基于鍍膜法改善YT15車刀片性能及試切分析

徐敏

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機電工程技術(shù)學院,江蘇 徐州221140)

基于鍍膜法改善YT15車刀片性能及試切分析

徐敏

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機電工程技術(shù)學院,江蘇 徐州221140)

為了有效地提高刀具切削使用壽命,使刀具獲得優(yōu)良的綜合機械性能,大幅度地提高機械加工效率,通過對YT15刀具表面進行濺射鍍膜,并分析鍍膜前后刀具表面硬度及切削效果,結(jié)果表明:表面處理后的YT15刀具的切削性能及壽命成倍地提高,該技術(shù)的推廣能有效地提高生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本.

YT15刀具;硬度;鍍膜;切削;效率

近幾十年來,隨著刀具涂層技術(shù)迅速發(fā)展,涂層刀具得到了廣泛應用.1969年德國克虜伯(Krupp)公司和瑞典山特維克(Sandvik)公司研發(fā)成功了化學氣相沉積(CVD)涂層技術(shù),并向市場推出了CVDTiC涂層硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)品.20世紀70年代初,美國本夏(R.Runshan)和拉格胡南(A.Raghuran)研發(fā)了物理氣相沉積(PVD)工藝,并于1981年將PVDTiN高速鋼刀具產(chǎn)品推向市場.當時CVD涂層工藝溫度約1 000℃,主要用于硬質(zhì)合金刀具(刀片)的表面涂層.PVD涂層工藝溫度為500℃及以下,主要用于高速鋼刀具的表面涂層[1].本文研究的主要內(nèi)容是采用濺射鍍膜法在YT15車刀片上鍍一層均勻的氧化鋁膜,通過顯微硬度儀檢測鍍膜前后車刀表面的硬度變化情況,以實際車削方式檢驗鍍膜前后YT15車刀片性能.

1 濺射鍍膜法

濺射鍍膜法也稱之為濺射離子鍍,就是同荷能粒子轟擊靶材,使其表面原子逸出,而濺射下來靶材原子在工件表面沉積成膜的過程.濺射下來的靶材原子具有10～35 ev的動能,所以濺射膜的附著力比真空蒸發(fā)鍍膜的好,而且濺射鍍層均勻致密,一般無氣孔,工件溫度低.因此,在其他方法的離子鍍出現(xiàn)之前也用于刀具鍍膜,但效果不是很明顯.但在20世紀70年代末,空心陰極離子鍍技術(shù)的問世,使切削刀具的性能發(fā)生了較大的變革.在20世紀80年代中期,多弧離子鍍和熱陰極離子鍍的出現(xiàn),使離子鍍技術(shù)更加完善,由于空心陰極離子鍍、弧離子鍍和熱陰極離子鍍在刀具上的應用性能大大優(yōu)于真空蒸發(fā)和濺射離子鍍方法,所以在刀具上應用的PVD涂層技術(shù)主要是用空心陰極離子鍍、多弧離子鍍和熱陰極離子鍍技術(shù)[2].與CVD涂層技術(shù)相比較,PVD涂層技術(shù)有一個最大的優(yōu)勢,就是其工藝處理溫度可控制在500℃以下,因此其應用范圍就更加廣泛,發(fā)展?jié)摿薮?

2 刀具的選擇

2.1 YT15硬質(zhì)合金

YT15硬質(zhì)合金刀具有硬度高、耐磨、強度和韌性好、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)良性能,特別是它的高硬度和耐磨性,在500℃的溫度下也基本保持不變,即使在1 000℃時仍有很高的硬度[3].YT15是鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金,適合于半精車、精車加工.

2.2 鍍膜材料的選擇

氧化鋁又稱三氧化二鋁,分子量102,通常稱為“鋁氧”,是一種白色無定形粉狀物[4].是難溶于水的白色固體,無臭無味,質(zhì)極硬.易吸潮而不潮解.兩性氧化物,能溶于無機酸和堿性溶液中,幾乎不溶于水及非極性有機溶劑.熔點約為2 000℃.

氧化鋁是將鋁礬土原料經(jīng)過化學處理,除去硅、鐵、鈦等氧化物而制得,是純度很高的氧化鋁原料,Al2O3含量一般在99%以上.礦相是由40%～76%的γ-Al2O3和24%～60%的α-Al2O3組成.γ-Al2O3于950～1 200℃可轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3(剛玉),同時發(fā)生顯著的體積收縮[5].

2.3 鍍膜實驗的條件及厚度

實驗參數(shù)：氣壓30 Pa,極間距15 mm,源極電壓為650 V,其電流為0.5 A,工件極電壓為450 V,其電流為0.5 A,濺射時間為2 h,等離子氧化時間為2 h,表面鍍膜厚度為7～8μm.

3 鍍膜前后車刀硬度檢測結(jié)果與分析

3.1 顯微硬度儀

顯微硬度儀的主要技術(shù)性能指標如下：

型號：HXD- 1000TMC

切換：With Motorized Turret

試驗力：9.807,4.903,2.942,1.961,0.9807,0.4903,0.2452,0.0981 N(1000,500,300,200,100,50,25,10gf)

保荷時間：5～60 sec selectable

測量范圍：5～3 000 HV

最小單位：0.025μm

圖1為HXD- 1000 TMC顯微硬度計的實體照片,根據(jù)實際設備的使用來得出檢測結(jié)果.

圖1 HXD- 1000TMC顯微硬度計Fig.1 HXD-1000TMC microhardness

3.2 硬度儀設置

主要測量項目為測量宏觀硬度和顯微硬度,觀察和拍攝材料的顯微組織[6].選擇菜單項工具/設置試驗參數(shù),打開“設置試驗參數(shù)”對話框,如圖2所示.

圖2 設置試驗參數(shù)Fig.2 Setting experimental parameters

設置的試驗參數(shù),如試驗力,保荷時間,物鏡放大倍數(shù)和試樣表面形狀等都顯示在屏幕的右上部分.可以輸入或改變試驗力,保荷時間,物鏡放大倍數(shù)等試驗參數(shù).默認的試樣表面形狀是平面的.如果試樣表面形狀是曲面的,可以選中試樣表面的類型(球面的或圓柱面的,凸的或凹的),然后輸入球面或圓柱面的直徑.這樣,硬度值就會自動得到修正[7].

1)在圓柱形情況時,45表示壓痕對角線和圓柱軸線形成45°角;而0表示壓痕對角線和圓柱軸線(母線)平行,即成0°角.

2)在對話框中設置或修正試驗參數(shù)后,單擊“應用”,本次設置或修改生效.該設置將被記憶,直到再次設置或修改.

3)單擊“確定”將關(guān)閉對話窗口,單擊“應用”將不關(guān)閉對話窗口.

3.3 硬度值檢測

通過對比YT15刀具鍍膜前后表面硬度測量圖(如圖3和圖4所示),不難發(fā)現(xiàn)鍍膜后YT15刀具的表面質(zhì)地更加緊密,從而大大提高了刀具表面的硬度值.

圖3 鍍膜前硬度測量Fig.3 Hardness measurement before coating

圖4 鍍膜后硬度測量Fig.4 Hardness measurement after coating

YT15車刀在沒有鍍膜前,通過HXD-1000TMC顯微硬度計對刀具表面采樣5個隨機點進行硬度檢查,數(shù)據(jù)見表1,YT15車刀在沒有鍍膜前,表面硬度約為250 HV;而同樣的YT15車刀采用濺射鍍膜法鍍膜后,表面硬度提升至2 850 HV左右,可見鍍膜后YT15車刀表面的硬度約是鍍膜前的10倍,由此得出鍍膜后YT15車刀片硬度明顯高于鍍膜前的硬度,從而有效的提高刀具切削使用壽命,使刀具獲得優(yōu)良的綜合機械性能,大幅度地提高機械加工效率并降低生產(chǎn)成本.

表1 鍍膜前后硬度表Tab.1 Hardness before and after coating

4 數(shù)控加工

1)本次采用有鍍膜的YT15車刀和沒有經(jīng)過鍍膜的YT15車刀加工零件毛坯為Φ20 mm的圓鋼,長度為100 mm.現(xiàn)要求加工成直徑為Φ10 mm,長度為90 mm的光軸.本次試切實驗以FANUC系統(tǒng)的CAK6140數(shù)控車床為加工設備.

2)數(shù)控車床編程.主要程序如下：

O5000

N10 T0101 M03 S500 F0.2

N20 G00 X22 Z5

N30 G71 U1 R2

N40 G71 P50 Q100 U0.5 W0 F0.1

N50 G00 X8

N60 G01 Z0

N70 X10 Z-1

N80 Z-90

N90 G00 X22

N100 Z5

N110 S1000 M03

N120 G70 P50 Q100 U0.5 W0 F0.1

N130 G00 X150 Z150

N140 M5

N150 M30

5 試切檢測

通過對比圖5和圖6可知(圖中下邊光軸均為鍍膜后YT15刀片切屑),在相同的切削參數(shù)和工藝情況下,鐵棒分別使用有鍍膜的YT15刀片和沒有鍍膜的YT15刀片切削加工,在經(jīng)過長時間不間斷加工45號鋼材料的檢驗中,可以看出,加工初期鍍膜前和鍍膜后產(chǎn)品加工無明顯不同,證明鍍膜不影響加工質(zhì)量.而在大量產(chǎn)品加工后,鍍膜后刀具加工的產(chǎn)品表面質(zhì)量明顯好于未鍍膜YT15刀片加工的產(chǎn)品,說明鍍膜后的YT15車刀片更耐磨,延長了刀具切削使用壽命,使刀具獲得優(yōu)良的綜合機械性能,大幅度地提高了機械加工效率.

圖5 第十根鋁棒表面Fig.5 Surface of 10th aluminum bar

圖6 第四十根鋁棒表面Fig.6 Surface of 40th aluminum bar

6 結(jié)論

從鍍膜前后的試切加工效果可以看出,YT15車刀鍍氧化鋁膜后刀具表面硬度大大提高了,硬度的提升改善了YT15刀具切削使用壽命,使刀具獲得優(yōu)良的綜合機械性能,大幅度地提高機械加工效率.該方法的應用推廣能有效地提高生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本,具有良好的市場前景.

[1] 李洪林,李波,胡恒寧,等.刀具涂層技術(shù)的最新發(fā)展狀況[J].工具技術(shù),2010(4)：3- 5.

[2] 王增福.實用鍍膜技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008：101- 120.

[3] 席洪波,蔡安江.基于模糊綜合評判的數(shù)控刀具材料優(yōu)選[J].制造技術(shù)與機床,2008(09)：112- 114.

[4] 顧淑華,耿謙,王曉清.新型數(shù)控刀具材料的創(chuàng)新設計對提高企業(yè)效益的影響[J].商場現(xiàn)代化,2009(10)：99-100.

[5] 周秦源,高宏旺,盧端敏,等.適應高速切削的數(shù)控刀具材料[J].新技術(shù)新工藝,2009(6)：116- 117.

[6] 王棟,韓變枝.數(shù)控機床刀具技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].機械科學與技術(shù),2003(S2)：180- 182.

[7] 王建勛,周青云.數(shù)控機床刀具和刀具材料的發(fā)展動向[J].機械設計與制造,2005(4)：117- 119.

On improving performance of YT15 turning insert based on coating method and cutting analysis

XU Min
(School of Mechatronic Engineering Technology,Xuzhou College of Industrial Technology,Xuzhou,Jiangsu 221140,China)

In order to improve the service life of the cutting tool effectively,give cutting tool excellent comprehensive mechanical behavior and improve machining efficiency substantially,this paper analyzes the surface hardness and cutting performance of cutting tools before and after coating through sputter coating on YT15 turning insert.Results show that cutting performance and service life of YT15 turning insert after surface treatment improve exponentially and extension of this technology can improve productive efficiency and reduce cost of production effectively.

YT15 tool;hardness;coating;cutting;efficiency

TG 712

A

2095- 3550(2014)03- 0031- 04

2014-03-29

徐敏,男,江西九江人.助理講師.

E- mail：375926248@qq.com

(責任編輯:梁賽平)