納米金剛石涂層刀具高速銑削7075鋁合金的工藝參數(shù)優(yōu)化＊

邵偉平，張 韜

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械技術(shù)學(xué)院, 江蘇 無錫 214121）

7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，其強度高，具有良好的機械性能等，在航空航天、模具加工、機械設(shè)備、工裝夾具中廣泛使用。由于其具有的高強度特性，對其切削加工時刀具易磨損。王立新等[1]選用YBG102氮化鈦鋁納米涂層刀具及干式車削的方式加工7075鋁合金，分析了不同切削參數(shù)對其加工表面形貌的影響規(guī)律；張程焱等[2]在干式條件下對7075鋁合金工件進行正交車削試驗，分析了切削參數(shù)對工件表面完整性的影響規(guī)律；李立軍等[3]使用硬質(zhì)合金刀具銑削7075鋁合金，研究了刀具幾何參數(shù)的變化對工件表面粗糙度的影響；毛璽等[4]使用硬質(zhì)合金刀具及低速切削方式研究了切削參數(shù)對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響；劉啟蒙等[5]使用硬質(zhì)合金刀具對7075鋁合金進行單因素銑槽試驗，研究了已加工表面粗糙度、銑削表層殘余應(yīng)力以及槽底表面質(zhì)量隨切削參數(shù)的變化規(guī)律。由以上研究可看出：針對7075鋁合金切削加工的研究，除少量其他刀具外，大都采用了硬質(zhì)合金刀具。但硬質(zhì)合金刀具在切削7075鋁合金時易磨損，且表面易黏結(jié)積屑瘤[6]，刀具的切削壽命短，影響了其在7075鋁合金切削加工中的應(yīng)用。

化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）納米金剛石涂層刀具，是一種在硬質(zhì)合金成形刀具的基體上，利用 CVD法沉積了一層納米金剛石薄膜涂層的刀具[7]。CVD納米金剛石涂層刀具既具有硬質(zhì)合金刀具的強韌性，又兼具了納米涂層表面平整光滑、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點，使刀具具有較高的硬度、耐磨性以及良好的導(dǎo)熱性，可實現(xiàn)干式切削，非常適合于非鐵系金屬與合金、金屬復(fù)合物材料與硬脆非金屬材料等的高效和高精度加工，在切削加工領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[8-12]。然而現(xiàn)有報道中，少有關(guān)于CVD納米金剛石涂層刀具用于7075鋁合金高速銑削加工的切削參數(shù)分析及研究。因此，制備CVD納米金剛石涂層刀具，用其高速精銑7075鋁合金。通過主軸轉(zhuǎn)速n（或銑削速度vc）、進給速度vf和軸向切削深度ap的單因素銑削試驗，觀察單參數(shù)變化對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響。同時，通過正交試驗系統(tǒng)分析3個工藝參數(shù)對7075鋁合金表面質(zhì)量的影響，并獲得其精銑時的最佳工藝參數(shù)組合。

1 條件和方法

1.1 納米金剛石涂層刀具制備

試驗中刀具基體為直徑6 mm的YG6三刃平底立銑刀，在其表面采用CVD法沉積納米金剛石涂層。沉積前對刀具基體進行超聲清洗5 min，以去除表面污垢；然后，采用兩步法浸蝕脫鈷處理：一是將刀具試樣浸泡在Murakami溶液（KOH、K3(Fe(CN)6)和H2O 的含量比為 1 g∶1 g∶10 mL）中超聲清洗30 min[13]；二是將其浸泡在Caro混合酸溶液（H2SO4和H2O2的體積比為 1 mL∶10 mL）中刻蝕5 min，以去除刀具表層的鈷元素，脫鈷處理可提高金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體之間的附著強度[14]；最后，對酸堿預(yù)處理后的刀具在自制振動研磨設(shè)備上進行研磨處理[15]。使用的研磨粉為核桃殼加金剛石混合顆粒，核桃殼顆粒尺寸為75～150 μm，金剛石的基本顆粒尺寸為5 μm，金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在整個混合顆粒中占13%，刀具研磨處理5 min，目的是去除刀具表面的疏松層和殘留的鈷元素；研磨后，樣品在去離子水和丙酮（分析純）的混合溶液中超聲清洗5 min，以去除混合顆粒。將處理后的刀具放入熱絲CVD（HFCVD）真空設(shè)備中，通入CH4與 H2的混合氣體，進行異質(zhì)基體金剛石薄膜沉積。沉積時，鉭絲為發(fā)熱源，沉積過程中沉積溫度設(shè)定在2 200 °C左右。納米金剛石涂層薄膜的生長過程分為形核和生長2個過程，具體形核及生長參數(shù)詳見表1。

表1 金剛石薄膜形核及生長參數(shù)Tab.1 Nucleation and growth parameters of diamond films

由于CVD納米金剛石涂層刀具制備中，薄膜的生長要有極高的初始形核率和極高的二次形核率，且保證生長過程中的金剛石始終處于納米級別，二次形核率一般要在1010/(cm2·s-1)以上[16]，因此采用較低的沉積氣壓及較高的碳源濃度，以降低金剛石顆粒尺寸，提高其形核密度。制備后的涂層刀具樣品采用Zeiss ULTRA55場發(fā)射掃描電鏡（field emission scanning electron microscopy, FESEM）觀察其表面形貌。

1.2 銑削試驗方法

在機械銑削加工中，影響工件銑削后表面質(zhì)量的因素較多，包括機床性能、刀具結(jié)構(gòu)、加工方式、工件及刀具材料和銑削要素等。從理論上講，機床、刀具、工件材料確定后，影響銑削質(zhì)量的主要因素是銑削3因素：機床主軸轉(zhuǎn)速n（或銑削速度vc）、工件進給速度vf和刀具軸向切削深度ap。由于銑床主軸轉(zhuǎn)速n與銑削切削速度vc有的關(guān)系式（式中D為刀具直徑），故下文主要討論主軸轉(zhuǎn)速n的影響，而只列出vc的值。為了探索銑削3因素對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響規(guī)律和程度[17]，首先做單因素試驗，即在其他2個因素固定不變的情況下，研究1個主要因素變化對鋁合金表面粗糙度的影響規(guī)律；然后選取3因素，利用正交試驗法進行3因素3水平正交試驗，其因素和水平如表2所示，表2中的各參數(shù)及水平是根據(jù)機床性能及7075鋁合金的切削性能選取的，且與主軸轉(zhuǎn)速n對應(yīng)的銑削切削速度vc分別為113，132和151 m/min。對表2中參數(shù)試驗后得出的正交試驗結(jié)果進行分析，再得到工件表面粗糙度最佳時的銑削參數(shù)組合。

表2 正交試驗因素水平表Tab.2 Factor level table of orthogonal test

銑削試驗在沈陽機床股份有限公司生產(chǎn)的臥式加工中心上進行，該機床主軸最大轉(zhuǎn)速為10 000 r/min、進給速度達到8 000 mm/min，其x，y，z軸軸向定位精度和重復(fù)定位精度分別達到0.008 mm和 0.005 mm。銑削試驗采用1.1中自制的納米金剛石涂層三刃立銑刀，其尺寸為φ6 mm×20 mm×50 mm。試驗工件規(guī)格為200 mm×100 mm×50 mm，銑削試驗在工件的200 mm×100 mm面上進行。采用型號為Motic SMZ-171的智能體視顯微鏡觀測刀具表面及工件銑削后的表面形貌，物鏡放大倍數(shù)為5倍。采用型號為SJ-310的日本三豐粗糙度儀檢測工件銑削后的表面粗糙度值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 CVD納米金剛石涂層刀具形貌

納米金剛石涂層刀具制備過程中的表面形貌如圖1所示。從圖1a可以看到：刀具基體表面上形核后形成了一個個細小的晶粒，晶粒沒有尖銳的棱角，成圓弧狀，此時的晶粒大小只有幾個納米。如圖1b所示：晶粒經(jīng)過再生長后，成菜花狀堆疊團聚在一起，晶粒尺寸已很難辨別，在刀具基體表面形成了一層致密的薄膜，經(jīng)測量薄膜涂層厚度為5～6 μm。

圖1 納米金剛石薄膜涂層刀具制備過程中的表面形貌Fig.1 Surface topography of nano-diamond film coated tool during preparation

圖2為智能體視顯微鏡在物鏡放大5倍的條件下觀察到的刀具端面刃和側(cè)刃的形貌。由圖2可以看出：涂層后的刀具表面光亮及光滑，涂層連續(xù)均勻，刀具刃口和周圍薄膜沒有出現(xiàn)裂紋和脫落現(xiàn)象，刀具刃口規(guī)則且鋒利，涂層后的刀具很好地保持了原基體切削刃的形貌。

圖2 納米金剛石薄膜涂層銑刀形貌Fig.2 Morphology of milling cutter coated with nano-diamond film

2.2 單因素試驗及結(jié)果

每個測量點的Ra值都采集3次，然后取其平均值為該點最終表面粗糙度值[18]。

單因素銑削試驗中徑向切削深度固定為2 mm，刀具銑削工件10 m后對工件表面粗糙度Ra進行檢測，為保證數(shù)據(jù)采集的一致性，測量時在工件銑削表面上沿著銑削方向在10 m的長度上等間距選取5個測量點，

2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

根據(jù)機床性能、高速精加工銑削的特點，確定軸向切削深度ap=0.2 mm，進給速度vf=2 000 mm/min，僅改變主軸轉(zhuǎn)速n，測得工件表面粗糙度Ra如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可觀察到：當(dāng)切削主軸轉(zhuǎn)速n在5 000～8 000 r/min范圍內(nèi)（即銑削速度vc為94～151 m/min時），隨著n提高，工件平均表面粗糙度分別降低0.144，0.144和0.094 μm，工件的平均表面粗糙度在逐級緩慢降低[19]；但n在7 000 r/min之后，工件的平均表面粗糙度降低趨勢變緩。其原因是刀具切削過程中，其刀刃的后刀面與工件表面接觸，使工件表面產(chǎn)生徑向、切向的彈性變形和塑性變形，最終形成加工表面；隨著轉(zhuǎn)速n提高，銑削速度提高，這種彈塑性變形速度變快，應(yīng)變率變大，切屑分離時的塑性變形和金屬撕裂產(chǎn)生的幾何殘留高度變小，使工件表面粗糙度降低[20]。同時，由于納米金剛石涂層刀具熱導(dǎo)率高，雖然刀具銑削速度提高，但產(chǎn)生的切削熱容易散發(fā)掉，切削過程中刀具表面不易形成積屑瘤，因積屑瘤或刀具鱗刺等非幾何因素產(chǎn)生的工件表面粗糙度影響變小[21]。因此，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n達到一定數(shù)值后，再提高轉(zhuǎn)速，表面粗糙度下降的效果有限。

表3 主軸轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度的影響Tab.3 Influences of spindle speeds on workpiece surface roughness

對比毛璽等[4]使用硬質(zhì)合金刀具和低速切削的方式對7075鋁合金的銑削試驗，得出的隨著切削速度逐漸增加，工件表面粗糙度呈逐漸增大趨勢的結(jié)論，本試驗中的表面粗糙度結(jié)果與之相反，這與2個試驗中所選用的刀具不同有關(guān)。金剛石涂層刀具在銑削過程中轉(zhuǎn)速越大，銑削速度越高，工件銑削后的表面粗糙度越低。

2.2.2 進給速度對表面粗糙度的影響

在進給速度vf對表面粗糙度的影響中[22]，根據(jù)機床性能、高速精加工銑削的特點，確定軸向切削深度ap=0.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min（即銑削速度vc=113 m/min），僅改變進給速度vf，測得工件表面粗糙度Ra如表4所示。由表4數(shù)據(jù)可觀察到：進給速度vf在1 000～7 000 mm/min范圍內(nèi)，隨著vf提高，工件平均表面粗糙度分別增加0.373，0.571和0.316 μm，工件平均表面粗糙度在逐級快速變大；當(dāng)vf在7 000 mm/min時到了1.790 μm。其原因是在一定的主軸轉(zhuǎn)速、軸向切削深度下，提高進給速度，銑削過程中的切屑與已加工表面分離撕裂的程度加大，導(dǎo)致已加工表面幾何殘留高度變大，表面粗糙度增大；同時，隨著進給速度增大，刀具受到的徑向切削力增加，刀具的振動變大，也導(dǎo)致工件表面粗糙度增大。毛璽等[4]使用硬質(zhì)合金刀具和低速切削的方式對7075鋁合金進行加工，得出了隨進給量增加（即進給速度增大）工件表面粗糙度呈逐漸增大趨勢的相同結(jié)論。

表4 進給速度對工件表面粗糙度的影響Tab.4 Influences of feed speeds on workpiece surface roughness

2.2.3 軸向切削深度對表面粗糙度的影響

在軸向切削深度ap對表面粗糙度的影響中[23]，根據(jù)機床性能、高速精加工銑削的特點，確定進給速度vf=2 000 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min（即銑削速度vc=113 m/min），僅改變切削深度ap，測得工件表面粗糙度Ra如表5所示。

表5 軸向切削深度對工件表面粗糙度的影響Tab.5 Influences of axial cutting depths on workpiece surface roughness

由表5數(shù)據(jù)可觀察到：軸向切削深度ap在0.1～0.4 mm范圍內(nèi)，隨著ap提高，工件平均表面粗糙度分別增加0.259，0.080和0.086 μm，工件平均表面粗糙度在逐級變大；且ap在0.2 mm之后工件平均表面粗糙度增大的趨勢變緩。其原因是在其他2個因素一定的情況下，開始時隨著軸向切削深度ap增大，刀具切削過程中承受的徑向切削力增大，刀具的振動增大，促使工件表面粗糙度變大；但隨著ap進一步增大，刀具的振動變化變緩，增大的幅度變小。毛璽等[4]使用硬質(zhì)合金刀具和低速切削的方式對7075鋁合金銑削加工，也得出了相同的結(jié)論。

2.3 正交試驗結(jié)果及分析

從單因素試驗結(jié)果可以看出，各因素對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響是不同的。為了全面了解各因素對工件表面粗糙度的影響，分清各因素影響的主次關(guān)系以及因素之間的交互作用，采用正交試驗方法綜合分析軸向切削深度ap、進給速度vf、主軸轉(zhuǎn)速n（即銑削速度vc）這3個因素對銑削后工件表面粗糙度的影響。根據(jù)表2確定的正交試驗組合進行試驗，結(jié)果如表6所示

表6 正交試驗組合及結(jié)果Tab.6 Orthogonal test combinations and results

根據(jù)表6中得到的工件平均表面粗糙度數(shù)據(jù)分別求出各因素的T、t和R值，其中T為某因素某一水平結(jié)果之和，t為T的平均值，R為結(jié)果極差。

以因素B（進給速度vf）為例，T、t和R的計算方法如下：

以上計算式中各符號的下標(biāo)B1、B2、B3，分別表示正交試驗因素B分別取1，2，3水平時對應(yīng)的試驗值。采用同樣方法，可計算得出軸向切削深度ap和主軸轉(zhuǎn)速n對應(yīng)的T、t和R值。3個因素的工件表面粗糙度平均值以及極差R值如表7所示。

表7 3因素的工件表面粗糙度均值以及極差R值Tab.7 Average values of workpiece surface roughness and range R values of 3 factors

在極差R的分析中，R值越大的因素對指標(biāo)影響程度越大。對表7中極差R的數(shù)據(jù)進行比較，可直觀地判斷各指標(biāo)影響因素的權(quán)重大小。對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響權(quán)重從大到小的順序為進給速度vf＞主軸轉(zhuǎn)速n（即銑削速度vc）＞軸向切削深度ap。原因是，在納米金剛石涂層刀具銑削加工過程中，影響工件已加工表面粗糙度的因素有幾何因素和非幾何因素，幾何因素決定銑削后的工件表面殘留高度，非幾何因素產(chǎn)生積屑瘤、鱗刺、工件材料組織缺陷等。非幾何因素對粗糙度的影響相對較小，決定工件表面粗糙度的主要因素是銑削后工件表面的殘留高度。切屑與工件撕裂分離時，進給速度vf的變化對這種撕裂破壞程度的影響遠大于主軸轉(zhuǎn)速n和軸向切削深度ap的影響。

毛璽等[4]使用硬質(zhì)合金刀具和低速切削方式對7075鋁合金切削加工，試驗中得出了影響工件表面粗糙度大小的次序為進給量、切削速度及切削深度。王立新等[1-2]選用YBG102氮化鈦鋁納米涂層刀具并采用干式車削方式對7075鋁合金進行加工，試驗中得出影響工件表面粗糙度的次序是進給量、切削深度及切削速度。上述研究結(jié)果與本研究用銑削方式試驗的結(jié)果在不同因子的影響權(quán)重上產(chǎn)生差異，但不管是銑削還是車削方式，影響權(quán)重最大的因素還是進給速度（即進給量）。同時，馬殿文等[24]選用PCD刀具對7075鋁合金進行車削試驗，發(fā)現(xiàn)背吃刀量和切削速度對表面粗糙度的影響很小，進給量對表面粗糙度的影響明顯，且隨著進給量增大，表面粗糙度的增速呈變大趨勢。

在各因素的影響關(guān)系中，t值應(yīng)越小越好。根據(jù)表7中t值的大小，可以判斷出各因素的最優(yōu)水平：在軸向切削深度ap的影響中，A2是最優(yōu)水平；在進給速度vf的影響中，B1是最優(yōu)水平；在主軸轉(zhuǎn)速n的影響中，C3是最優(yōu)水平。因此，得到銑削3因素對7075鋁合金精加工表面粗糙度影響的最優(yōu)參數(shù)組合是A2B1C3，即ap=0.2 mm、vf=1 000 mm/min、n=8 000 r/min（即vc=151 m/min）。在此最優(yōu)參數(shù)下進行銑削試驗，工件表面5個點的粗糙度分別為0.528，0.490，0.562，0.450和0.552 μm，平均值為0.516 μm，優(yōu)于表6中的所有平均粗糙度數(shù)據(jù)。圖3為表6中的9組正交試驗的工件表面形貌（智能體視顯微鏡物鏡放大5倍觀測）。

圖3 正交試驗的工件表面形貌Fig.3 Workpiece surface morphology by orthogonal test

從圖3中可以看到：在銑削時工件表面有刀具在進給方向的移動軌跡，還有沿刀具自身軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軌跡，這2種軌跡相互疊加，在工件表面生成有規(guī)律性的刀具軌跡紋理[25]；且刀具軌跡的紋理粗細分明，不同的粗糙度狀況區(qū)分清晰。正交試驗中第1#、4#、7#組的表面粗糙度要明顯低于其他各組的，其銑削工藝參數(shù)組合用于納米金剛石薄膜涂層刀具對7075鋁合金的精加工。

3 結(jié)論

制備納米金剛石薄膜涂層刀具，采用此刀具對7075鋁合金工件進行高速精銑試驗，并對影響工件表面粗糙度的3因素進行單因素及正交試驗，得出以下結(jié)論：

（1）在n=5 000～8 000 r/min范圍內(nèi)，工件平均表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速n的提高而降低，分別降低0.144，0.144和0.094 μm；隨著進給速度vf的增加（在1 000～7 000 mm/min范圍內(nèi)）而快速增大，當(dāng)vf在7 000 mm/min時，達到了1.790 μm；隨著切削深度ap的增加（在0.1～0.4 mm范圍內(nèi)）而增大，在ap為0.2 mm之后，增大趨勢變緩。

（2）在銑削3因素中，對加工表面粗糙度影響最為顯著的是進給速度vf，其次為主軸轉(zhuǎn)速n，影響最弱的是軸向切削深度ap。選用納米金剛石涂層刀具精銑7075鋁合金時，為得到較低的表面粗糙度，應(yīng)選擇高轉(zhuǎn)速、低進給速度、合適的軸向切削深度。

（3）對7075鋁合金精加工表面粗糙度影響的最優(yōu)參數(shù)組合是A2B1C3，即ap=0.2 mm、vf=1 000 mm/min、n=8 000 r/min。在此最優(yōu)參數(shù)下銑削工件，其表面粗糙度平均值為0.516 μm。