雙色涂層硬質(zhì)合金刀片制備工藝試驗(yàn)

■ 株洲華銳精密工具股份有限公司 （湖南株洲 412007） 劉安虎 劉 娟 胡美艷 黃 金 楊 雄

硬質(zhì)合金涂層刀片已是機(jī)加工領(lǐng)域的主流刀具，化學(xué)氣相沉積（CVD）涂層技術(shù)在車削領(lǐng)域有更加廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗梢蕴峁┖穸冗_(dá)25μm的涂層。為了進(jìn)一步提升CVD涂層的切削性能，對(duì)其進(jìn)行涂后處理是一種可靠的方法。據(jù)有關(guān)資料顯示，通過(guò)不同的后處理方法，可以降低CVD涂層的表面粗糙度，改善其應(yīng)力狀態(tài)和熱裂紋狀態(tài)，從而顯著提升其加工壽命。濕噴砂處理是涂后處理中一種常見(jiàn)的、有效的處理方法，Bouzakis等人的研究表明，合適的濕噴砂工藝參數(shù)可以增強(qiáng)PVD涂層的硬度，改善表面質(zhì)量；Zhong等人通過(guò)毛刷光整、拋光及濕噴砂等不同涂后處理方法對(duì)CVD涂層進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)濕噴砂+拋光的產(chǎn)品具有更出色的加工性能；Liu等人通過(guò)試驗(yàn)表明對(duì)CVD涂層進(jìn)行濕噴砂處理，可以顯著降低表面粗糙度，提高抗磨損能力。

雙色涂層刀片是市場(chǎng)上常見(jiàn)的CVD涂后處理產(chǎn)品，其后刀面的黃色作為加工時(shí)的磨損辨識(shí)色，前刀面則是經(jīng)過(guò)涂后處理將其表層TiN去除得到的?，F(xiàn)有資料都是針對(duì)涂后處理的試驗(yàn)研究，還未發(fā)現(xiàn)相關(guān)批量生產(chǎn)的工藝研究文獻(xiàn)，因此，本文要尋找一種可以批量生產(chǎn)此類產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，并且生產(chǎn)出的產(chǎn)品符合現(xiàn)有涂層工藝標(biāo)準(zhǔn)。

相關(guān)文獻(xiàn)顯示，濕噴砂工藝中的空氣壓力、磨料砂粒的大小和砂漿壓力等對(duì)涂后處理的效果影響最為顯著，因此本文結(jié)合特定濕噴砂設(shè)備開展試驗(yàn)研究，以找出合適的工藝參數(shù)，達(dá)到所需的產(chǎn)品要求。

1. 試驗(yàn)條件及方法

（1）試驗(yàn)條件 本文的試驗(yàn)對(duì)象是株洲華銳精密工具股份有限公司生產(chǎn)的WS8125牌號(hào)產(chǎn)品，其涂層結(jié)構(gòu)為TiN-Al2O3-TiCNTiN多層復(fù)合涂層（見(jiàn)圖1）。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)涂層試樣

本試驗(yàn)選用的噴砂設(shè)備是東莞市叁益機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的半自動(dòng)型液體噴砂機(jī)，型號(hào)為SY-WF-4W，該機(jī)工作原理是利用壓縮空氣在噴槍內(nèi)高速流動(dòng)產(chǎn)生的負(fù)壓引射作用，將砂水混合磨料（噴砂介質(zhì)）通過(guò)噴砂管引入噴槍，隨氣流高速噴射到工件表面，實(shí)現(xiàn)加工要求。該機(jī)配備一套共4支專用噴砂槍管，采用西門子觸摸面板，工藝參數(shù)可調(diào)可控，操作方便，可滿足80～500目氧化鋁、工業(yè)玻璃微珠的使用。

（2）試驗(yàn)方法 砂粒大小、壓縮空氣的壓力、砂漿濃度及砂泵頻率等參數(shù)是此次試驗(yàn)設(shè)備（濕噴設(shè)備SY-WF-4W）的主要基礎(chǔ)工藝參數(shù)，在正常的生產(chǎn)加工中，為了保證工藝的穩(wěn)定性，這幾個(gè)工藝參數(shù)一般固定不變，因此研究這幾個(gè)參數(shù)對(duì)加工效果的影響就顯得尤為重要。本試驗(yàn)將采用單因素試驗(yàn)法，通過(guò)改變砂粒規(guī)格、氣壓、砂泵頻率及砂漿濃度等參數(shù)來(lái)分析其對(duì)工藝指標(biāo)的影響，從而確定相對(duì)可靠的工藝參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)采用的產(chǎn)品是同一生產(chǎn)批次的產(chǎn)品，以便于保持統(tǒng)一的工藝指標(biāo)，成品樣品如圖2所示。

圖2 雙色CVD涂層刀片樣品

（3）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 由于本試驗(yàn)是將涂層產(chǎn)品前刀面的TiN去除，露出內(nèi)部的Al2O3，但保留周邊黃色涂層，因此本試驗(yàn)的工藝指標(biāo)有三條，其一，產(chǎn)品處理后，不能出現(xiàn)涂層剝落以至看到基體，且Al2O3厚度在3.5～4.5μm范圍內(nèi)均認(rèn)為是合格的（同一爐產(chǎn)品，其涂層厚度有波動(dòng)）；其二，以去除產(chǎn)品前刀面金黃色涂層所需的最少噴砂次數(shù)作為統(tǒng)計(jì)的噴砂次數(shù)；其三，考慮到工藝的可操作性和生產(chǎn)效率，噴砂次數(shù)在5～8次是合適的工藝參數(shù)。

表1 不同砂粒大小試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同砂粒大小處理后的金相照片

圖4 不同砂粒大小處理后的表面狀況

2. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）砂粒大小對(duì)工藝指標(biāo)的影響 砂粒大小是指噴砂機(jī)工作磨料的大小，它顯著影響涂層產(chǎn)品的表面粗糙度、去除效率、表面硬度及殘余應(yīng)力等。根據(jù)行業(yè)內(nèi)工藝要求，常選用兩種規(guī)格的砂粒直徑，即220目和400目，其中220目經(jīng)常用于刃口處理，400目經(jīng)常用于表面處理。本試驗(yàn)的砂粒選擇220目和400目?jī)煞N規(guī)格，壓縮空氣氣壓為0.35MPa，砂漿濃度為18%，砂泵變頻為35Hz，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在其他工藝條件相同的條件下，1#樣品加工7次、2#樣品加工5次均可以保證處理后的產(chǎn)品Al2O3厚度符合規(guī)定的工藝標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖3）；但2#樣品刃口出現(xiàn)點(diǎn)狀剝落和龜裂，而1#樣品沒(méi)有（見(jiàn)圖4）。結(jié)果表明，220目砂子比400目砂子的去除能力更強(qiáng)，即加工效率更高，但是220目砂子易造成涂層的點(diǎn)狀剝落而導(dǎo)致產(chǎn)品不符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，400目的砂粒相對(duì)于220目的砂粒更適合本試驗(yàn)的雙色涂層后處理。

（2）壓縮空氣的氣壓對(duì)工藝指標(biāo)的影響 壓縮空氣的氣壓影響噴槍中砂粒的噴出量和噴出速度，是影響噴砂機(jī)效率的另一個(gè)關(guān)鍵因素。為了驗(yàn)證氣壓對(duì)此工藝的影響，本試驗(yàn)選取0.20MPa、0.35MPa和0.50MPa的氣壓作為變量，400目的砂粒大小、18%的砂漿濃度和35Hz的砂泵變頻為固定量，分別對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

結(jié)果表明，在其他工藝條件相同的條件下，3#、4#和5#樣品的Al2O3厚度均符合規(guī)定的工藝標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖5）；噴砂次數(shù)隨著氣壓的增大而減少。通過(guò)理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方式得出射流壓力是影響材料去除率最顯著的工藝參數(shù)，去除率會(huì)隨著射流壓力的增加而升高，本文試驗(yàn)結(jié)果與其分析和試驗(yàn)結(jié)果相一致。但是，3#樣品和5#樣品的噴砂次數(shù)不是過(guò)大就是過(guò)小，明顯不符合本試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)；而4#樣品完全滿足本試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)本試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)可以知道，在400目的砂粒大小、18%的砂漿濃度和35Hz的砂泵變頻前提下，0.35MPa左右的壓縮空氣氣壓是一個(gè)相對(duì)比較好的工藝參數(shù)。觀點(diǎn)，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著磨料流量（與本文的料漿壓力一個(gè)概念）的增大，其去除率會(huì)隨之升高，但磨料流量達(dá)到一定值時(shí)，磨料流量的增大會(huì)使單個(gè)磨料粒子獲得的動(dòng)能減少，從而影響其去除率。根據(jù)本試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)可知，6#樣品和7#樣品均滿足試驗(yàn)要求，考慮到6次噴砂次數(shù)更加符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在400目砂粒大小、18%的砂漿濃度和0.35MPa的壓縮空氣壓力的前提下，35Hz的砂泵頻率是

圖5 不同氣壓處理后的金相照片

圖6 不同砂泵頻率處理后的金相照片

表2 不同氣壓的試驗(yàn)結(jié)果

表3 不同砂泵頻率的試驗(yàn)結(jié)果

（3）砂泵頻率對(duì)工藝指標(biāo)的影響 砂泵頻率主要影響砂漿的輸送能力和料漿倉(cāng)中砂漿的均勻度。根據(jù)設(shè)備說(shuō)明書可知，在設(shè)備正常工作狀態(tài)下，砂泵頻率（本試驗(yàn)設(shè)備砂泵頻率范圍為0～50Hz）主要影響砂漿的壓力，且呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。本試驗(yàn)選取25Hz、35Hz和45Hz的頻率作為變量，400目的砂粒大小、18%的砂漿濃度和0.35MPa的壓縮空氣壓力為固定量，分別對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

結(jié)果表明，在其他工藝條件相同的條件下，6#、7#和8#樣品的Al2O3厚度均符合規(guī)定的工藝標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖6）；6#樣品和7#樣品的噴砂次數(shù)差異不大，而8#樣品的噴砂次數(shù)顯著增大。這說(shuō)明在其他工藝條件不變的前提下，砂泵頻率增加到一定程度會(huì)顯著地增加噴砂次數(shù)，但是在砂漿壓力一定的范圍內(nèi)，其材料去除率波動(dòng)很小，相對(duì)比較穩(wěn)定。通過(guò)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證也證實(shí)了同樣的一個(gè)相對(duì)比較好的工藝參數(shù)。

（4）砂漿濃度對(duì)工藝指標(biāo)的影響 砂漿濃度指噴砂機(jī)中砂漿的水、砂比例?？紤]砂漿濃度的均勻性和攪拌泵的工作安全性，廠家建議砂漿濃度≤25%。因此本試驗(yàn)選取13%、18%和23%的砂漿濃度作為變量，400目的砂粒大小、0.35MPa的壓縮空氣壓力和35Hz的砂泵變頻為固定量，分別對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

結(jié)果表明，在其他工藝條件相同的條件下，9#、10#和11#樣品的Al2O3厚度均符合規(guī)定的工藝標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖7）；噴砂次數(shù)隨著砂漿濃度的增加而增加，但是變動(dòng)很小。這說(shuō)明在其他工藝條件不變的前提下，砂漿濃度在廠家指導(dǎo)的濃度以下時(shí)，砂漿濃度的變化對(duì)噴砂次數(shù)的影響很小，即砂漿濃度的變化對(duì)材料去除率的影響不大。根據(jù)本試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)可知，10#樣品和11#樣品均滿足試驗(yàn)要求，考慮到7次噴砂次數(shù)更加符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在400目的砂粒大小、0.35MPa的壓縮空氣壓力和35Hz的砂泵變頻的前提下，23%的砂漿濃度是一個(gè)相對(duì)比較好的工藝參數(shù)。

圖7 不同砂漿濃度處理后的金相照片

圖8 后刀面磨損情況

表4 不同砂漿濃度的試驗(yàn)結(jié)果

表5 加工條件

表6 雙色涂層和未處理產(chǎn)品的試刀結(jié)果

（5）結(jié)果 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為400目砂粒規(guī)格、0.35MPa氣壓、23%的砂漿濃度和35Hz的砂泵頻率是相對(duì)合適的濕噴砂工藝參數(shù)，并根據(jù)此工藝參數(shù)生產(chǎn)了一批產(chǎn)品進(jìn)行試切驗(yàn)證。

選取株洲華銳生產(chǎn)的WS8125/WNMG080408-MT（雙色）和HR81512/WNMG080408-MT（未處理）作為試驗(yàn)對(duì)象，在湖北襄陽(yáng)某廠進(jìn)行加工性能測(cè)試，加工條件及加工結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

試切結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)雙色處理的產(chǎn)品，在加工110件工件時(shí)，其后刀面磨損值為0.16mm；而未做涂層后處理的產(chǎn)品在加工102件工件時(shí)，其后刀面磨損值已達(dá)到0.24mm。通過(guò)加工后刀片的磨損照片也可以看出，雙色刀片的后刀面磨損比未處理的更加均勻（見(jiàn)圖8）；未處理刀片的前刀面已出現(xiàn)月牙洼磨損，而雙色刀片前刀面相對(duì)完好（見(jiàn)圖9）。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)涂層后處理的雙色產(chǎn)品不但不會(huì)降低產(chǎn)品的使用壽命，還可以提高其加工性能。

圖9 前刀面磨損情況

3. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前面的論述，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）采用濕噴砂處理工藝可以生產(chǎn)出市場(chǎng)中普遍存在的雙色CVD涂層刀片。

2）為了可靠地生產(chǎn)出合格的雙色CVD涂層刀片，400目砂粒規(guī)格、0.35MPa氣壓、23%的砂漿濃度和35Hz的砂泵頻率是相對(duì)合理的濕噴砂工藝參數(shù)。

3）由合理的濕噴砂工藝參數(shù)生產(chǎn)出的雙色CVD涂層刀片可以改善前、后刀面的磨損狀況，提高其切削性能。