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 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 , 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 试验结果与讨论

2.1 涂层结合强度

在划痕过程中,声发射信号的出现意味着涂层 发生脱落破坏。由图1可以看出:在130N 载荷下, XF200原刀(未经 MST)在表面划痕过程中始终无 声发射信号出现,而当载荷增至150N 后则出现个 别脉冲信号,说明150N 载荷下涂层开始出现脱落 现象;XF200原刀表面涂层的破坏载荷(与结合强 度成正比)约为150N。无论是在130N 载荷还是 在150 N 载 荷 下,先 进 行 MST 再 制 备 涂 层 的XF200铣刀(XF200MST 刀)在表面划痕过程中均 多次出现脉冲声发射信号,150N 载荷下的声发射 信号更为频繁,涂层脱落破坏现象更为严重;XF200 MST 刀的破坏载荷低于130N。

电弧离子镀 TiAlN 涂层与硬质合金刀具表面的结合以机械锁合和准冶金结合为主[23-24],适当的 表面微观粗糙化,有利于涂层与刀具发生凸凹表面 机械锁合,进而获得较高的结合强度。然而,在制备 涂层前先对刀具进行超精细抛光处理,会导致刀具 表面过于光滑,从而降低涂层的结合强度。

由图2可以看出:在150N 载荷下,D16R3原 刀及其 MST 刀(制备涂层后进行 MST)在表面划 痕过程中始终无声发射信号出现,表明涂层未发生 脱落 破 坏,破 坏 载 荷 均 大 于 150 N。 这 是 因 为 D16R3刀具的超精细抛光处理在表面制备涂层后 进行,不会改变刀具表面 TiAlN 涂层的结合强度。

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 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。

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 Ti 会显著降低刀具的耐磨性能。Al造N成陶这瓷种涂现层象之的前主,则要 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。

2.4 表面磨损形貌及微区成分

由图3和表 5 可以看出:D16R3 原刀及 MST 刀未参与加工(未受磨损)的区域(谱图1)主要含有 钛、铝、氮元素,这是 TiAlN 陶瓷涂层的成分;参与 加工的区域(谱图2)均检测到了被加工材料钛合金 的主要组成元素钛、铝和硬质合金刀具所含元素钨、 碳和钴,同时还有氧元素,但无氮元素,表明该区域 TiAlN 涂层发生破坏和脱落,被加工材料钛合金向 刀具转移,同时刀具表面发生氧化,说明刀具加工钛 合金时发生了黏着磨损和氧化磨损;D16R3 MST 刀加工区的钛、铝和氧含量明显小于原刀,表明制备 涂层后进行超精细抛光处理能抑制刀具表面的黏着 磨损和氧化磨损。

由图4和表6可以看出:XF200原刀及 MST 刀 未加工区(谱图1)均主要为 TiAlN 陶瓷涂层的成分, 同时还存在碳和氧元素,这可能是污染所致;XF200 原刀加工区出现部分(谱图3)或全部(谱图2)涂层破坏现象,加工区存在被加工材料30CrMnSiA 钢的元 素和刀具基体硬质合金的元素钨、碳、钴,以及氧元 素,表 明 刀 具 可 能 发 生 了 黏 着 磨 损 和 氧 化 磨 损。 XF200MST刀的磨损严重区域出现涂层破坏现象,涂层破坏程度明显比原刀大,并且在其磨损严重区 域,被加工材料30CrMnSiA 钢所含元素的含量也明 显比原刀高,由此表明 XF200 MST 刀的磨损程度比 原刀严重,这与前面刀具磨损定量测试结果是一致的。

综上所 述,将 超 精 细 抛 光 处 理 技 术 合 理 应 用 于改善刀具 表 面 完 整 性,能 够 达 到 有 效 提 高 刀 具 耐磨性能,进 而 提 高 刀 具 使 用 寿 命 和 改 善 加 工 产 品表面质量 的 目 的,即 超 精 细 抛 光 处 理 工 序 必 须 安排在刀具 表 面 制 备 涂 层 工 艺 之 后,以 达 到 去 除 电弧离子镀 陶 瓷 涂 层 表 面 微 凸 体 缺 陷、降 低 表 面 粗糙度的目的[24-26],从而减小切削阻力,提高刀具 的耐久性能。不宜在制备涂层之前对刀具实施超 精细抛光处 理 工 序,这 样 会 造 成 刀 具 表 面 陶 瓷 涂 层与刀具基 体 结 合 强 度 的 下 降,进 而 损 害 涂 层 对 刀具的保护作用。

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。

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