超精細拋光處理對硬質(zhì)合金銑刀耐磨性能的影響

史建猛，董衛(wèi)萍，成書民，關(guān)艷英，劉 珍，王俊斌，史海蘭，劉道新

(1.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué)民航學(xué)院，西安 710072)

0 引 言

刀具是金屬切削加工的關(guān)鍵工具，其質(zhì)量和壽命不僅影響著生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的制造成本，而且還影響著產(chǎn)品的表面質(zhì)量和服役性能[1-3]。特別是隨著航空工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，鈦合金、高強度鋼等難加工材料的用量越來越大，由此對刀具質(zhì)量的要求也愈來愈高[4-5]。刀具表面完整性是影響刀具壽命和加工產(chǎn)品表面質(zhì)量的重要因素。目前的商品刀具及表面涂層通常表面粗糙度較大，不利于刀具的使用壽命和加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量[6-8]。為此，采用先進的刀具加工技術(shù)以改善刀具的表面完整性，成為刀具制造領(lǐng)域的一個重要命題。超精細拋光處理技術(shù)(簡稱MST技術(shù))是近年來發(fā)展起來的一種新型表面處理技術(shù)[9]，針對不同金屬材料,采用特定的電解質(zhì)溶液和金剛石磨料,在超聲振動作用下通過物理、化學(xué)與機械的協(xié)同作用對金屬制品表面進行精細拋光處理，從而降低表面粗糙度。MST技術(shù)在改善刀具表面完整性方面展示出了突出的優(yōu)勢[10-12]。

切削刀具通常采用先進陶瓷涂層進行表面保護，以提高其使用壽命[13-14]。MST技術(shù)專利持有者指出，在切削刀具表面未制備陶瓷涂層或者制備陶瓷涂層后進行超精細拋光處理，均能夠有效提高刀具在加工一般鋼鐵材料時的耐久性能[15-16]。對于用于加工航空裝備用鈦合金和高強度鋼等難加工材料零部件的刀具，在其表面涂層前后進行超精細拋光處理，是否同樣能夠有效提高其服役性能則有待研究。為此，作者以硬質(zhì)合金銑刀為研究對象，以航空用TC4鈦合金和30CrMnSiA高強度鋼零件為加工對象，研究了在離子鍍TiAlN陶瓷涂層前后進行超精細拋光處理對硬質(zhì)合金銑刀表面質(zhì)量和耐磨性能的影響，擬為MST技術(shù)在提高航空產(chǎn)品加工用刀具耐久性能及產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗所用刀具為同種材料硬質(zhì)合金銑刀，型號分別為D16R3和XF200，刀具表面均采用電弧離子鍍技術(shù)制備了TiAlN陶瓷涂層[17]，涂層厚度約為3 mm。各取8把硬質(zhì)合金銑刀，其中4把不進行拋光處理(即未進行拋光只沉積涂層)，簡稱原刀；另4把進行超精細拋光處理(即涂層+拋光)，簡稱MST刀。D16R3銑刀的超精細拋光處理在表面離子鍍陶瓷涂層后進行，而XF200銑刀則先進行超精細拋光處理，再在表面制備陶瓷涂層。

加工工件材料分別為退火態(tài)Ti6Al4V鈦合金和調(diào)質(zhì)態(tài)30CrMnSiA高強度鋼，鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%，下同)為6.7Al，4.2V，0.1Fe，0.03C，0.015N，0.14O，0.03H，余Ti；高強度鋼的化學(xué)成分為0.285C，0.95Mn，0.920Cr，1.125Si，0.013P，0.010S。兩種工件材料的拉伸性能見表1。

表1 Ti6Al4V鈦合金和30CrMnSiA鋼的拉伸性能Table 1 Tensile properties of Ti6Al4V titanium alloy and 30CrMnSiA steel

采用TR300型劃痕儀對刀具進行劃痕試驗，試驗載荷分別為130 N和150 N，保載時間15 s。根據(jù)聲發(fā)射信號出現(xiàn)的頻率及強度來分析超精細拋光處理對涂層結(jié)合強度的影響。

分別使用D16R3銑刀加工Ti6Al4V鈦合金，XF200銑刀加工30CrMnSiA高強度鋼，均加工成同規(guī)格零件，銑削加工時的轉(zhuǎn)速n為3 200 r·min-1，進給量F為1 200 mm·min-1，切削深度ap為0.5 mm，切削寬度ae為2.0 mm。原刀和超精細拋光處理刀具加工的零件數(shù)量相同。

刀具表面的磨損量是衡量刀具性能優(yōu)劣的一個重要參量[18-20]。由于刀具的嚴(yán)重磨損通常發(fā)生在后刀面上，并且后刀面的測量也比較方便[21]，因此國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定以1/2背吃刀量處后刀面上測定的磨損帶寬度VB作為刀具的磨損量[22]。采用Alicona型刀具測量儀測量后刀面磨損帶最大寬度VBmax，即最大磨損量，該測量儀配備Leica DMLM/ 11888605型顯微鏡和DFC320型攝像鏡頭，測量采集系統(tǒng)為Leica Qwin Plus V3.2.1，測量放大倍數(shù)為50～500倍。

采用OLYMPUS IX81型激光共聚焦顯微鏡測量系統(tǒng)對加工零件前后的刀具進行表面粗糙度Ra的測定，均各測試5次取平均值。由于銑刀在加工零件過程中，其側(cè)刀面與前刀面，以及靠近刀尖處與遠離刀尖處的磨損環(huán)境相差較大，故每把刀隨機選擇一個刃的4個部位(側(cè)刀面與前刀面靠近刀尖和遠離刀尖位置)進行測試。采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對刀具表面磨損微觀形貌進行分析，并利用其所配能譜儀(EDS)測定刀具表面微區(qū)成分，以分析刀具的磨損機理。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 涂層結(jié)合強度

在劃痕過程中，聲發(fā)射信號的出現(xiàn)意味著涂層發(fā)生脫落破壞。由圖1可以看出：在130 N載荷下，XF200原刀(未經(jīng)MST)在表面劃痕過程中始終無聲發(fā)射信號出現(xiàn)，而當(dāng)載荷增至150 N后則出現(xiàn)個別脈沖信號，說明150 N載荷下涂層開始出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；XF200原刀表面涂層的破壞載荷(與結(jié)合強度成正比)約為150 N。無論是在130 N載荷還是在150 N載荷下，先進行MST再制備涂層的XF200銑刀(XF200 MST刀)在表面劃痕過程中均多次出現(xiàn)脈沖聲發(fā)射信號，150 N載荷下的聲發(fā)射信號更為頻繁，涂層脫落破壞現(xiàn)象更為嚴(yán)重；XF200 MST刀的破壞載荷低于130 N。

圖1 不同恒載荷下XF200原刀及MST刀的聲發(fā)射信號譜Fig.1 Acoustic emission signal spectra of XF200 original cutter and MST cutter under different constant loads

電弧離子鍍TiAlN涂層與硬質(zhì)合金刀具表面的結(jié)合以機械鎖合和準(zhǔn)冶金結(jié)合為主[23-24]，適當(dāng)?shù)谋砻嫖⒂^粗糙化，有利于涂層與刀具發(fā)生凸凹表面機械鎖合，進而獲得較高的結(jié)合強度。然而，在制備涂層前先對刀具進行超精細拋光處理，會導(dǎo)致刀具表面過于光滑，從而降低涂層的結(jié)合強度。

由圖2可以看出：在150 N載荷下，D16R3原刀及其MST刀(制備涂層后進行MST)在表面劃痕過程中始終無聲發(fā)射信號出現(xiàn)，表明涂層未發(fā)生脫落破壞，破壞載荷均大于150 N。這是因為D16R3刀具的超精細拋光處理在表面制備涂層后進行，不會改變刀具表面TiAlN涂層的結(jié)合強度。

圖2 150 N恒載荷下D16R3原刀及MST刀的聲發(fā)射信號譜Fig.2 Acoustic emission signal spectra of D16R3 original cutter and MST cutter under 150 N constant load

2.2 表面粗糙度

由表2可以看出，MST刀前刀面和側(cè)刀面的表面粗糙度Ra均小于對應(yīng)原刀，說明無論是在制備涂層前還是在制備涂層后進行超精細拋光處理，均能有效降低硬質(zhì)合金刀具的表面粗糙度，但制備涂層后進行超精細拋光處理的表面粗糙度相對更小。較小的表面粗糙度既能減輕刀具加工零件時的切削阻力，降低溫升，從而提高刀具的耐磨性能，同時也有利于改善加工零部件表面的完整性。

表2 兩種硬質(zhì)合金銑刀前刀面和側(cè)刀面的表面粗糙度Table 2 Surface roughness of rake face and side blade of two cemented carbide milling cutters μm

由表3可以看出：D16R3 MST刀4個部位的表面粗糙度均小于其原刀，這說明其磨損程度較原刀要輕微。由前文可知，制備涂層后進行超精細拋光處理不會影響涂層的結(jié)合強度，但會顯著降低表面粗糙度，而較小的表面粗糙度有利于耐磨性能的提高。因此，切削加工后D16R3 MST刀表面仍然保持了較低的表面粗糙度。XF200銑刀在切削加工后，其MST刀4個部位的表面粗糙度均大于其原刀，即MST刀的磨損嚴(yán)重程度更大。雖然XF200 MST刀的表面粗糙度低于原刀，但是在制備涂層前進行超精細拋光處理降低了涂層的結(jié)合強度，導(dǎo)致在切削加工過程中涂層易發(fā)生脫落失效而使得刀具的耐磨性能劣化。

表3 切削加工后兩種硬質(zhì)合金銑刀側(cè)刀面和前刀面不同位置的表面粗糙度Table 3 Surface roughness at different positions of rake face and side blade of two carbide milling cutters after machining μm

2.3 磨損量

由表4可以看出：加工Ti6Al4V鈦合金后，D16R3 MST刀的最大磨損量小于未經(jīng)超精細拋光處理的原刀，平均最大磨損量相比于原刀降低約44.6%，耐磨性能相比于原刀得到顯著提升；加工30CrMnSiA高強度鋼后，XF200 MST刀的最大磨損量高于未經(jīng)超精細拋光處理的原刀，平均最大磨損量相比于原刀提高約109.8%，耐磨性能相比于原刀顯著降低。

表4 切削加工后兩種硬質(zhì)合金刀具的最大磨損量Table 4 Maximum wear loss of two cemented carbide milling cutters after machining μm

對比可知，超精細拋光處理安排的工藝環(huán)節(jié)不同，對刀具耐磨性能的影響亦不同：在刀具表面電弧離子鍍TiAlN陶瓷涂層之后進行超精細拋光處理，可以提高刀具的耐磨性能；而將超精細拋光處理安排在刀具表面電弧離子鍍TiAlN陶瓷涂層之前，則會顯著降低刀具的耐磨性能。造成這種現(xiàn)象的主要原因與超精細拋光處理對刀具涂層結(jié)合強度及表面粗糙度影響的差異有關(guān)。先制備涂層再進行超精細拋光處理對涂層結(jié)合強度無影響，并且能降低刀具的表面粗糙度，使得切削加工時的阻力下降，因此耐磨性能提高；先進行超精細拋光處理再制備涂層時，涂層的結(jié)合強度下降，在切削加工過程中刀具表面的涂層易發(fā)生脫落失效，涂層對刀具基體的保護效果降低，導(dǎo)致刀具基體直接與加工工件和切屑接觸，故刀具磨損程度增大。

2.4 表面磨損形貌及微區(qū)成分

由圖3和表5可以看出：D16R3原刀及MST刀未參與加工(未受磨損)的區(qū)域(譜圖1)主要含有鈦、鋁、氮元素，這是TiAlN陶瓷涂層的成分；參與加工的區(qū)域(譜圖2)均檢測到了被加工材料鈦合金的主要組成元素鈦、鋁和硬質(zhì)合金刀具所含元素鎢、碳和鈷，同時還有氧元素，但無氮元素，表明該區(qū)域TiAlN涂層發(fā)生破壞和脫落，被加工材料鈦合金向刀具轉(zhuǎn)移，同時刀具表面發(fā)生氧化，說明刀具加工鈦合金時發(fā)生了黏著磨損和氧化磨損；D16R3 MST刀加工區(qū)的鈦、鋁和氧含量明顯小于原刀，表明制備涂層后進行超精細拋光處理能抑制刀具表面的黏著磨損和氧化磨損。

表5 切削加工后D16R3原刀和MST刀刀尖區(qū)域EDS分析結(jié)果Table 5 EDS analysis results in tool nose zone of D16R3 original cutter and MST cutter after machining %

圖3 切削加工后D16R3原刀及MST刀刀尖區(qū)域SEM形貌Fig.3 SEM morphology of tool nose zone of D16R3 original cutter (a) and MST cutter (b) after machining

由圖4和表6可以看出：XF200原刀及MST刀未加工區(qū)(譜圖1)均主要為TiAlN陶瓷涂層的成分，同時還存在碳和氧元素，這可能是污染所致；XF200原刀加工區(qū)出現(xiàn)部分(譜圖3)或全部(譜圖2)涂層破壞現(xiàn)象，加工區(qū)存在被加工材料30CrMnSiA鋼的元素和刀具基體硬質(zhì)合金的元素鎢、碳、鈷，以及氧元素，表明刀具可能發(fā)生了黏著磨損和氧化磨損。XF200 MST刀的磨損嚴(yán)重區(qū)域出現(xiàn)涂層破壞現(xiàn)象，涂層破壞程度明顯比原刀大，并且在其磨損嚴(yán)重區(qū)域，被加工材料30CrMnSiA鋼所含元素的含量也明顯比原刀高，由此表明XF200 MST刀的磨損程度比原刀嚴(yán)重，這與前面刀具磨損定量測試結(jié)果是一致的。

圖4 切削加工后XF200原刀及MST刀刀尖區(qū)域SEM形貌Fig.4 SEM morphology of tool nose zone of of XF200 original cutter (a) and MST cutter (b) after machining

表6 切削加工后XF200原刀和MST刀刀尖區(qū)域EDS分析結(jié)果Table 6 EDS analysis results in tool nose zone of XF200 original cutter and MST cutter after machining %

綜上所述，將超精細拋光處理技術(shù)合理應(yīng)用于改善刀具表面完整性，能夠達到有效提高刀具耐磨性能，進而提高刀具使用壽命和改善加工產(chǎn)品表面質(zhì)量的目的，即超精細拋光處理工序必須安排在刀具表面制備涂層工藝之后，以達到去除電弧離子鍍陶瓷涂層表面微凸體缺陷、降低表面粗糙度的目的[24-26]，從而減小切削阻力，提高刀具的耐久性能。不宜在制備涂層之前對刀具實施超精細拋光處理工序，這樣會造成刀具表面陶瓷涂層與刀具基體結(jié)合強度的下降，進而損害涂層對刀具的保護作用。

3 結(jié) 論

(1) 在D16R3硬質(zhì)合金銑刀離子鍍TiAlN涂層后進行超精細拋光處理(MST)，不會影響涂層的結(jié)合強度，但可以明顯降低銑刀表面粗糙度；在銑削加工Ti6Al4V鈦合金后，該MST刀的后刀面最大磨損量比未進行超精細拋光處理的原刀降低約44.6%，耐磨性能顯著提升。

(2) 對XF200硬質(zhì)合金銑刀先進行超精細拋光處理再離子鍍TiAlN涂層，會同時降低銑刀的表面粗糙度和涂層的結(jié)合強度；在銑削加工30CrMnSiA高強度鋼后，該MST刀后刀面最大磨損量比未經(jīng)超精細拋光處理的原刀增大了109.8%，耐磨性能顯著下降。

(3) 超精細拋光處理對硬質(zhì)合金刀具耐磨性能的影響與其工藝順序有關(guān)，在制備涂層后進行超精細拋光處理能夠有效提高刀具的耐磨性能，原因在于超精細拋光處理降低了刀具的表面粗糙度，從而減小了切削阻力；制備涂層前進行超精細拋光處理導(dǎo)致耐磨性能下降，歸因于涂層結(jié)合強度的下降。