新型TiAlN 塗層銑刀的高速切削性能
2014-2-3 來源： szsanrui 作者：-
1.引言
表麵塗層（céng）技（jì）術的發展與應用對刀具性能（néng）的改善和切削加工技術的（de）進步起到了十分關鍵的作用，塗層刀具已成為現代刀具的重要標誌（zhì）。常用的刀具塗層材料主要有TiC、TiN、Al2O3、TiCN、TiAlN、CBN等。TiAlN作為一種新型塗層材料，具有硬度（dù）高、氧化溫度高（gāo）、熱硬性好、附著力強、摩擦係數小（xiǎo）、導熱率低等優良特性（xìng），尤其用於高速切削（xuē）時性能優異。在日本和我（wǒ）國台灣地區，TiAlN塗層刀具的應（yīng）用已相當廣泛。本文介紹的新型TiAlN塗層銑刀采用超細顆粒(直徑約1μm)碳化鎢—鈷硬質合金基體，表麵采用特（tè）殊的低溫物理氣相沉積(PVD)法塗覆高硬度的TiAlN單層塗層(厚度約6μm)。TiAlN塗層表麵生成高強度的氧化物(剛玉)，塗層中的Ti含量控製在37%左右，Al含量控製（zhì）在10%～13%之間，以保證刃口的鋒利性。新（xīn）型（xíng）TiAlN塗層與TiN塗層的主要（yào）性能比較見表1。
新型TiAlN塗層與TiN塗層主要性能比較（jiào）
塗層性能-TiAlN塗層-TiN塗層
維氏硬度（dù）Hv(kgf/m2)-2720-1930
氧化溫度(℃)-840-620
劃痕測試臨界負荷粘附力(N)-80.3-60.3
結構特征-細柱狀麵心立方結構-麵心（xīn）立方結（jié）構
摩擦性能-與鋼摩（mó）擦係數0.30-與鋼摩擦係數0.41
2.高速銑削技術在模具製造中的應用
近（jìn）年來，高速切削技術發展迅猛，如（rú）銑削機床轉速已高達30000～50000r/min。高速銑削在模具製造等（děng）精密、超精密（mì）加工中具有良好的應用前景。由於有些模具的過（guò）渡棱（léng）邊尖銳薄弱，轉角處易發生塌（tā）角現象，采（cǎi）用普通銑削難以保證模具廓形交界處的加工精度，而采用（yòng）高速銑削可切削出形狀銳（ruì）利的輪廓尖角，可實現精密模具的高精度、高效率加工。
近年來，國外模具製造商開發了多（duō）項模具高速（sù）加（jiā）工先進技術，如：①形狀預識別控製技術：該技術可在高速加工模具自由曲麵時實現高精度加工控製功能，以避（bì）免尖角部位因切削衝擊、機（jī）械滯後等引起路徑誤差。②SF技術：用球形銑刀（dāo）加工模具自（zì）由曲麵時，因工件和刀具的切削點在不斷變化，使（shǐ）實際切削點的切削速度不斷發生變化，影響（xiǎng）表麵加工質量。采用SF技術可從NC數據（jù）中預先讀出時刻變化的（de）切（qiē）削點信息，通過控製主軸回（huí）轉速度使切削點（diǎn）切削速（sù）度保持一定；同時控製每轉相當（dāng）進（jìn）給量，使進給速度保持穩定。③區域加工技術：在模具加工麵上預（yù）先設定一定區域，應用區域加工技術可在不改變。
加工程序的情況下，對設定區域內或區域外實現可改變切深及其它切削條件的加工。④直角鄰邊圓弧內角銑削技術：采用三麵銑刀柄嵌三角刀片進行加工，可將圓弧內角直接銑削成直角，加工效率比電火花線切割可（kě）提高約20倍。⑤利用特殊數控代碼G260指令（lìng），可（kě）實現在平麵上加（jiā）工斜孔（kǒng）。加工時，銑刀杆利用（yòng）萬向節偏轉要求的角度，可免除常規加工時需重新裝夾（jiá）工件及使用專（zhuān）用夾具（jù）的麻煩。⑥控製係統（tǒng）采用NURBS(Non-uniform Rational B Spline)補（bǔ）償，從而解決了控製係統數據傳輸存在等待現象，在微小進給(1μm)加工時機床不能（néng）移動等問題。
采用高速銑削技術對模具進行（háng）直接成型加工，可減少電加工及相關工序流程，顯（xiǎn）著提高加工效率，加工時間可縮（suō）短1/3～1/4。為實現模具的高速銑削加工，開發及（jí）應用先進的高速銑削刀具尤為重要，TiAlN塗層銑刀就是目前高速銑（xǐ）削淬硬模具鋼最常用的理想刀（dāo）具。
3.TiAlN塗層銑刀高速（sù）銑削模具鋼的磨損與破損性能
用（yòng）VC-MD型號六齒TiAlN塗層硬銑刀（dāo）(φ10mm)高速銑削AlSi H13/JIS SKD61淬硬模具鋼(52HRC)時（shí）(銑削速度：628m/min；銑削長度：50m；銑削深度（dù）：軸向切深（shēn）10mm，徑向切深0.5mm)，采（cǎi）用（yòng）不同冷（lěng）卻方（fāng）式對刀具磨損形貌的影（yǐng）響結果表明，采用風冷切削（xuē）時刀具磨（mó）損最小；采用幹式切削時刀具磨損次之；采用乳化液冷卻切削時刀具磨損最大。由於銑刀刃呈間歇切削（xuē）狀態，如切削（xuē）時將冷卻液直接噴淋在（zài）刀具上，刀刃（rèn）時冷時熱的溫度變化容易引起熱裂紋，導致切削（xuē）刃破裂及刀片破損。因此（cǐ），高速銑削模具鋼時不應使用冷卻液（yè），否則會縮短刀具壽（shòu）命。
刀具的主要失效機理包括月牙（yá）窪磨損、熱（rè）變形、破裂等。切削熱和機械振動是刀具（jù）失效的重要影（yǐng）響因素（sù）。月（yuè）牙窪磨（mó）損通常發生在刀（dāo）片前刀麵上，當高速加工鋼（gāng）件及其它硬質材料（liào）時，切屑在高溫作用下熔附在刀具表麵，並使刀（dāo）具材料顆粒發生剝離，形成月牙窪磨損。過度的月牙窪磨損會削弱切削刃強度，阻（zǔ）礙切屑流動，增大刀具承受的溫度與壓力，最終導致刀（dāo）具破（pò）損。對刀具進行塗層可在刀具（jù）與工件之間增加一層惰性硬介質，顯著減小月牙窪磨損。通過合理應用塗層技術，可使刀片既具有高硬度又（yòu）具有高韌性。塗層時可根據需要調節基體（tǐ）和塗層的元素分（fèn）布（bù），使切削刃區域具有較（jiào）高含鈷量，從而將含（hán）鈷（gǔ）基體的耐衝擊性與塗層的耐磨（mó）性結合起來（lái），使切（qiē）削刃具有良好韌性而刀具其（qí）餘部分保持較高硬度。
用VC-MD型號TiAlN塗層銑刀高速銑削AlSi H13模具鋼(50HRC)時（shí）(進給速度：0.10mm/齒；軸向切深10mm，徑向切（qiē）深0.5mm)，銑削（xuē）狀態（tài）與刀具破損的關係表明（míng）：當切削速度V=157m/min時，采（cǎi）用幹式切（qiē）削和風冷切削時的切削長度（dù）均可達到300m；采用乳化液冷卻（què）切削時在200m處刀刃出現崩裂。當切削速度V=314m/min時，采用（yòng）幹式（shì）切削時在150m處刀具出現破碎；采用風冷切削時在300m處仍可正常（cháng）銑削；采用乳化液冷卻切削時在50m處（chù）刀具出現崩裂。當切（qiē）削速度V=471m/min時，采用幹式切削時在200m處刀具出現（xiàn）較大磨損；采用風冷（lěng）切削時在300m處刀具出現較大磨損；采用乳化液冷卻切削（xuē）時在50m處刀（dāo）具出現崩裂。當切削速度V=628m/min時（shí），采用幹式切削時在100m處刀具出現較大磨損，在120m處刀具破碎折斷；采用風冷切削（xuē）時，在150m處刀具折斷破碎；采用乳化液冷卻切削時刀具很快磨損折斷。
風冷（lěng）切削一般可采用液氮致冷（lěng）和壓縮空氣（qì）致冷兩種方式（shì），並可對切削區（qū）輔以油霧潤滑（huá），以提高加（jiā）工表麵光潔度。風冷切（qiē）削可（kě）獲得較好加工效果，但加工成（chéng）本較高。幹式切削省去了冷卻、潤滑（huá）裝置，可降低加工成本，減少環境汙染。為實現幹（gàn）式切削，刀具（jù）塗層必（bì）須具有兩個重要功能：①可在刀具與工件之間起到熱壁壘的作用，以減小作用於刀具基（jī）體的熱應力；②可起到（dào）固體潤滑劑的作（zuò）用，以減（jiǎn）小切削摩擦及切屑對刀具的粘附。TiAlN塗層就是一種可較好滿足上述要求的高性能塗層。
許多新型硬質合金刀具牌號（尤其是帶（dài）塗層（céng）牌號）在（zài）高速切（qiē）削（xuē）時采用（yòng）幹切削方式可獲得更高切削效率。事（shì）實上，對於間斷切削（xuē），切削區溫度越高，越不適合使用切削液（yè）。銑削時加切削液可使刀具承受劇烈的溫（wēn）度變化（huà）（銑刀（dāo）片自（zì）工件切出時被冷卻，切入工件時溫度再（zài）次上升）。雖然幹切削時也存在類（lèi）似的加熱-冷卻循環，但溫度變化幅度比加切削液時緩和得多。溫度的劇烈變化可導（dǎo）致刀片中產生應（yīng）力，從而引起裂紋。
塗層厚度（一般為2~18μm）對於刀具性能具有重（chóng）要（yào）影響。對於衝擊力較大、刀具快速冷卻和加熱的間斷切（qiē）削，薄塗層承受（shòu）溫度變化的性能優於厚塗層，其應力較小，不易產生（shēng）裂紋，因此（cǐ）薄（báo）塗層刀片幹（gàn）式切削時的壽（shòu）命（mìng）可延長（zhǎng）40%.一般（bān）來說，PVD工藝可獲（huò）得比CVD工藝（yì）更薄的塗層，且（qiě）與基體結合較為牢固，因此圓形刀（dāo）具和銑刀片等常采（cǎi）用PVD塗層（céng）。此外，由於PVD塗層的沉積溫度較低，因（yīn）此較多應用於刃口（kǒu）鋒利的刀具及大正前角銑（xǐ）刀、車刀等。
TiAlN塗（tú）層是目前適用（yòng）於高速幹式切削的性能最佳的PVD塗層，其高溫連續切削性能（néng）指標比氮化（huà）鈦（TiN）塗層高4倍，這（zhè）主要得益於高溫切削時塗層表麵的鋁氧化後在切屑/刀具（jù）界麵上形成的（de）非結晶氧化鋁（lǚ）薄膜。
分別用VC-MD型（xíng）號TiAlN塗層銑刀（dāo）、TiN塗層銑刀和未塗層銑刀（dāo）高速銑削AlSi H13/JIS SKD61模具鋼（52HRC）（進給速度：0.10mm/齒；軸向（xiàng）切深10mm,徑向切深0.5mm;順銑，風冷），加工長度達50m後刀具周邊後刀麵的磨損情況表明：當切削（xuē）速度V=100m/min時，加工時間為60min,TiAlN塗層銑刀（dāo）的磨損量僅為其它刀具的1/2~1/3.當V=600m/min時，TiAlN塗層銑（xǐ）刀加工同樣長度僅需時10min,磨損量增大（dà）2倍；TiN塗層銑刀和未塗層銑刀在V=200m/min時磨損量已較大，V繼續增大時則出現劇烈磨損。分析磨損曲線的變化趨勢可（kě）知，TiAlN塗層銑（xǐ）刀（dāo）的磨損曲線斜率較小，走勢較平坦；其它兩種刀具的磨損曲線斜率則較大。表明隨著切削速度的增加，TiAlN塗層的磨損量變（biàn）化很（hěn）小，非常適合高速切削。
4.TiAlN塗層銑刀高速銑（xǐ）削鈦合金的（de）切削（xuē）性能
用VC-2MS型號TiAlN塗層銑刀（φ10mm）銑削（xuē）鈦合金材料（Ti-6Al-4V）時（銑削深度：徑向切深0.2mm,軸向切深（shēn）10mm,側麵銑削；冷卻壓力：4.4M），銑削速度與刀具後刀麵磨損的關係（xì）表明：鈦（tài）合金屬於難加工材料，當（dāng）TiAlN塗層銑刀低速銑削時，刀具磨損量很（hěn）小，磨損曲線較平坦。隨著切（qiē）削速度不斷增（zēng）大（dà），刀具磨損量緩慢增加。但當切削（xuē）速度超過10000r/min後，刀具磨損量快速增加。斷續切削鈦合金材（cái）料產（chǎn）生的高（gāo）溫會使刀片的切削刃與其它部（bù）分之（zhī）間產生（shēng）較大溫差，導致切（qiē）削（xuē）刃產（chǎn）生裂紋（wén），裂紋的擴展將導（dǎo）致切削刃破裂及刀（dāo）片破（pò）損。
用六刃TiAlN塗層銑刀（φ10mm）銑削Ti-6Al4V,當改變銑削速度與銑削深（shēn）度時（進給速度：0.10mm/齒；軸向切（qiē）深10mm,側麵銑（xǐ）削），銑刀轉速與徑（jìng）向切深（shēn）的關係曲線表明：銑削鈦（tài）合金材料時，切削速度越高，可保證正常銑削的徑向切深量就越小。如（rú）在（zài）臨界轉速（10000r/min）時，徑（jìng）向切深量取0.1mm可保證正常銑削，如徑向切深量取0.2mm則刀具磨損量較（jiào）大，當轉（zhuǎn）速（sù）進一步增加時磨損將迅速增大。選取5000r/min的轉速較為安全，可在0.4~0.6mm的徑向切深（shēn）量範圍內實現正常加工，排屑量為15cc/min.排（pái）屑量通（tōng）常（cháng）隨徑向切深量（liàng）的減小而減少，切屑排出量越大，所需加工功率也（yě）越大。根據（jù）切削試驗結果，銑削鈦合金時，選取轉速5000r/min、徑向切深量0.4~0.6mm較為（wéi）合理，此時銑刀磨（mó）損小、壽命長，銑削功率大，加工效率高。
5.兩種高效銑削方法
（1）圓弧銑槽
銑削鍵槽時，選用銑刀（dāo）直徑應小於鍵（jiàn）槽寬度，否則銑削阻力較大，影響銑刀壽命（mìng）。如選用φ10銑刀加工槽寬10mm的鍵（jiàn）槽，每次切深為1mm,需來回銑削10次才能完成（chéng）加（jiā）工。為提高加工效率，可采用圓弧銑槽方法（fǎ）。采用φ6銑刀沿一定弧度進行旋轉銑削，可高效（xiào）完成切深（shēn）10mm的加工。圓弧銑槽的尺寸計算公式為：
θ=arccos[1-2Rd（t-Rd）/φ（t-φ）]
式中：θ為（wéi）最大銑削角度，Rd為徑向切深，t為被（bèi）加工槽寬，φ為銑刀直徑。
采用（yòng）VC-MD型號TiAlN塗（tú）層端銑刀（φ12mm）對AlSi H13/JIS SKD61模（mó）具鋼材料（liào）（52HRC）進（jìn）行圓弧銑槽加工（gōng）（槽深10mm）（銑削速度：313m/min（8300r/min）；進給速度：5000mm/mi（0.10mm/齒）；風冷）。加工槽寬分別（bié）為18mm、16mm、15mm的槽時的銑削參數和加工效果見表2.
圓弧銑槽銑削參數與加工效果
銑削參（cān）數：
t（mm）：18,16,15
Rd（mm）：0.6,0.3,0.27
X（mm）：1.74,1.48,0.89
θ：44.8°，41.0°，31.5°槽長（zhǎng）度（m）：0.26,0.33,0.35
加工效果：
銑削長度（dù）（m）：24,28,33
刀（dāo）刃（rèn）磨損量：較大，較小，較小（xiǎo）
由表2可知，徑向切深Rd對圓弧銑槽時的刀具磨損影（yǐng）響較大，Rd越大，刀刃磨損就越明顯。圓弧銑槽的優勢在於大的軸（zhóu）向切深（shēn）、減小銑削力、減輕機械振動、提高銑（xǐ）刀耐用度。
（2）螺旋銑孔
用TiAlN塗層球頭銑刀以螺旋（xuán）銑削方式加工孔可獲（huò）得較高的加工效率和較長的刀（dāo）具使用壽命。用（yòng）VC-2MB R3型TiAlN塗層球形銑刀對（duì）AlSi H13 / JIS SKD61模具鋼材料（52HRC）工件進（jìn）行螺旋銑孔加工（孔深：9mm;X、Y向進給速度：1500mm/min;銑削速度：283m/min,相當於15000r/min）時，被加工孔徑（jìng）與螺旋式銑（xǐ）削的軸向進給率（螺（luó）旋前進一周的軸向移動量）Fa取值的關係表明：Fa取（qǔ）值較小（xiǎo）時可加工（gōng）較大的孔徑。當被加工孔徑（jìng）為φ9mm時，Fa最大可取值0.6mm,如（rú）超過該值則銑刀磨損將加劇。以軸向進給率Fa=0.3mm加工φ7mm孔徑時的銑孔（kǒng）數量與（yǔ）銑刀（dāo）磨損量的關係表明：銑100個孔的後刀麵（miàn）磨損量約為（wéi）0.03mm,銑500個孔的後刀麵磨（mó）損量約為0.05mm,可見隨銑孔數量的增（zēng）加，TiAlN塗層銑刀的磨損量變化不大，其耐用度（dù）較高。
6.結語
TiAlN塗層具有優於（yú）TiC、TiN、TiCN等塗層的機械物理性能，並可與其它塗層（céng）配合（hé）組成多元多層（céng）複合塗層。切削試驗及加工實踐表明，TiAlN塗層刀具化學穩定性好，抗氧（yǎng）化磨損能力（lì）強，高速加工高合金鋼、不鏽鋼、鈦（tài）合金、鎳合金等難（nán）加工材料時，其（qí）工作壽命可比（bǐ）TiN塗層刀具提高（gāo）3~4倍。TiAlN塗層中具有（yǒu）較高Al濃度，切削加工時塗層表麵會生成一層極薄（báo）的非晶態Al2O3,從而形成（chéng）硬（yìng）質（zhì）惰性保（bǎo）護膜，非常適合應用（yòng）於高速切削加工。TiAlN塗層刀具的普及應用將（jiāng）大大提高刀具耐用度，減少加工輔助時間，降低切（qiē）削加工成本，提（tí）高企業經濟效益。
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