DLC涂層銑刀的切削性能與耐磨性試驗(yàn)研究

鄭森偉 孫德紅

(閩南理工學(xué)院 光電與機(jī)電工程學(xué)院， 福建 泉州 362700)

鋁合金材料質(zhì)量輕而耐用，是減輕機(jī)械零件重量和實(shí)行精密加工的合適材料。在多數(shù)鋁合金零件精密加工過程中都需要用到一些加工油，而其液體廢棄物容易導(dǎo)致環(huán)境污染問題。類金剛石(DLC)涂層膜的摩擦系數(shù)低，接近于0.01[1]。目前已經(jīng)開發(fā)了多種DLC涂層刀具，有許多文獻(xiàn)介紹了帶有DLC涂層的刀具特性，但對銑刀特別是立式銑刀有關(guān)性能的研究文獻(xiàn)還很少。有的研究[2]分析了DLC涂層刀具在鋁合金干切削中的切削性能，但其切削試驗(yàn)是在大切削深度5 mm下進(jìn)行的。從工業(yè)應(yīng)用的角度看，對于DLC涂層刀具的磨損和壽命問題還需要進(jìn)行更深入的研究。

本次研究，將通過干式切削加工鋁合金板材試驗(yàn)，檢測分析DLC涂層銑刀在不同工況下的加工特性和刀具磨損情況。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料與試驗(yàn)條件

工件材料為A2017-T351鋁合金板，其厚度為10 mm，屈服強(qiáng)度為195 MPa，抗拉強(qiáng)度為355 MPa，楊氏模量為69 GPa。分別采用上切和下切的切削方式，干式切削加工鋁合金板。銑刀涂層為DLC涂層膜，刀具材料為高速鋼基體，槽數(shù)為2個，外徑為20 mm，葉片軸向長度分別為40、38 mm，前角分別為10°和12°，間隙角分別為18°和16°。主要以工況4來檢測刀具壽命，其切割距離較長，為100 m。無DLC涂層的刀具，選用具有相同外徑的商用立式銑刀(見表1)。

1.2 試驗(yàn)裝置與參數(shù)測量

刀具坐標(biāo)系如圖1所示，Y軸方向?yàn)檫M(jìn)給方向，X軸方向?yàn)榍邢髁Ψ较?，Z軸方向?yàn)榍邢髁Ψㄏ?。采用三分量測力計(jì)Kistel9255B測量切削力，通過光學(xué)顯微鏡、數(shù)碼相機(jī)和XY進(jìn)給設(shè)備對刀具側(cè)面(齒面)磨損寬度進(jìn)行測量[3]。

在合金板加工表面，沿3條不同高度的線測量加工誤差。加工誤差Ec與其他相關(guān)指標(biāo)之間的關(guān)系如式(1)所示。

Ec=Rz1-Rz2-Rg

(1)

式中：Rz1是從參考槽底部到加工表面的距離；Rz2是合金板加工表面的粗糙度；Rg是參考槽的半徑，Rg=0.20 mm。對Rz1和Rz2，采用表面粗糙度儀和表面輪廓儀進(jìn)行測量[4]。

表1 銑刀規(guī)格及切削加工模式

圖1 刀具坐標(biāo)系

根據(jù)刀具摩擦理論，摩擦力Ff等于法向力Fn與摩擦系數(shù)μ的乘積。

Ff=μ·Fn

(2)

根據(jù)刀具磨損粘結(jié)理論，兩個表面放在一起時，只有每個表面上少數(shù)的峰點(diǎn)相接觸。如果在兩相接觸的表面上作用一個法向載荷Fn，則在兩相接觸的凹凸不平的峰點(diǎn)上就會出現(xiàn)塑性變形，使實(shí)際接觸面積Ar增大，直到峰點(diǎn)有能力支承所加載荷為止。

Ar=Fnσsc

(3)

式中：σsc為較軟金屬的壓縮屈服強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在給定的加工條件下，DLC涂層銑刀和非涂層銑刀在除工況4以外的4種工況下產(chǎn)生的切削力，如圖2所示。

圖2 加工短距離時的切削力

加工距離較短時的加工誤差如圖3所示。在除工況4以外的4種工況下，均可觀察到過切現(xiàn)象。

圖3 加工短距離時的加工誤差

圖4所示，為加工距離較短時的加工表面粗糙度計(jì)算結(jié)果。其中，Ra指在9個位置測量的加工表面粗糙度的算術(shù)平均偏差[5]，即平均表面粗糙度。與無涂層刀具相比，采用DLC涂層刀具加工，形成的表面粗糙度較小。

圖4 加工短距離時的平均表面粗糙度

試驗(yàn)中，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算得出的刀具側(cè)面磨損平均寬度如圖5所示。與無涂層刀具相比，DLC涂層刀具的側(cè)面磨損寬度更小。

圖5 加工短距離時的側(cè)面磨損寬度

在長切削距離的加工狀態(tài)下，采取上切或下切的干式切削模式，其切削力、加工誤差、加工表面粗糙度和刀具側(cè)面磨損寬度如圖6至圖9所示。

圖6 加工長距離時的切削力變化

圖7 加工長距離時的加工誤差

圖8 加工長距離時的平均表面粗糙度

圖9 加工長距離時的側(cè)面磨損寬度

在各種加工條件下，包括上、下切割模式，加工誤差幾乎都是負(fù)的(見圖3、圖7)，說明都存在過切現(xiàn)象。再聯(lián)系側(cè)面磨損的平均寬度(見圖5、圖9)來看，基于低摩擦系數(shù)的DLC涂層刀具顯然具有更好的耐磨性能。

從圖6和圖9可知，加工所產(chǎn)生的切削力和側(cè)面磨損寬度都是隨著切削距離的增加而增加。表面的磨損隨著切削距離的增加而增加，由側(cè)面磨損寬度可以判斷刀具的壽命。當(dāng)?shù)毒咔邢骶嚯x加長，刀具磨損寬度急劇上升，此時刀具的極限加工長度為其壽命。由圖9可準(zhǔn)確得出帶DLC涂層刀具上切和下切的壽命值。從圖8可以看出，平均表面粗糙度的變化并不大，在切削距離達(dá)到一定值時，粗糙度幾乎不再變。DCL涂層刀具的壽命是基于切屑距離和DOR劃痕的產(chǎn)生來判斷。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，DCL涂層刀具的壽命能夠滿足實(shí)際的工程需求，一般銑刀的加工距離只有45 m。為了避免發(fā)生在試驗(yàn)中觀察到的顫振，切割的徑向深度應(yīng)小于1.5 mm，或者切割速度應(yīng)快于189 mmin。

3 結(jié) 語

對于A2017鋁合金板干式切削，給定切削速度為63～189 mmin，進(jìn)給量為0.08 mm，分別進(jìn)行了有涂層和無涂層及上切和下切方式的組合試驗(yàn)。結(jié)果表明，DLC涂層刀具在上切中具有相對更好的表現(xiàn)，其在切削速度為157 mmin時，刀具壽命在上切時為80 m的切削距離，側(cè)面磨損平均寬度為102 μm。在0～100 m的切削距離范圍內(nèi)，DLC涂層刀具產(chǎn)生的切削力比無涂層刀具的小。與下切方式相比，DLC涂層刀具采用上切方式時，其在加工精度和切削力方面的表現(xiàn)要相對好一些。