綠色制造涂層刀具制備及切削性能分析與探究

姬清華

（新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

綠色制造涂層刀具制備及切削性能分析與探究

姬清華

（新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

隨著機(jī)械工業(yè)綠色制造和高效切削等要求的提出，刀具切削性能的提高日漸緊迫，特別是孔加工時刀具磨損大、切削溫度高、散熱條件差、切屑排除困難、加工精度低等。基于此，采用磁控濺射鍍膜技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具表面上沉積TiAlN涂層，分析和探究TiAlN涂層刀具在綠色制造過程中的切削性能、刀具磨損等相關(guān)內(nèi)容。

綠色制造；TiAlN涂層刀具；孔加工；切削性能

隨著時代的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得TiAlN涂層作為一種新型材料逐漸誕生，并在實(shí)際的生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著重要的作用。相關(guān)的實(shí)踐顯示，TiAlN涂層刀具在實(shí)際的運(yùn)用過程中要比一般的硬質(zhì)合金具有更優(yōu)秀的切削性能。在綠色制造成為主流的今天，TiAlN涂層刀具以其優(yōu)異性能已在航空航天、汽車、模具等行業(yè)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

1 刀具表面涂層技術(shù)

由于TiAlN涂層刀具具有優(yōu)越的切削性能，通過應(yīng)用和普及可以產(chǎn)生節(jié)約資源、提高效率、降低成本、改善產(chǎn)品質(zhì)量等多重效益，因而對于TiAlN涂層技術(shù)的研究及改進(jìn)不斷加強(qiáng)。射頻磁控濺射是物理氣相沉積（PVD）的一種，因其對于任何能做成靶材的待鍍材料，都可以實(shí)現(xiàn)濺射并且所得到的涂層與基底的結(jié)合較好，另外涂層純度高、致密度高、針孔少，涂層薄膜厚度易于控制，濺射工藝重復(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)，故得以廣泛應(yīng)用。

（1）1TiAlN涂層的制備。采用射頻磁控濺射鍍膜機(jī)進(jìn)行制備，步驟：①拋光、超聲波清洗及烘干基體；②濺射鍍膜機(jī)準(zhǔn)備；③抽取真空，真空度4.5*10-4Pa；④充氣，氬氣流量設(shè)置為40sccm；⑤濺射鍍膜，沉積時間80min，溫度為300℃，功率900W；⑥冷卻，整理。

（2）TiAlN涂層的檢測。采用超景深三維顯微系統(tǒng)（VHX-1000）對樣品的三維圖像進(jìn)行觀察、分析。通過掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察、分析涂層的微觀形貌及利用能譜分析儀（EDS）對涂層元素、成分分析。通過NANOVEA微米力學(xué)測試系統(tǒng)及摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行涂層硬度、彈性模量和摩擦系數(shù)的測量。圖1所示為制備的TiAlN涂層SEM形貌圖。通過分析，制備的TiAlN涂層具有較高的硬度、彈性模量和較低的摩擦因數(shù)，如表1所示。

圖1 制備涂層SEM形貌

表1 TiAlN涂層性質(zhì)

2 高速切削試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析和研究綠色制造過程中TiAlN涂層刀

具的切削性能，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，主要利用數(shù)控加工中心、Kistler9257B多分力測力計(jì)、MF-UB3017C工具顯微鏡、φ6的TiAlN涂層硬質(zhì)合金鉆進(jìn)行，在試驗(yàn)的過程中，重點(diǎn)分析刀具的切削力以及刀具磨損狀況。

（1）切削力。針對鉆削加工Cr5Mo1V模具鋼時切削參數(shù)的變化對切削力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，對相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)筆者進(jìn)行了總結(jié)，具體內(nèi)容如表2所示。通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可知：切削速度對切削力的影響最小。不僅如此，切削速度與切削力存在著一定的反比關(guān)系，即隨著切削速度逐漸增加，切削力則會出現(xiàn)下降的趨勢。基于此，為提高加工效率和刀具使用壽命，可通過適當(dāng)增大切削速度從而提高切削進(jìn)給量。

表2 切削力變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）刀具磨損。通過對比具有TiAlN涂層及無涂層硬質(zhì)合金鉆削加工Cr5Mo1V模具鋼進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，采用干切削方式，對刀具的磨損情況進(jìn)行分析，對相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，具體內(nèi)容如表3所示。

表3 刀具切削磨損對比

通過試驗(yàn)分析可以得知，TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未經(jīng)過涂層處理的硬質(zhì)合金刀具的。一般加工條件下，TiAlN涂層刀具的使用壽命約為未經(jīng)過涂層處理刀具的3～5倍。此外，在試驗(yàn)過程中還可以發(fā)現(xiàn)，TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具能有效提高刀具硬度、耐磨性和抗高溫性，降低鉆削時的切削力，從而延緩了TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具磨損，并最終實(shí)現(xiàn)了其使用壽命的延長。

TiAlN涂層刀具主要磨損為磨粒磨損、粘結(jié)磨損。因鉆削加工時產(chǎn)生大量的切削熱，從而使鉆頭溫度升高，加上機(jī)械摩擦作用，使刀具的后刀面和主切削刃外緣處磨損最為嚴(yán)重。

3 結(jié)語

文章主要分析了TiAlN表面涂層技術(shù)，并借助相關(guān)的試驗(yàn)，對綠色制造TiAlN涂層刀具的切削性能以及磨損問題進(jìn)行了相關(guān)的討論。筆者認(rèn)為，隨著新型工藝及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，以及多元化和納米技術(shù)在TiAlN涂層刀具上的研究和應(yīng)用，TiAlN涂層刀具切削性能必然獲得顯著的提升，并在綠色制造技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件，為工業(yè)生產(chǎn)取得良好效益。

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Preparation of Green Manufacturing Coated Tools and Analysis and Research of Cutting Performance

JI Qing-hua
（Mechanical and Electrical Engineering Institute of Xinxiang College，Xinxiang，Henan 453000，China）

With the requirements of green manufacturing and high efficiency cutting of mechanical industry，the improvement of the performance of the cutting tool is urgent，especially when the machining tool is in operation，the wear is large，cutting temperature is high，cooling condition is poor and process precision is low.Based on this,the paper proposes TiAlN coatings should be coated on hard alloy knives by magnetron sputtering deposition technology.It analyzes and explores cutting performance and cutting tool wear of TiAlN coated cutting tool in the process of green manufacturing.

green manufacturing；TiAlN coated tools；hole processing；cutting performance

TG71

A

2095-980X（2016）10-0029-02

2016-09-08

河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃（2013GGJS-221）

姬清華（1976-），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，副教授，主要研究方向：機(jī)械工程及先進(jìn)制造技術(shù)。