氮化鉻鋁涂層PCBN刀具旋風(fēng)硬銑切屑宏觀特征研究*

朱紅雨,李 迎

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094；2.南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 210048)

氮化鉻鋁涂層PCBN刀具旋風(fēng)硬銑切屑宏觀特征研究*

朱紅雨1,2,李 迎1

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094；2.南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 210048)

氮化鉻鋁具有比氮化鈦鋁更高的硬度和抗氧化性,能否作為PCBN刀具的涂層需要進(jìn)行試驗研究驗證。通過對氮化鉻鋁涂層PCBN刀具在硬態(tài)旋風(fēng)銑削淬硬鋼GCr15(平均硬度為63.5HRC)加工中,選用不同的切削參數(shù)、冷卻方式和刀具個數(shù)的研究,從而得出氮化鉻鋁涂層PCBN刀具旋風(fēng)硬銑加工的特點和應(yīng)用范圍,對涂層刀具的研究和切屑預(yù)報研究提供了依據(jù)。

氮化鉻鋁涂層；硬態(tài)旋風(fēng)銑削；切屑宏觀形態(tài)；PCBN刀具

0 引言

旋風(fēng)硬銑(Thread Hard Whirling)技術(shù)是高速硬加工技術(shù)與旋風(fēng)銑削技術(shù)相結(jié)合的螺紋加工技術(shù),該技術(shù)主要使用成本較高的聚晶立方氮化硼(簡稱PCBN)刀具,可以對硬度60HRC以上的滾珠絲杠和滾珠螺母實施硬銑削,以切代磨實現(xiàn)一體化加工、免去磨削和熱處理工序,同時以干切削或少切削液實現(xiàn)綠色加工,是國外精密螺紋高效制造的主要工藝方法。PCBN刀具的硬度僅次于金剛石的刀具材料,適合于各種淬火鋼的粗精加工。自1969年Sandvik公司發(fā)展了涂層硬質(zhì)合金刀具以來,涂層刀具已經(jīng)成為硬質(zhì)合金刀具中的重要組成部分,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,CBN涂層刀具逐步開始應(yīng)用,特別是CBN納米涂層的研究,將進(jìn)一步推動CBN刀具在硬鋼切削中的應(yīng)用。CBN涂層刀具一般是在硬質(zhì)合金刀片上涂覆一層或多層CBN納米晶薄膜,E.Uhlmann等人[1]采用單層CBN厚度為2 μ m和雙層CBN厚度達(dá)6 μ m的CBN刀具進(jìn)行硬切削試驗研究,與用于硬切削的其它涂層刀具相比,刀具壽命提高1倍。Youngsik Choi等人[2]則采用細(xì)顆粒 (小于0.5μ m)CBN涂層刀具、粗顆粒(小于2 μ m)CBN涂層刀具和普通PCBN燒結(jié)的刀具進(jìn)行超精硬切對比試驗,認(rèn)為細(xì)顆粒CBN涂層刀具在超精硬切加工中具有更好的切削性能和工件表面質(zhì)量。在常用的涂層材料中,氮化鉻鋁((Cr,Al)N)是一種新型的涂層材料,它具有比氮化鈦鋁更高的硬度和抗氧化性,AlN在B1結(jié)構(gòu)的CrN中的固溶度可達(dá)到77%(摩爾分?jǐn)?shù)),可以得到高Al含量的(Cr,Al)N)涂層,同時 Cr、Al都能形成保護(hù)性氧化膜,可大大提高涂層的抗氧化能力[3]。(Cr,Al)N涂層具有優(yōu)異的紅硬性,700℃？下的硬度達(dá)到22.5GPa,因此,近年來將氮化鉻鋁作為刀具和模具等超硬耐磨涂層及發(fā)動機(jī)葉片高溫防護(hù)涂層引起了研究者的興趣。本文對氮化鉻鋁涂層PCBN刀具旋風(fēng)硬銑淬硬鋼 GCr15(平均硬度為63.5HRC)進(jìn)行系統(tǒng)研究,通過選用不同的切削參數(shù)、冷卻方式和刀具個數(shù),對無涂層和有涂層兩種PCBN刀具中采集的切屑、主電機(jī)輸入功率、工件表面粗糙度、切削溫度等目標(biāo)值進(jìn)行研究,從而得出氮化鉻鋁涂層PCBN刀具旋風(fēng)硬銑加工的特點和應(yīng)用范圍,對PCBN涂層刀具的研究提供幫助。

1 實驗方法

試驗在漢江機(jī)床廠研制的8米大型數(shù)控旋銑機(jī)床上完成,現(xiàn)場加工如圖1所示。刀具采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具,前角0°,倒棱25°×0.1,分有涂層(氮化鉻鋁)和無涂層兩種。工件材料為淬硬鋼GCr15(平均硬度為63.5HRC),GCr15鋼的化學(xué)成份見表1。工件尺寸為 φ 80×10×4000mm(其中螺紋長 3210mm),螺旋角 2°16 ′426 ′(2.2785 °),螺紋小徑74.0482,大徑78.5。旋風(fēng)銑數(shù)控加工中心采用刀尖旋轉(zhuǎn)直徑為90mm的刀盤,夾緊間距設(shè)定為85mm。銑削方式采用順銑。

表1 GCr15鋼的化學(xué)成份表

圖1 8米大型數(shù)控旋銑加工中心

2 實驗結(jié)果與討論

表2為有涂層和無涂層PCBN刀具旋風(fēng)硬銑試驗結(jié)果,試驗條件為:壓縮空氣冷卻方式、刀盤安裝的刀具個數(shù)為Z=4把。表3為涂層刀具在不同冷卻方式(干切削、壓縮空氣冷卻)下的切屑對比,試驗用刀具個數(shù)Z=4把。表4為在刀盤安裝不同涂層刀具個數(shù)(Z=2,4)時旋風(fēng)硬銑試驗結(jié)果。

表2 有涂層和無涂層PCBN刀具旋風(fēng)硬銑試驗結(jié)果

表3 涂層刀具在不同冷卻方式中形成切屑的對比

表4 涂層刀具在刀具個數(shù)為Z=4和Z=2下旋風(fēng)硬銑的試驗結(jié)果

3 實驗結(jié)果分析

3.1 PCBN刀具有涂層和無涂層的對比研究

根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù),圖2、圖3和圖4反映了隨切削線速度變化無涂層刀具與有涂層刀具在主電機(jī)輸入功率、刀盤振動、切削區(qū)相對溫度三個方面的變化關(guān)系。從圖2可以看出,隨著切削線速度的提高主電機(jī)輸入功率降低,有涂層刀具比無涂層刀具功率高。從切屑形狀來看,有涂層刀具加工形成的切屑呈帶狀,無涂層刀具加工形成的切屑呈C型,切屑的彎曲程度較涂層刀具大。從圖3可以看出,有涂層刀具加工中刀盤振動在X和Y方向比無涂層刀具大,Z方向相差不多。其中,無涂層刀具加工中刀盤振動在經(jīng)過180m/min的切削線速度后,振動開始減弱；而有涂層刀具加工中刀盤振動基本上是隨切削線速度的增加而增加,有涂層刀具中,振動以Y方向為主,無涂層刀具加工中,振動以Z方向為主。圖4說明了有涂層刀具在加工中切削溫度比無涂層刀具加工大,且它們都隨切削線速度的增加而增加。

圖2 主電機(jī)輸入功率隨切削線速度的變化關(guān)系

圖3 三個方向的振動隨切削線速度的變化關(guān)系

圖4 切削溫度隨切削線速度的變化關(guān)系

3.2 涂層PCBN刀具個數(shù)變化對加工性能的研究

根據(jù)表4的試驗數(shù)據(jù),圖5和圖6反映了刀具個數(shù)不同時,主電機(jī)輸入功率和刀盤振動隨切削線速度的變化關(guān)系。從圖5可以看出,4把刀具加工時比2把刀具加工時主電機(jī)輸入功率高,2把刀具加工時切屑呈海螺型,這是因為2把刀具加工時軸向進(jìn)給量大,速度越低進(jìn)給量就越高,所以當(dāng)切削線速度為140m/min時空間彎曲就越嚴(yán)重,形成明顯的海螺型。圖6刀盤振動的變化關(guān)系不明顯,但總體上,刀盤振動有隨切削線速度的增加而增加的趨勢。

3.3 涂層PCBN刀具的耐用度研究

在涂層刀具加工中,刀具在加工不久就出現(xiàn)了崩刃的現(xiàn)象(如圖7所示),說明刀具在有涂層后耐用度反而降低,抗沖擊能力下降。

圖5 不同刀具個數(shù)時主電機(jī)輸入功率隨切削線速度的變化關(guān)系

圖6 不同刀具個數(shù)時刀盤振動隨切削線速度的變化關(guān)系

圖7 加工5min即出現(xiàn)崩刃的涂層刀具

4 結(jié)束語

涂層在PCBN刀具上的使用還是一個新的值的研究的課題,雖然氮化鉻鋁((Cr,Al)N)具有比氮化鈦鋁更高的硬度、抗氧化性和優(yōu)異的紅硬性,但作為PCBN刀具涂層還需經(jīng)過實驗的檢驗,通過試驗研究表明,氮化鉻鋁涂層PCBN刀具無論在功率的消耗上、工件表面質(zhì)量上、還是刀具耐用度上都比無涂層的PCBN刀具加工差,尤其在速度提高的時候?？磥砣绾卧诔驳毒呱线M(jìn)行涂層研究以進(jìn)一步提高刀具性能,還需進(jìn)行更科學(xué)的理論分析與開展更深入的試驗研究。

[1]E.Uhlmann et al.Machining of high performance workpiece materials with CBN coated cutting tools.[J]Thin solid films 518(2009):1451-1454.

[2]Youngsik Choi,C.Richard liu,Performance of nano/micro CBN particle coated tools in superfinish hard machining.[J]International journal of machine tools＆manufacture 49(2009):683-689.

[3]Scheerer H,Hoche T H,Broszeit E et al.Surface and Coatings Technology[J],2005,200:203.

[4]李明升,等.非對稱雙極脈沖磁控濺射沉積氮化鉻鋁涂層的微觀結(jié)構(gòu)和硬度[J].稀有金屬材料與工程,2010,39(supp1):48-51.

Study on Macro-morphology of Hard whirling Chips with PCBN Cutting Tools Coated with Chromium Aluminum Nitride

ZHU Hong-yu1,2,LI Ying1
(1.College of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science＆Technology,Nanjing 210094,China；2.Nanjing College of Chemical Technology,Nanjing 210048,China)

Chromium Aluminum Nitride has much more hardness and oxidation resistance than Titanium Aluminum Nitride.This article studied on cutting tool wear,surface processing quality of work piece and macro-morphology of chips during the hard whirling machining on hardened steel GCr15 with average hardness at 63.5HRC through PCBN cutting tools coated with Chromium Aluminum Nitride.Through testing with different cutting parameters,different cooling mode and different cutting tool numbers,this article illustrated characters and application scope of hard whirling machining with PCBN cutting tools coated with Chromium Aluminum Nitride and provided a basis for research on cutting tool coating or research on machining forecasting through chips.

chromium aluminum nitride coating；hard whirling；macro-morphology of chips；PCBN cutting tool

TG506

A

1001-2265(2011)10-0099-03

2011-03-24；

2011-04-06

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(2009ZX04001-171-02)

朱紅雨(1974—),女,南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,工學(xué)碩士,主要研究方向為先進(jìn)制造技術(shù)與裝備,(E-mail)zhuhongyu-hw@163.com。

(編輯 趙蓉)