PVD涂層銑刀的制備及其磨損研究

朱學(xué)明，關(guān)偉鋒，葉康琳，3，魯艷軍，羅和喜

1銳勝精機(深圳)有限公司；2深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院；3江西杰浩硬質(zhì)合金工具有限公司

1 引言

TA15鈦合金(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)是一種典型的近α型鈦合金，具有高比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能和高溫條件下良好的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、發(fā)動機和導(dǎo)彈等部件[1-4]，但其加工性能和導(dǎo)熱性能較差，導(dǎo)致加工刀具靠近切削刃處的溫度較高，同時刀具與工件之間附著力較強，使得刀具磨損較快[5]。因此，為保證鈦合金加工效率和質(zhì)量，亟需開發(fā)新型耐高溫切削刀具及合適的工藝條件，以解決刀具磨損問題。

目前，關(guān)于鈦合金加工刀具的磨損研究逐漸深入，Hatt O.等[6]研究了鈦合金成分對加工刀具的磨損影響，實驗結(jié)果表明：在鈦合金加工過程中，TiC的形成對刀具磨損起關(guān)鍵作用。胡小龍等[7]采用涂層硬質(zhì)合金刀具對鈦合金進行切削加工實驗，系統(tǒng)地研究了刀具磨損情況，優(yōu)化了切削參數(shù)，有效提高了刀具使用壽命。Ma J.等[8]研究了TC18鈦合金銑削過程中刀具的磨損問題，提出了利用深度學(xué)習(xí)在線監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)的方法。Youna M.等[9]使用刀具磨損和能量圖，為實現(xiàn)高效環(huán)保加工提供了參照。Niu B.等[10]利用傳感器從加工過程中捕獲的原始信號獲得時間、頻率和時頻域特征，建立了鈦合金銑削刀具磨損監(jiān)測模型。An Q.等[11]采用CVD-Ti(C，N)+Al2O3+TiN、PVD-(Ti，Al)N+TiN涂層刀具和未涂層刀具對鈦合金進行銑削實驗，發(fā)現(xiàn)(Ti，Al)N+TiN涂層刀具具有較高的使用壽命，是Tie6242S和Ti-555鈦合金銑削加工的優(yōu)選刀具。

為提高鈦合金切削加工過程中刀具的使用壽命，本文對比研究了無涂層、TiSiN涂層和ZrAlN涂層等三種類型硬質(zhì)合金立銑刀對鈦合金切削性能的影響，分析了刀具后刀面的磨損情況，通過選取合適的切削工藝參數(shù)，實現(xiàn)鈦合金的高效高質(zhì)量加工。

2 試驗及方法

2.1 制備PVD涂層硬質(zhì)合金立銑刀

圖1為公司自主研發(fā)設(shè)計的四刃硬質(zhì)合金立銑刀結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥闯觯娜杏操|(zhì)合金立銑刀切削部分主要由第一后刀面、第二后刀面和螺旋溝槽組成，每一個組成部分用不同粒度的砂輪以及不同的磨削參數(shù)進行加工，其中，僅第一后刀面與工件直接接觸，切削去除工件材料。

(a)側(cè)面 (b)底面

實驗刀具基體使用CERATIZIT公司的TSF44牌號硬質(zhì)合金，其Co含量為12%，WC晶粒度為0.2～0.5μm，可以在保證刀具基體具有足夠韌性的前提下提供足夠的基體強度。在完成四刃硬質(zhì)合金立銑刀制備基礎(chǔ)上，利用物理氣相沉積法(PVD)對四刃φ6mm硬質(zhì)合金立銑刀切削部分進行涂層處理，以提高刀具壽命及其切削性能。

物理氣相沉積法(PVD)涂層具體過程為：刀具清洗、烘干后按照產(chǎn)品尺寸進行裝爐；爐腔內(nèi)利用機械泵和分子泵將真空度抽至10-5Pa，通入少量氬氣加熱，先后經(jīng)過等離子輝光清洗和金屬離子刻蝕，再通入氮氣制備相應(yīng)的涂層；涂層制備完畢后冷卻至120℃左右打開爐門，從爐腔內(nèi)取出產(chǎn)品。其中TiSiN涂層使用Ti離子刻蝕并以TiN打底，表層使用TiSiN涂層作為硬質(zhì)功能層；ZrAlN涂層使用ZrN作為打底層，通過控制靶材弧電流大小實現(xiàn)膜厚方向上由ZrN向ZrAlN涂層的梯度漸變。

2.2 硬質(zhì)合金刀具磨損檢測及鈦合金銑削實驗

圖2為鈦合金切削加工形貌，圖3為鈦合金切削加工示意圖。鈦合金銑削實驗均在德瑪吉DMU40五軸加工中心上進行，詳細(xì)銑削參數(shù)如表1所示。實驗使用ALPHA COOL 800環(huán)保型合成切削液進行冷卻處理，且每當(dāng)切削路程達(dá)到10m時，卸下銑刀，通過超景深光學(xué)顯微鏡檢測刀具第一后刀面磨損寬度VB，采用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察刀具磨損形貌，同時結(jié)合電鏡能譜檢測分析不同類型涂層對鈦合金加工的適配性；利用激光共聚焦3D顯微鏡測試鈦合金銑削表面粗糙度并觀察銑削表面形貌。

圖2 鈦合金切削加工形貌

圖3 鈦合金切削加工

表1 銑削參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 涂層材料表征以及形貌分析

圖4為涂層材料能譜分析圖，詳細(xì)涂層元素含量如表2所示。從圖4a可以看出，四刃硬質(zhì)合金立銑刀基體部分主要含有W，Co元素以及微量Cr元素；從圖4b可以看出TiSiN涂層主要含有Ti，Si，N元素以及少量Al元素；從圖4c可以看出，ZrAlN涂層主要含有Zr，Al，N元素。其中，TiSiN涂層摻入少量Al元素的主要目的是提高涂層的硬度和耐高溫性能，而涂層中存在大量N元素是由于在涂層制備過程中需要通入氮氣，氮元素因此存留在涂層中。

(a)基體

從圖4的三種涂層中均可發(fā)現(xiàn)少量的C元素和O元素，其中，存在C元素可能是因為刀具基體硬質(zhì)合金中有WC，且涂層厚度僅有1μm左右，在使用能譜儀測試時會出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，從而檢測到基體材料的C元素，從表2可以看出測量出來的C元素含量接近；而微量O元素可能來源于外部雜質(zhì)。TiSiN涂層中Ti含量較高的原因是TiSiN涂層是多元涂層，Ti元素為主要成分，Si和Al為摻入成分，目的是提高涂層的抗氧化能力和硬度。

表2 涂層元素含量

圖5為涂層銑刀斷面形貌?？梢钥闯?，涂層和基體在打底層的鋪墊下結(jié)合緊密且良好，實際刀具切削過程中未觀察到涂層崩落情況，因此，觀察不同切削長度下第一后刀面的磨損量，可有效評價涂層本身的耐磨性，排除了涂層結(jié)合力不佳的影響。

(a)TiSiN涂層

3.2 刀具磨損機理及其形貌分析

圖6為鈦合金切削過程中刀具的磨損曲線。可以看出，隨著切削長度L的累加，無涂層四刃硬質(zhì)合金立銑刀隨著切削長度L的增大，第一后刀面磨損寬度VB急劇上升，當(dāng)切削長度L達(dá)到120m時，磨損寬度VB=133μm。較無涂層銑刀而言，TiSiN涂層四刃硬質(zhì)合金立銑刀第一后刀面磨損速度較為平緩，磨損程度比較低，當(dāng)切削長度L達(dá)到120m時，磨損寬度VB=61μm。ZrAlN涂層四刃硬質(zhì)合金立銑刀較無涂層和TiSiN涂層銑刀而言，磨損程度不明顯，當(dāng)切削長度L達(dá)到120m時，磨損寬度VB=33μm。當(dāng)切削長度L達(dá)到120m時，與無涂層銑刀相比，TiSiN涂層和ZrAlN涂層可以分別減少約54%和75%的刀具磨損量；與TiSiN涂層相比，ZrAlN涂層可以減少約42%的刀具磨損量。

(1)

式中，vf為進給速度；l為單次切削長度；VB為磨損長度；n為實驗次數(shù)。根據(jù)刀具磨損實驗可知，l=10m，n=12。

圖6 鈦合金切削過程中刀具磨損曲線

圖7為刀具磨損形貌?？梢钥闯?，三種類型硬質(zhì)合金銑刀在加工TA15鈦合金前，第一后刀面無磨損現(xiàn)象，且切削刃非常鋒利，圖7a中，銑削實驗初期無涂層硬質(zhì)合金立銑刀切削刃出現(xiàn)不規(guī)則磨損且輕微崩刃的現(xiàn)象，隨著切削長度L達(dá)到60m，無涂層硬質(zhì)合金立銑刀切削刃處的崩刃現(xiàn)象加劇，切削刃開始鈍化，當(dāng)切削長度L達(dá)到120m時，可以看出第一后刀面靠近切削刃處的位置出現(xiàn)明顯的磨損帶。由圖7b可以看出，TiSiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀在銑削實驗前期磨損情況較為平穩(wěn)，涂層與基體保持良好的結(jié)合強度，切削刃保持鋒利狀態(tài)，當(dāng)切削長度達(dá)到60m時，可以明顯看出TiSiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀第一后刀面靠近切削刃位置的涂層脫落，暴露出硬質(zhì)合金基體；當(dāng)切削長度達(dá)到120m時，TiSiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀由于第一后刀面靠近切削刃位置處的涂層脫落，暴露出硬質(zhì)合金基體，使銑刀第一后刀面磨損情況加劇，出現(xiàn)較為明顯的磨損帶。由圖7c可以看出，ZrAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀隨著切削長度L的增大，第一后刀面的磨損程度變化不明顯，且可以明顯看出ZrAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀切削刃依舊保持較鋒利的狀態(tài)。

(a) 無涂層 (b) TiSiN涂層 (c) ZrAlN涂層

綜上所述，無涂層硬質(zhì)合金立銑刀主要磨損原因是由于崩刃現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致切削刃鈍化，從而使銑刀磨損情況隨著切削長度L的增大而加??；TiSiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀主要磨損原因是隨著切削長度L的增大，切削刃周圍的涂層逐漸脫落，暴露出硬質(zhì)合金基體，從而造成銑刀的磨損；ZrAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀隨著切削長度L達(dá)到120m，仍保持較為鋒利的切削刃。

圖8為鈦合金銑削表面形貌。在主軸轉(zhuǎn)速N=8000r/min、銑削深度ap=5mm、銑削寬度ae=0.02mm、進給速度vf=200mm/min的銑削參數(shù)下，使用無涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削TA15鈦合金獲得的表面粗糙度Ra=0.35μm(見圖8a)，其銑削表面雖然較為光滑，但是表面黏附著許多未及時排出的鈦合金切屑；采用TiSiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削TA15鈦合金獲得的表面粗糙度Ra=0.40μm(見圖8b)，可以看出，使用TiSiN涂層銑刀加工的表面銑削痕跡比無涂層銑刀更明顯；采用ZrAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削TA15鈦合金獲得的表面粗糙度Ra=0.38μm(見圖8c)，可以看出，采用ZrAl系涂層銑刀加工的銑削表面比TiSiN涂層銑刀更加光滑，且加工痕跡不明顯，兩種不同涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削表面均未黏附有明顯的鈦合金切屑，從而可知TiSiN涂層和ZrAlN涂層可以降低鈦合金與銑刀之間的摩擦系數(shù)，從而導(dǎo)致摩擦力下降，銑削溫度下降，使得鈦合金切屑可以及時排出，確保得到高質(zhì)量的銑削表面。通過鈦合金銑削實驗可知，TiSiN和ZrAlN涂層對TA15鈦合金銑削表面質(zhì)量影響不大，但ZrAl系涂層可以有效抑制硬質(zhì)合金立銑刀的磨損現(xiàn)象，有利于鈦合金的高效高質(zhì)量加工。

(a)無涂層 (b)TiSiN涂層 (c)ZrAlN涂層

綜上所述，對比無涂層、TiSiN涂層、ZrAlN涂層三類硬質(zhì)合金立銑刀刀具的磨損情況發(fā)現(xiàn)，在切削表面質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，ZrAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀比較適用于TA15鈦合金的銑削加工。

4 結(jié)語

(1)PVD涂層與基體材質(zhì)結(jié)合緊密良好，鈦合金切削過程未出現(xiàn)涂層崩落情況，使得硬質(zhì)合金立銑刀耐磨損性能大大提高；與TiSiN涂層相比，ZrAlN涂層與硬質(zhì)合金基體結(jié)合更加緊密，ZrAlN涂層能更加有效抑制銑刀磨損，更有利于TA15鈦合金的高效高質(zhì)量切削加工。

(2)當(dāng)鈦合金的切削長度L達(dá)到120 m時，無涂層、TiSiN涂層和ZrAlN涂層三類硬質(zhì)合金立銑刀的第一后刀面磨損量分別為133μm，61μm和33μm；平均磨損速率分別為1.33μm/min，0.61μm/min和0.33μm/min。與無涂層銑刀相比，TiSiN涂層和ZrAlN涂層可以分別減少約54%和75%的刀具磨損量；與TiSiN涂層相比，ZrAlN涂層可以減少約42%的刀具磨損量。

(3)采用ZrAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削TA15鈦合金時，可以獲得較好的銑削表面質(zhì)量，表面粗糙度Ra可達(dá)0.38μm。

(4)無涂層硬質(zhì)合金立銑刀磨損機理主要是切削刃的崩刃以及鈍化；TiSiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀磨損機理主要是涂層脫落導(dǎo)致硬質(zhì)合金基體與鈦合金接觸加劇。