新型TiAlN 塗層銑刀的高速切削性能

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新型TiAlN 塗層銑刀的高速切削性能簡介
    1.引言   表面塗層技術的發展與應用對刀具性能的改善和切削加工技術的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。常用的刀具塗層材料主要……
新型TiAlN 塗層銑刀的高速切削性能正文
    1.引言


表面塗層技術的發展與應用對刀具性能的改善和切削加工技術的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。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,具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強、摩擦係數小、導熱率低等優良特性,尤其用於高速切削時性能優異。在日本和我國台灣地區,TiAlN塗層刀具的應用已相當廣泛。本文介紹的新型TiAlN塗層銑刀採用超細顆粒(直徑約1μm)碳化鎢—鈷硬質合金基體,表面採用特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塗層表面生成高強度的氧化物(剛玉),塗層中的Ti含量控制在37%左右,Al含量控制在10%~13%之間,以保證刃口的鋒利性。新型TiAlN塗層與TiN塗層的主要性能比較見表1。


表1新型TiAlN塗層與TiN塗層主要性能比較


塗層性能-TiAlN塗層-TiN塗層


維氏硬度Hv(kgf/m2)-2720-1930


氧化溫度(℃)-840-620


划痕測試臨界負荷粘附力(N)-80.3-60.3


結構特徵-細柱狀面心立方結構-面心立方結構


摩擦性能-與鋼摩擦係數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


近年來,高速切削技術發展迅猛,如銑削機床轉速已高達30000~50000r/min。高速銑削在模具製造等精密、超精密加工中具有良好的應用前景。由於有些模具的過渡棱邊尖銳薄弱,轉角處易發生塌角現象,採用普通銑削難以保證模具廓形交界處的加工精度,而採用高速銑削可切削出形狀銳利的輪廓尖角,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項模具高速加工先進技術,如:①形狀預識別控制技術:該技術可在高速加工模具自由曲面時實現高精度加工控制功能,以避免尖角部位因切削衝擊、機械滯后等引起路徑誤差。②SF技術:用球形銑刀加工模具自由曲面時,因工件和刀具的切削點在不斷變化,使實際切削點的切削速度不斷發生變化,影響表面加工質量。採用SF技術可從NC數據中預先讀出時刻變化的切削點信息,通過控制主軸迴轉速度使切削點切削速度保持一定;同時控制每轉相當進給量,使進給速度保持穩定。③區域加工技術:在模具加工面上預先設定一定區域,應用區域加工技術可在不改變原


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:採用三面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提高約20倍。⑤利用特殊數控代碼G260指令,可實現在平面上加工斜孔。加工時,銑刀桿利用萬向節偏轉要求的角度,可免除常規加工時需重新裝夾工件及使用專用夾具的麻煩。⑥控制系統採用NURBS(Non-uniform Rational B Spline)補償,從而解決了控制系統數據傳輸存在等待現象,在微小進給(1μm)加工時機床不能移動等問題。


採用高速銑削技術對模具進行直接成型加工,可減少電加工及相關工序流程,顯著提高加工效率,加工時間可縮短1/3~1/4。為實現模具的高速銑削加工,開發及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削淬硬模具鋼最常用的理想刀具。


3.TiAlN塗層銑刀高速銑削模具鋼的磨損與破損性能


用VC-MD型號六齒TiAlN塗層硬銑刀(φ10mm)高速銑削AlSi H13/JIS SKD61淬硬模具鋼(52HRC)時(銑削速度:628m/min;銑削長度:50m;銑削深度:軸向切深10mm,徑向切深0.5mm),採用不同冷卻方式對刀具磨損形貌的影響結果表明,採用風冷切削時刀具磨損最小;採用乾式切削時刀具磨損次之;採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狀態,如切削時將冷卻液直接噴淋在刀具上,刀刃時冷時熱的溫度變化容易引起熱裂紋,導致切削刃破裂及刀片破損。因此,高速銑削模具鋼時不應使用冷卻液,否則會縮短刀具壽命。


刀具的主要失效機理包括月牙窪磨損、熱變形、破裂等。切削熱和機械振動是刀具失效的重要影響因素。月牙窪磨損通常發生在刀片前刀面上,當高速加工鋼件及其它硬質材料時,切屑在高溫作用下熔附在刀具表面,並使刀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,阻礙切屑流動,增大刀具承受的溫度與壓力,最終導致刀具破損。對刀具進行塗層可在刀具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具有高韌性。塗層時可根據需要調節基體和塗層的元素分佈,使切削刃區域具有較高含鈷量,從而將含鈷基體的耐衝擊性與塗層的耐磨性結合起來,使切削刃具有良好韌性而刀具其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(進給速度:0.10mm/齒;軸向切深10mm,徑向切深0.5mm),銑削狀態與刀具破損的關係表明:當切削速度V=157m/min時,採用乾式切削和風冷切削時的切削長度均可達到300m;採用乳化液冷卻切削時在200m處刀刃出現崩裂。當切削速度V=314m/min時,採用乾式切削時在150m處刀具出現破碎;採用風冷切削時在300m處仍可正常銑削;採用乳化液冷卻切削時在50m處刀具出現崩裂。當切削速度V=471m/min時,採用乾式切削時在200m處刀具出現較大磨損;採用風冷切削時在300m處刀具出現較大磨損;採用乳化液冷卻切削時在50m處刀具出現崩裂。當切削速度V=628m/min時,採用乾式切削時在100m處刀具出現較大磨損,在120m處刀具破碎折斷;採用風冷切削時,在150m處刀具折斷破碎;採用乳化液冷卻切削時刀具很快磨損折斷。


風冷切削一般可採用液氮致冷和壓縮空氣致冷兩種方式,並可對切削區輔以油霧潤滑,以提高加工表面光潔度。風冷切削可獲得較好加工效果,但加工成本較高。乾式切削省去了冷卻、潤滑裝置,可降低加工成本,減少環境污染。為實現乾式切削,刀具塗層必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體的熱應力;②可起到固體潤滑劑的作用,以減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(尤其是帶塗層牌號)在高速切削時採用干切削方式可獲得更高切削效率。事實上,對於間斷切削,切削區溫度越高,越不適合使用切削液。銑削時加切削液可使刀具承受劇烈的溫度變化(銑刀片自工件切出時被冷卻,切入工件時溫度再次上升)。雖然干切削時也存在類似的加熱—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致刀片中產生應力,從而引起裂紋。


塗層厚度(一般為2~18μm)對於刀具性能具有重要影響。對於衝擊力較大、刀具快速冷卻和加熱的間斷切削,薄塗層承受溫度變化的性能優於厚塗層,其應力較小,不易產生裂紋,因此薄塗層刀片乾式切削時的壽命可延長40%。一般來說,PVD工藝可獲得比CVD工藝更薄的塗層,且與基體結合較為牢固,因此圓形刀具和銑刀片等常採用PVD塗層。此外,由於PVD塗層的沉積溫度較低,因此較多應用於刃口鋒利的刀具及大正前角銑刀、車刀等。


TiAlN塗層是目前適用於高速乾式切削的性能最佳的PVD塗層,其高溫連續切削性能指標比氮化鈦(TiN)塗層高4倍,這主要得益於高溫切削時塗層表面的鋁氧化后在切屑/刀具界面上形成的非結晶氧化鋁薄膜。


分別用VC-MD型號TiAlN塗層銑刀、TiN塗層銑刀和未塗層銑刀高速銑削AlSi H13/JIS SKD61模具鋼(52HRC)(進給速度:0.10mm/齒;軸向切深10mm,徑向切深0.5mm;順銑,風冷),加工長度達50m后刀具周邊后刀面的磨損情況表明:當切削速度V=100m/min時,加工時間為60min,TiAlN塗層銑刀的磨損量僅為其它刀具的1/2~1/3。當V=600m/min時,TiAlN塗層銑刀加工同樣長度僅需時10min,磨損量增大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知,TiAlN塗層銑刀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塗層的磨損量變化很小,非常適合高速切削。


4.TiAlN塗層銑刀高速銑削鈦合金的切削性能


用VC-2MS型號TiAlN塗層銑刀(φ10mm)銑削鈦合金材料(Ti-6Al-4V)時(銑削深度:徑向切深0.2mm,軸向切深10mm,側面銑削;冷卻壓力:4.4M),銑削速度與刀具后刀面磨損的關係表明:鈦合金屬於難加工材料,當TiAlN塗層銑刀低速銑削時,刀具磨損量很小,磨損曲線較平坦。隨著切削速度不斷增大,刀具磨損量緩慢增加。但當切削速度超過10000r/min后,刀具磨損量快速增加。斷續切削鈦合金材料產生的高溫會使刀片的切削刃與其它部分之間產生較大溫差,導致切削刃產生裂紋,裂紋的擴展將導致切削刃破裂及刀片破損。


用六刃TiAlN塗層銑刀(φ10mm)銑削Ti-6Al4V,當改變銑削速度與銑削深度時(進給速度:0.10mm/齒;軸向切深10mm,側面銑削),銑刀轉速與徑向切深的關係曲線表明:銑削鈦合金材料時,切削速度越高,可保證正常銑削的徑向切深量就越小。如在臨界轉速(10000r/min)時,徑向切深量取0.1mm可保證正常銑削,如徑向切深量取0.2mm則刀具磨損量較大,當轉速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的徑向切深量範圍內實現正常加工,排屑量為15cc/min。排屑量通常隨徑向切深量的減小而減少,切屑排出量越大,所需加工功率也越大。根據切削試驗結果,銑削鈦合金時,選取轉速5000r/min、徑向切深量0.4~0.6mm較為合理,此時銑刀磨損小、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,選用銑刀直徑應小於鍵槽寬度,否則銑削阻力較大,影響銑刀壽命。如選用φ10銑刀加工槽寬10mm的鍵槽,每次切深為1mm,需來回銑削10次才能完成加工。為提高加工效率,可採用圓弧銑槽方法。採用φ6銑刀沿一定弧度進行旋轉銑削,可高效完成切深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為最大銑削角度,Rd為徑向切深,t為被加工槽寬,φ為銑刀直徑。


採用VC-MD型號TiAlN塗層端銑刀(φ12mm)對AlSi H13/JIS SKD61模具鋼材料(52HRC)進行圓弧銑槽加工(槽深10mm)(銑削速度:313m/min(8300r/min);進給速度:5000mm/mi(0.10mm/齒);風冷)。加工槽寬分別為18mm、16mm、15mm的槽時的銑削參數和加工效果見表2。


表2圓弧銑槽銑削參數與加工效果


銑削參數:


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° 槽長度(m):0.26,0.33,0.35


加工效果:


銑削長度(m):24,28,33


刀刃磨損量:較大,較小,較小


由表2可知,徑向切深Rd對圓弧銑槽時的刀具磨損影響較大,Rd越大,刀刃磨損就越明顯。圓弧銑槽的優勢在於大的軸向切深、減小銑削力、減輕機械振動、提高銑刀耐用度。


(2)螺旋銑孔


用TiAlN塗層球頭銑刀以螺旋銑削方式加工孔可獲得較高的加工效率和較長的刀具使用壽命。用VC-2MB R3型TiAlN塗層球形銑刀對AlSi H13 / JIS SKD61模具鋼材料(52HRC)工件進行螺旋銑孔加工(孔深:9mm;X、Y向進給速度:1500mm/min;銑削速度:283m/min,相當於15000r/min)時,被加工孔徑與螺旋式銑削的軸向進給率(螺旋前進一周的軸向移動量)Fa取值的關係表明:Fa取值較小時可加工較大的孔徑。當被加工孔徑為φ9mm時,Fa最大可取值0.6mm,如超過該值則銑刀磨損將加劇。以軸向進給率Fa=0.3mm加工φ7mm孔徑時的銑孔數量與銑刀磨損量的關係表明:銑100個孔的后刀面磨損量約為0.03mm,銑500個孔的后刀面磨損量約為0.05mm,可見隨銑孔數量的增加,TiAlN塗層銑刀的磨損量變化不大,其耐用度較高。


6.結語


TiAlN塗層具有優於TiC、TiN、TiCN等塗層的機械物理性能,並可與其它塗層配合組成多元多層複合塗層。切削試驗及加工實踐表明,TiAlN塗層刀具化學穩定性好,抗氧化磨損能力強,高速加工高合金鋼、不鏽鋼、鈦合金、鎳合金等難加工材料時,其工作壽命可比TiN塗層刀具提高3~4倍。TiAlN塗層中具有較高Al濃度,切削加工時塗層表面會生成一層極薄的非晶態Al2O3,從而形成硬質惰性保護膜,非常適合應用於高速切削加工。TiAlN塗層刀具的普及應用將大大提高刀具耐用度,減少加工輔助時間,降低切削加工成本,提高企業經濟效益。

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