了很好的保護(hù)作用。本試驗(yàn)中用制備的晶粒尺寸在1～4 μm的微米金剛石涂層刀具銑削7075鋁合金，采用軸向切削深度ap=2 mm的高速粗加工切削方式，切削長度達(dá)到了30 m左右，是同等試驗(yàn)條件下硬質(zhì)合金刀具壽命的3倍。此外，王宜豹用制備的單層金剛石涂層刀具和未涂層刀具進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，切削2 h后未涂層刀具明顯磨損，單層金剛石刀具涂層開始脫落，刀刃鈍化。張而耕等［21］用金剛石涂層立銑刀（膜層1 μm）和PCD立銑刀切削鋁合金，采用切削深度ap=0.1 mm高速切削方式，得到刀具的失效距離分別是15和96 m。

2.3 精加工銑削實(shí)驗(yàn)分析

采取工件每間隔銑削50 m長度作為一個(gè)檢測單元，在每個(gè)檢測單元上沿著銑削方向等間距檢測5個(gè)點(diǎn)的工件表面粗糙度（Ra）值，計(jì)算出這5個(gè)檢測點(diǎn)Ra值的算術(shù)平均值作為該單元的Ra值。表2為三種不同材質(zhì)的銑刀在精加工銑削7075鋁合金一定長度后，測得的工件Ra值；圖5為工件Ra的趨勢圖。

表2 不同材質(zhì)刀具精加工銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Milling experiment results of different materials cutting tools

從圖5 中可以看出硬質(zhì)合金銑刀在加工的前150 m 階段，工件切削后表面的Ra值是逐步增大的。加工的前150 m 是硬質(zhì)合金銑刀刀刃處積屑瘤逐步形成的階段［22］，所以Ra值逐步增大；切削加工150 m后由于刀具表面產(chǎn)生的積屑瘤也能起到一定的切削作用，所以在切削150 m 后，工件的Ra值反而逐步有所降低。從MCD 涂層刀具與NCD 涂層刀具的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，NCD 涂層刀具切削加工工件的Ra明顯好于MCD涂層刀具切削加工工件。這也印證了涂層刀具中，微米涂層的顆粒由于大于納米涂層的顆粒，銑削加工中對(duì)工件Ra的影響比較大。通過表2 的Ra值比較，甚至能看出硬質(zhì)合金銑刀在切削7075 鋁合金工件后的工件Ra值還優(yōu)于使用MCD 涂層銑刀切削的工件Ra值，原因是硬質(zhì)合金銑刀表面是經(jīng)過鏡面拋光的，Ra要小于MCD 涂層銑刀；NCD涂層銑刀的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與硬質(zhì)合金銑刀的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差不多，說明刀具在涂納米涂層后不影響刀具的Ra。

圖5 工件表面粗糙度趨勢圖Fig.5 Trend chart of workpiece surface roughness

圖6 為三種不同材質(zhì)刀具在精加工銑削7075 鋁合金后側(cè)刃用體視顯微鏡在物鏡放大5 倍的條件下所拍的圖片。從照片中可以看到硬質(zhì)合金銑刀在精加工銑削300 m 后刀具側(cè)面和端面上有明顯的不能去除的積屑瘤［23］，而微米涂層銑刀和納米涂層銑刀側(cè)面和端面上除了有白色的鋁印痕外，表面沒有形成積屑瘤，原因是金剛石熱導(dǎo)率高，在切削刃處不會(huì)出現(xiàn)高的溫度區(qū)域，切削產(chǎn)生的鋁屑不會(huì)因高溫產(chǎn)生軟化附著在刀具表面。同時(shí)也能對(duì)比看出納米涂層銑刀側(cè)面優(yōu)于微米涂層銑刀的側(cè)面，原因是納米金剛石涂層刀具表面的金剛石顆粒要小于微米涂層的顆粒，涂層顆粒與工件的摩擦較小，銑削加工后刀具表面能保持光潔不易粘附工件切屑。

圖6 精加工銑削300 m后不同材質(zhì)刀具的側(cè)刃圖Fig.6 Side edge drawing of different materials cutting tools after finishing milling 300 m

圖7 為三種不同材質(zhì)刀具在精加工銑削7075 鋁合金300 m 后工件表面的形貌圖。從圖中能看出納米涂層銑刀銑削后，工件表面的亮度優(yōu)于其他兩種刀具銑削后的效果，原因由圖1微米和納米金剛石涂層刀具的表面形貌圖也可以看出，納米金剛石涂層晶粒成團(tuán)簇狀，結(jié)構(gòu)致密，平整的表層晶粒使納米涂層刀具表面的Ra相對(duì)較低。納米涂層刀具銑削過程中切屑與工件分離后受刀具前刀面擠壓并與前刀面進(jìn)行摩擦，而工件已加工表面發(fā)生彈性和塑性恢復(fù)變形，并與刀具后刀面發(fā)生摩擦［24］，由于納米金剛石涂層刀具Ra低，切削過程中與工件的接觸摩擦因數(shù)較小，工件銑削出來的已加工表面相當(dāng)于被刀具后刀面進(jìn)行了碾磨拋光處理，銑削出的工件Ra就很高［25］，在光線的照耀下產(chǎn)生了反光，所以在對(duì)比精銑后的工件時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)納米金剛石涂層刀具銑削的工件亮度較高。

圖7 精加工銑削300 m后工件表面形貌圖Fig.7 Surface topography of workpiece after finishing milling 300 m

通過以上實(shí)驗(yàn)也能發(fā)現(xiàn)同一種材質(zhì)刀具在粗、精加工銑削7075 鋁合金中，粗加工銑削采用大切削深度、大進(jìn)給速度的方式對(duì)刀具的磨損影響非常大；在小切削深度、大進(jìn)給速度、高轉(zhuǎn)速的精加工銑削中，刀具的壽命是粗加工銑削方式的10倍以上。

3 結(jié)論

（1）在大切深高速粗加工時(shí)，CVD 微米金剛石涂層刀具的壽命約為普通硬質(zhì)合金刀具的3倍。

（2）在小切深大進(jìn)給的精加工實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用納米金剛石涂層和未涂層刀具可獲得更好的表面質(zhì)量，Ra約為0.9 μm。

（3）加工結(jié)果顯示CVD 金剛石涂層刀具可減小積屑瘤的形成，這主要?dú)w因于金剛石具有較高的熱導(dǎo)率繼而加快了刀具的散熱。