新型TiAlN 涂層銑刀的高速切削性能

1.引言

    表面涂層技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對刀具性能的改善和切削加工技術(shù)的進(jìn)步起到了十分關(guān)鍵的作用，涂層刀具已成為現(xiàn)代刀具的重要標(biāo)志。常用的刀具涂層材料主要有TiC、TiN、Al2O3、TiCN、TiAlN、CBN等。TiAlN作為一種新型涂層材料，具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強(qiáng)、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性，尤其用于高速切削時性能優(yōu)異。在日本和我國臺灣地區(qū)，TiAlN涂層刀具的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。本文介紹的新型TiAlN涂層銑刀采用超細(xì)顆粒（直徑約1μm）碳化鎢—鈷硬質(zhì)合金基體，表面采用特殊的低溫物理氣相沉積（PVD）法涂覆高硬度的TiAlN單層涂層（厚度約6μm）。TiAlN涂層表面生成高強(qiáng)度的氧化物（剛玉），涂層中的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涂層與TiN涂層的主要性能比較見表1。

表1 新型TiAlN涂層與TiN涂層主要性能比較

涂層性能－TiAlN涂層－TiN涂層

維氏硬度Hv（kgf/m2）－2720－1930

氧化溫度（℃）－840－620

劃痕測試臨界負(fù)荷粘附力（N）－80.3－60.3

結(jié)構(gòu)特征－細(xì)柱狀面心立方結(jié)構(gòu)－面心立方結(jié)構(gòu)

摩擦性能－與鋼摩擦系數(shù)0.30－與鋼摩擦系數(shù)0.41

2．高速銑削技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

    近年來，高速切削技術(shù)發(fā)展迅猛，如銑削機(jī)床轉(zhuǎn)速已高達(dá)30000～50000r/min。高速銑削在模具制造等精密、超精密加工中具有良好的應(yīng)用前景。由于有些模具的過渡棱邊尖銳薄弱，轉(zhuǎn)角處易發(fā)生塌角現(xiàn)象，采用普通銑削難以保證模具廓形交界處的加工精度，而采用高速銑削可切削出形狀銳利的輪廓尖角，可實(shí)現(xiàn)精密模具的高精度、高效率加工。

近年來，國外模具制造商開發(fā)了多項(xiàng)模具高速加工先進(jìn)技術(shù)，如：①形狀預(yù)識別控制技術(shù)：該技術(shù)可在高速加工模具自由曲面時實(shí)現(xiàn)高精度加工控制功能，以避免尖角部位因切削沖擊、機(jī)械滯后等引起路徑誤差。②SF技術(shù)：用球形銑刀加工模具自由曲面時，因工件和刀具的切削點(diǎn)在不斷變化，使實(shí)際切削點(diǎn)的切削速度不斷發(fā)生變化，影響表面加工質(zhì)量。采用SF技術(shù)可從NC數(shù)據(jù)中預(yù)先讀出時刻變化的切削點(diǎn)信息，通過控制主軸回轉(zhuǎn)速度使切削點(diǎn)切削速度保持一定；同時控制每轉(zhuǎn)相當(dāng)進(jìn)給量，使進(jìn)給速度保持穩(wěn)定。③區(qū)域加工技術(shù)：在模具加工面上預(yù)先設(shè)定一定區(qū)域，應(yīng)用區(qū)域加工技術(shù)可在不改變原

    加工程序的情況下，對設(shè)定區(qū)域內(nèi)或區(qū)域外實(shí)現(xiàn)可改變切深及其它切削條件的加工。④直角鄰邊圓弧內(nèi)角銑削技術(shù)：采用三面銑刀柄嵌三角刀片進(jìn)行加工，可將圓弧內(nèi)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(shù)控代碼G260指令，可實(shí)現(xiàn)在平面上加工斜孔。加工時，銑刀桿利用萬向節(jié)偏轉(zhuǎn)要求的角度，可免除常規(guī)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(tǒng)采用NURBS（Non-uniform Rational B Spline）補(bǔ)償，從而解決了控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸存在等待現(xiàn)象，在微小進(jìn)給（1μm）加工時機(jī)床不能移動等問題。

    采用高速銑削技術(shù)對模具進(jìn)行直接成型加工，可減少電加工及相關(guān)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(shí)現(xiàn)模具的高速銑削加工，開發(fā)及應(yīng)用先進(jìn)的高速銑削刀具尤為重要，TiAlN涂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涂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涂層硬銑刀（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），采用不同冷卻方式對刀具磨損形貌的影響結(jié)果表明，采用風(fēng)冷切削時刀具磨損最小；采用干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。由于銑刀刃呈間歇切削狀態(tài)，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(dǎo)致切削刃破裂及刀片破損。因此，高速銑削模具鋼時不應(yīng)使用冷卻液，否則會縮短刀具壽命。

    刀具的主要失效機(jī)理包括月牙洼磨損、熱變形、破裂等。切削熱和機(jī)械振動是刀具失效的重要影響因素。月牙洼磨損通常發(fā)生在刀片前刀面上，當(dāng)高速加工鋼件及其它硬質(zhì)材料時，切屑在高溫作用下熔附在刀具表面，并使刀具材料顆粒發(fā)生剝離，形成月牙洼磨損。過度的月牙洼磨損會削弱切削刃強(qiáng)度，阻礙切屑流動，增大刀具承受的溫度與壓力，最終導(dǎo)致刀具破損。對刀具進(jìn)行涂層可在刀具與工件之間增加一層惰性硬介質(zhì)，顯著減小月牙洼磨損。通過合理應(yīng)用涂層技術(shù)，可使刀片既具有高硬度又具有高韌性。涂層時可根據(jù)需要調(diào)節(jié)基體和涂層的元素分布，使切削刃區(qū)域具有較高含鈷量，從而將含鈷基體的耐沖擊性與涂層的耐磨性結(jié)合起來，使切削刃具有良好韌性而刀具其余部分保持較高硬度。

    用VC-MD型號TiAlN涂層銑刀高速銑削AlSi H13 模具鋼（50HRC）時（進(jìn)給速度：0.10mm/齒；軸向切深10mm，徑向切深0.5mm），銑削狀態(tài)與刀具破損的關(guān)系表明：當(dāng)切削速度V=157m/min時，采用干式切削和風(fēng)冷切削時的切削長度均可達(dá)到300m；采用乳化液冷卻切削時在200m處刀刃出現(xiàn)崩裂。當(dāng)切削速度V=314m/min時，采用干式切削時在150m處刀具出現(xiàn)破碎；采用風(fēng)冷切削時在300m處仍可正常銑削；采用乳化液冷卻切削時在50m處刀具出現(xiàn)崩裂。當(dāng)切削速度V=471m/min時，采用干式切削時在200m處刀具出現(xiàn)較大磨損；采用風(fēng)冷切削時在300m處刀具出現(xiàn)較大磨損；采用乳化液冷卻切削時在50m處刀具出現(xiàn)崩裂。當(dāng)切削速度V=628m/min時，采用干式切削時在100m處刀具出現(xiàn)較大磨損，在120m處刀具破碎折斷；采用風(fēng)冷切削時，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(fēng)冷切削一般可采用液氮致冷和壓縮空氣致冷兩種方式，并可對切削區(qū)輔以油霧潤滑，以提高加工表面光潔度。風(fēng)冷切削可獲得較好加工效果，但加工成本較高。干式切削省去了冷卻、潤滑裝置，可降低加工成本，減少環(huán)境污染。為實(shí)現(xiàn)干式切削，刀具涂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，以減小作用于刀具基體的熱應(yīng)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涂層就是一種可較好滿足上述要求的高性能涂層。

    許多新型硬質(zhì)合金刀具牌號（尤其是帶涂層牌號）在高速切削時采用干切削方式可獲得更高切削效率。事實(shí)上，對于間斷切削，切削區(qū)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(huán)，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(chǎn)生應(yīng)力，從而引起裂紋。

涂層厚度（一般為2～18μm）對于刀具性能具有重要影響。對于沖擊力較大、刀具快速冷卻和加熱的間斷切削，薄涂層承受溫度變化的性能優(yōu)于厚涂層，其應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生裂紋，因此薄涂層刀片干式切削時的壽命可延長40%。一般來說，PVD工藝可獲得比CVD工藝更薄的涂層，且與基體結(jié)合較為牢固，因此圓形刀具和銑刀片等常采用PVD涂層。此外，由于PVD涂層的沉積溫度較低，因此較多應(yīng)用于刃口鋒利的刀具及大正前角銑刀、車刀等。

    TiAlN涂層是目前適用于高速干式切削的性能最佳的PVD涂層，其高溫連續(xù)切削性能指標(biāo)比氮化鈦（TiN）涂層高4倍，這主要得益于高溫切削時 涂層表面的鋁氧化后在切屑/刀具界面上形成的非結(jié)晶氧化鋁薄膜。

    分別用VC-MD型號TiAlN涂層銑刀、TiN涂層銑刀和未涂層銑刀高速銑削AlSi H13/JIS SKD61模具鋼（52HRC）（進(jìn)給速度：0.10mm/齒；軸向切深10mm，徑向切深0.5mm；順銑，風(fēng)冷），加工長度達(dá)50m后刀具周邊后刀面的磨損情況表明：當(dāng)切削速度V=100m/min時，加工時間為60min，TiAlN涂層銑刀的磨損量僅為其它刀具的1/2～1/3。當(dāng)V=600m/min時，TiAlN涂層銑刀加工同樣長度僅需時10min，磨損量增大2倍；TiN涂層銑刀和未涂層銑刀在V=200m/min時磨損量已較大，V繼續(xù)增大時則出現(xiàn)劇烈磨損。分析磨損曲線的變化趨勢可知，TiAlN涂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涂層的磨損量變化很小，非常適合高速切削。 4．TiAlN涂層銑刀高速銑削鈦合金的切削性能

    用VC-2MS型號TiAlN涂層銑刀（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(cè)面銑削；冷卻壓力：4.4M），銑削速度與刀具后刀面磨損的關(guān)系表明：鈦合金屬于難加工材料，當(dāng)TiAlN涂層銑刀低速銑削時，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(dāng)切削速度超過10000r/min后，刀具磨損量快速增加。斷續(xù)切削鈦合金材料產(chǎn)生的高溫會使刀片的切削刃與其它部分之間產(chǎn)生較大溫差，導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生裂紋，裂紋的擴(kuò)展將導(dǎo)致切削刃破裂及刀片破損。

    用六刃TiAlN涂層銑刀（φ10mm）銑削Ti-6Al4V，當(dāng)改變銑削速度與銑削深度時（進(jìn)給速度：0.10mm/齒；軸向切深10mm，側(cè)面銑削），銑刀轉(zhuǎn)速與徑向切深的關(guān)系曲線表明：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(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加時磨損將迅速增大。選取5000r/min的轉(zhuǎn)速較為安全，可在0.4～0.6mm的徑向切深量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(jù)切削試驗(yàn)結(jié)果，銑削鈦合金時，選取轉(zhuǎn)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(yīng)小于鍵槽寬度，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，可采用圓弧銑槽方法。采用φ6銑刀沿一定弧度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)銑削，可高效完成切深10mm的加工。圓弧銑槽的尺寸計(jì)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。

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

表2 圓弧銑槽銑削參數(shù)與加工效果

銑削參數(shù)：

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(yōu)勢在于大的軸向切深、減小銑削力、減輕機(jī)械振動、提高銑刀耐用度。

（2）螺旋銑孔

    用TiAlN涂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涂層球形銑刀對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(jìn)給速度：1500mm/min；銑削速度：283m/min，相當(dāng)于15000r/min）時，被加工孔徑與螺旋式銑削的軸向進(jìn)給率（螺旋前進(jìn)一周的軸向移動量）Fa取值的關(guān)系表明：Fa取值較小時可加工較大的孔徑。當(dāng)被加工孔徑為φ9mm時，F(xiàn)a最大可取值0.6mm，如超過該值則銑刀磨損將加劇。以軸向進(jìn)給率Fa=0.3mm加工φ7mm孔徑時的銑孔數(shù)量與銑刀磨損量的關(guān)系表明：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(shù)量的增加，TiAlN涂層銑刀的磨損量變化不大，其耐用度較高。

6．結(jié)語

    TiAlN涂層具有優(yōu)于TiC、TiN、TiCN等涂層的機(jī)械物理性能，并可與其它涂層配合組成多元多層復(fù)合涂層。切削試驗(yàn)及加工實(shí)踐表明，TiAlN 涂層刀具化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損能力強(qiáng)，高速加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金等難加工材料時，其工作壽命可比TiN涂層刀具提高3～4倍。TiAlN涂層中具有較高Al濃度，切削加工時涂層表面會生成一層極薄的非晶態(tài)Al2O3，從而形成硬質(zhì)惰性保護(hù)膜，非常適合應(yīng)用于高速切削加工。TiAlN 涂層刀具的普及應(yīng)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(yè)經(jīng)濟(jì)效益。