非晶合金涂層在加工刀具上的應用

       近年來，跟著研討的不斷深入，加工技能高質(zhì)量、低能耗的特色逐漸受到重視，并在航空航天范疇得到廣泛應用。加工技能包括加工機床、加工刀具和加工工藝等方面。《非晶中國工業(yè)開展咨詢》主要從加工刀具的資料涂層技能方面進行介紹，給非晶態(tài)合金應用提供新的方向和思路。

加工及對刀具的高要求

       加工(High PerformanceMachining，HPM)是在保證零件精度和質(zhì)量的前提下，經(jīng)過對加工進程的優(yōu)化和進步單位時刻資料切除量來進步加工功率和設備利用率、下降生產(chǎn)成本的一種高功能加工技能。在加工體系中，刀具是完成切削加工的工具，直觸摸摸工件并從工件上切去一部分資料，使工件得到契合技能要求的形狀、尺度精度和外表質(zhì)量。在整個加工進程中，刀具直接與工件觸摸，會呈現(xiàn)嚴峻的刀具磨損現(xiàn)象，因而刀具也是加工進程中的一大消耗品。刀具技能的內(nèi)涵包括刀具資料技能、刀具結(jié)構(gòu)設計和成形技能、刀具外表涂層技能等，也包含了上述單項技能歸納交叉形成的高速刀具技能、刀具可靠性技能、綠色刀具技能、智能刀具技能等。刀具作為機械制作工藝配備中重要的一類基礎部件。

       刀具在切削進程中承受深重的負荷，包括高的機械應力、熱應力、沖擊和振蕩等，如此惡劣的工作條件對刀具功能提出了高要求。挑選刀具資料、設計刀具結(jié)構(gòu)、開展刀具涂層和高功能刀具技能成為進步切削加工水平的關鍵環(huán)節(jié)?！斗蔷е袊I(yè)開展咨詢》主要從刀具涂層技能等方面對刀具進行介紹，以促進先進刀具的開發(fā)，為進步制作技能水平發(fā)揮應有的效果。

加工刀具的外表涂層

       刀具外表涂層以增效和延壽為目的，是將耐高溫、耐磨損的資料涂覆在刀具基體資料外表。涂層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了刀具的月牙槽磨損。涂層刀具具有外表硬度高、耐磨性好、化學功能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導率低一級特性?，F(xiàn)在，常用的刀具涂層辦法有化學氣相堆積法(CVD)、物理氣相堆積法(PVD)、等離子體化學氣相堆積法(PCVD)、熱噴涂法和離子束輔助堆積法(IBAD)，其中以PVD和CVD應用為廣泛。

       刀具的涂層技能現(xiàn)在現(xiàn)已成為進步刀具功能的關鍵技能。在涂層工藝方面，CVD依然是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝，在基體資料改進的基礎上，使CVD涂層刀具的耐磨性和韌性都得到進步。PVD相同取得了重大進展，開發(fā)了習慣高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，如納米、多層結(jié)構(gòu)等。等離子體化學氣相堆積法(PCVD)是將高頻微波導人含碳化物氣體發(fā)生高頻高能等離子，或者經(jīng)過電極放電發(fā)生高能電子使氣體電離成為等離子體，由氣體中的活性碳原子或含碳基團在合金的外表堆積的一種涂層制備辦法。

非晶合金涂層的優(yōu)勢

       刀具涂層技能向物理涂層附加大功率等離子體方向開展；功能薄膜向著多元、多層膜的方向開展；并研討集硬度、化學穩(wěn)定性、抗癢化性于一體且具有低內(nèi)應力和高附著力的薄膜制備技能。圖(a)為多層涂層，其內(nèi)層的TiCN與基體有較強的結(jié)合力和強度，中心的Al2O3，作為一種有用的熱屏障可答應有更高的切削速度，外層的TiCN保證抗前刀面和后刀面磨損才能，外一薄層金黃色的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態(tài)；圖(b)中納米涂層與傳統(tǒng)涂層比較，具有超硬度、超模量和高紅硬性效應，并且顯微硬度可超過40GPa；圖(c)納米復合結(jié)構(gòu)涂層在強等離子體效果下，納米TiAlN晶體被鑲  

刀具的涂層技能

嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi)，當AlTiN晶體尺度小于10nm時，位錯增殖源難于啟動，而非晶態(tài)相又可阻撓晶體位錯的遷移，即使在較高的應力下，位錯也不能穿越非晶態(tài)晶界。這種結(jié)構(gòu)薄膜的硬度可以達到50GPa以上，并可堅持適當優(yōu)異的韌性，且當溫度達到900—1100℃時，其顯微硬度仍可堅持在30GPa以上。

       CVD和PVD涂層工藝技能和配備水平將得到進一步提升和工業(yè)化。復合、梯度、多層、納米多層、納米非晶態(tài)復合結(jié)構(gòu)涂層及薄膜多元化、個性化、涂層、晶粒大小可控化等功能可定制的涂層(如高速干切削復合涂層技能)將逐漸工業(yè)化。另一方面，針對廢舊刀具回收利用的退涂技能、重涂技能也將由于綠色環(huán)保逐漸得到重視。此外，刀具軟涂層方向的自潤滑刀具作為可以完成干切削、準干式切削(MQL)的技能途徑之一現(xiàn)已受到重視。

非晶合金涂層刀具的前景

       刀具的切削功能是刀具資料、幾何結(jié)構(gòu)和涂層相互組合的成果，新資料、立異的結(jié)構(gòu)設計和涂層可以促進刀具功能的改進。我國的刀具制作技能依然與先進國家存在很大的差距，研討刀具技能火燒眉毛，特別是基礎資料和結(jié)構(gòu)立異，需要打破傳統(tǒng)思維，斗膽立異，尋求刀具技能的新出路。

      “非晶中國大數(shù)據(jù)中心”信息標明：我國科學家在刀具上進行非晶態(tài)復合涂層技能攻關，并現(xiàn)已開端在企業(yè)試用，效果得到必定。未來，這將是非晶合金一個值得開發(fā)的高段應用市場。

刀具的挑選是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容之一，不只影響機床的加工功率，并且直接影響零件的加工質(zhì)量。因為數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速及規(guī)模遠遠高于一般機床，并且主軸輸出功率較大，因而與傳統(tǒng)加工辦法相比，對數(shù)控加工刀具的提出了更高的要求，包含精度高、強度大、剛性好、耐用度高，并且要求尺度安穩(wěn)，裝置調(diào)整便利。這就要求刀具的結(jié)構(gòu)合理、幾許參數(shù)規(guī)范化、系列化。

1 數(shù)控刀具是進步加工功率的先決條件之一，它的選用取決于被加工零件的幾許形狀、資料狀況、夾具和機床選用刀具的剛性。應考慮以下方面：

（1）依據(jù)零件資料的切削功能挑選刀具。如車或銑高強度鋼、鈦合金、不銹鋼零件，建議挑選耐磨性較好的可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具。

（2）依據(jù)零件的加工階段挑選刀具。即粗加工階段以去除余量為主，應挑選剛性較好、精度較低的刀具，半精加工、精加工階段以確保零件的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量為主，應挑選耐用度高、精度較高的刀具，粗加工階段所用刀具的精度蕞低、而精加工階段所用刀具的精度蕞高。如果粗、精加工挑選相同的刀具，建議粗加工時選用精加工篩選下來的刀具，因為精加工篩選的刀具磨損狀況大多為刃部細微磨損，涂層磨損修光，持續(xù)運用會影響精加工的加工質(zhì)量，但對粗加工的影響較小。

（3）依據(jù)加工區(qū)域的特色挑選刀具和幾許參數(shù)。在零件結(jié)構(gòu)允許的狀況下應選用大直徑、長徑比值小的刀具；切削薄壁、超薄壁零件的過中心銑刀端刃應有滿意的向心角，以削減刀具和切削部位的切削力。加工鋁、銅等較軟資料零件時應挑選前角稍大一些的立銑刀，齒數(shù)也不要超越4齒。

選取刀具時，要使刀具的尺度與被加工工件的外表尺度相適應。出產(chǎn)中，平面零件周邊概括的加工，常選用立銑刀；銑削平面時，應選硬質(zhì)合金刀片銑刀；加工凸臺、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯外表或粗加工孔時，可選取鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角概括外形的加工，常選用球頭銑刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。

在進行自在曲面加工時，因為球頭刀具的端部切削速度為零，因而，為確保加工精度，切削行距一般很小，故球頭銑刀適用于曲面的精加工。而端銑刀無論是在外表加工質(zhì)量上還是在加工功率上都遠遠優(yōu)于球頭銑刀，硬質(zhì)合金刀具價格，因而，在確保零件加工不過切的前提下，粗加工和半精加工曲面時，盡量挑選端銑刀。別的，刀具的耐用度和精度與刀具價格聯(lián)系極大，有必要引起注意的是，在大多數(shù)狀況下，挑選好的刀具盡管增加了刀具本錢，但由此帶來的加工質(zhì)量和加工功率的進步，則能夠使整個加工本錢大大下降。

在加工中心上，一切刀具全都預先裝在刀庫里，經(jīng)過數(shù)控程序的選刀和換刀指令進行相應的換刀動作。有必要選用適合機床刀詳細系標準的相應規(guī)范刀柄，以便數(shù)控加工用刀具能夠敏捷、準確地裝置到機床主軸上或返回刀庫。編程人員應能夠了解機床所用刀柄的結(jié)構(gòu)尺度、調(diào)整辦法以及調(diào)整規(guī)模等方面的內(nèi)容，以確保在編程時斷定刀具的徑向和軸向尺度，合理安排刀具的擺放次序。

特征造型不只能表達機械零件的底層幾許信息，并且可從具有工程意義的較高層次上對產(chǎn)品進行表達和建模，有用支持產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的各個環(huán)節(jié)。因而，特征造型是將規(guī)劃與質(zhì)量計算、工程分析、數(shù)控加工編程等環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)起來的樞紐。

大多數(shù)特征造型體系均選用鴻溝表明法(B-rep)和結(jié)構(gòu)幾許法(CSG)相結(jié)合的辦法來描繪零件的形狀特征。鴻溝表明法首要用于描繪構(gòu)成幾許體的幾許元素(頂點、線、面等)之間的拓撲聯(lián)系，并可輔佐用戶選取特定的幾許元素；結(jié)構(gòu)幾許規(guī)律經(jīng)過樹形操作完結(jié)實體體素的拼合，構(gòu)成終究規(guī)劃特征。本文首要討論結(jié)構(gòu)幾許法的擴展及其在數(shù)控鏜刀特征造型體系中的使用。該辦法對于其它數(shù)控刀具相同適用。

2 輔佐面切開法的引進

因為數(shù)控刀具的形體為不規(guī)矩的棱柱體，而結(jié)構(gòu)幾許法選用的拼合體素為規(guī)矩形體，因而，單純選用結(jié)構(gòu)幾許法對數(shù)控刀具進行造型，既不靈敏功率又低。如引進輔佐面切開法，則可簡化造型進程，硬質(zhì)合金刀具優(yōu)點，進步造型功率，在某些狀況下還可下降造型難度。

若選用輔佐面切開法解決上述問題，常州硬質(zhì)合金刀具，則只需結(jié)構(gòu)原始長方體和輔佐面P，然后用

P面切開原始長方體，即可達到目的。

為取得形體Ⅰ，選用結(jié)構(gòu)幾許法需結(jié)構(gòu)三個別素，即原始長方體、直棱柱Ⅱ和Ⅲ，且直棱柱Ⅱ和Ⅲ中總有一個直棱柱需被結(jié)構(gòu)為比實踐需要的體素大，這也增加了不必要的存儲空間。并且，如要確保圖2中Pt點的空間方位，則需進步原始長方體和直棱柱Ⅲ的造型要求，經(jīng)確規(guī)劃原始體素的尺度，才能得到符合要求的Pt點。

若選用輔佐面切開法，為取得形體Ⅰ，則只須結(jié)構(gòu)一個基本體素——原始長方體，然后結(jié)構(gòu)切開輔佐面P1和P2，如需確保Pt點的方位，只要確保P1和P2平面均過Pt點即可，而這一點不難做到。

為敘說便利和清楚，以上所舉二例都是經(jīng)化簡的模型，實踐造型中所遇到的問題要雜亂得多，并且用結(jié)構(gòu)幾許法結(jié)構(gòu)一個空間形體能夠經(jīng)由不同的拼合路徑。與一切拼合辦法相比，選用輔佐面切開法都具有明顯的優(yōu)越性。

3 輔佐面切開法的完結(jié)

盡管選用輔佐面切開法可大大簡化結(jié)構(gòu)幾許法，但并非在一切狀況下都能完結(jié)。如圖3所示狀況，為取得形體Ⅰ，有必要在原始長方體上減掉長方體Ⅱ，在此狀況下輔佐面切開法就無法運用。因而，輔佐面切開法只能作為結(jié)構(gòu)幾許法的彌補和擴展，而無法徹底取代結(jié)構(gòu)幾許法。

輔佐面切開法的使用條件為：

1) 結(jié)構(gòu)幾許法中兩體素有必要作差拼合運算；

2) 拼合構(gòu)成的終究形體有必要坐落輔佐面一側(cè)。

因而，為了蕞大限度地使用輔佐面切開法，在構(gòu)成終究形體時，應盡量選用差拼合辦法。但凡能經(jīng)機械加工得到的零件，均可經(jīng)過精心規(guī)劃基本體素而以差拼合辦法完結(jié)其特征造型。

完結(jié)輔佐面切開法的關鍵是輔佐面的結(jié)構(gòu)及體素被切開后兩部分的取舍。

平面的幾許界說為：經(jīng)過空間一固定點且垂直于一空間向量的曲面。即由一空間固定點和一空間向量可僅有地斷定一個平面，其中固定點坐落平面上，空間向量為平面的法向量。因而，平面可由其點法度方程斷定，即

A(X-X0) B(Y-Y0) C( Z-Z0)=0 (1)

其中 P0(X0，Y0，硬質(zhì)合金刀具規(guī)格，Z0)為一固定點，而V={A，B，C}為平面的法向量。

依據(jù)界說，可用平面上一點和平面的法向量來結(jié)構(gòu)平面。在某些狀況下，如平面的法向量不易斷定，但能較容易地找到平面上的三個點P0、P1、P2，則可經(jīng)過結(jié)構(gòu)向量V1=P0P1和V2=P0P2，然后求V1和V2的叉積而得到平面的法向量V0=V1×V2。

輔佐面結(jié)構(gòu)完結(jié)后，切開后的形體如何取舍？在此作如下規(guī)則：凡切開后得到的兩個形體，坐落法向量正方向的形體為所需形體，坐落法向量負方向的形體為舍棄形體。在結(jié)構(gòu)平面時，一定要細心處理法向量的方向，使其指向所需形體。

4 數(shù)控刀具造型規(guī)劃實例

結(jié)構(gòu)幾許法是實體造型中廣泛使用的辦法，但單純選用結(jié)構(gòu)幾許法進行造型規(guī)劃有時難度相當大。本文提出使用輔佐面切開法對結(jié)構(gòu)幾許法進行擴展并使用于數(shù)控刀具的特征造型進程，大大下降了造型規(guī)劃的雜亂程度和難度，具有較好的使用價值。

1．數(shù)牲加工常用刀具的種類及特色

數(shù)控加工刀具有必要適應數(shù)控機床高速、和自動化程度高的特色，一般應包含通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯(lián)接刀具并裝在機床動力頭上，因而已逐漸規(guī)范化和系列化。

刀具是現(xiàn)代切削加工中極其關鍵的根底部件，其功能直接影響加工功率和已加工零件的表面質(zhì)量。即使對刀具刃口進行細心的磨削，刀具刃區(qū)的描摹依然會存在細微缺點，然后降低刀具的壽數(shù)和加工質(zhì)量。刀具刃口鈍化能夠延常刀具使用壽數(shù)50%-400%。因此，近年來刀具鈍化技能越來越受到重視。

國內(nèi)外學者關于刀具刃口鈍化展開了大量的研討。Tugrul ozel選用切削軟件進行方真，研討了鈍化后的PCBN刀具切削鋁合金時的應力和切削力等的改變規(guī)則；P.I.Varela等研討了不同的刃口形狀對切削后的剩余應力及已加工零件的表面質(zhì)量的影響，驗證了刀具刃口鈍化能夠有用提高加工表面質(zhì)量；賈秀杰等選用切削實驗探究了鈍化后的刀具在不同的切削參數(shù)下切削工件時，產(chǎn)生的切削力和被加工零件的表面質(zhì)量隨切削參數(shù)改變而改變的規(guī)則；朱曉雯選用了7種不同的鈍化工藝對硬質(zhì)合金刀具進行鈍化處理，其間包含立式旋轉(zhuǎn)鈍化法，并經(jīng)過實驗探究了不同鈍化方式對硬質(zhì)合金刀具壽數(shù)的影響。

刀具鈍化刃口尺度歸于微米級，通常選用鈍圓半徑表征刃口概括。實際上，刀具鈍化的刃口概括并非規(guī)則的圓弧，僅僅選用鈍圓半徑不足以表征實際的鈍化概括。B.Denkena等提出了任何切削刃的非對稱問題K-factor方法，選用從極點刀尖1和刀尖2的比率Sa/Sγ即K因子來表示，邊緣的扁平度經(jīng)過參數(shù)△γ和φ的比值來表示，這種方法相對簡單且可視化；C. F. Wyen等提出刀具刃口鈍化形狀的非對稱性問題，以一個圓的形式描繪刃口鈍化形狀，選用Da和Dγ的比率來測量垂直極點與兩邊的距離，選用R2≤0.9判定系數(shù)驗證。

目前通常選用K因子表示刀具鈍化非對稱刃口。當K=1時，刀具鈍化刃口為對稱刃口，即為鈍圓半徑。當K≠1時，刀具鈍化刃口為非對稱刃口。國內(nèi)外關于刀具鈍化非對稱刃口機制的研討十分少C.E.H.Ventura等選用研磨法對CBN刀具進行鈍化，經(jīng)過實驗驗證了不同的K因子對刀具刃口磨損的影響程度不同，選擇合適的K值以減少磨損；E.Bassett等選用磨料刷法對刀具進行鈍化，研討了不同K因子的非對稱刃口對涂層WC-Co刀具切削AISI1045的磨損和熱力散布的影響規(guī)則，經(jīng)過實驗驗證了Sα值影響刀具壽數(shù)，主要是后刀面磨損。因此，對刀具非對稱刃口鈍化的研討是必要的。

本文選用刀具刃口鈍化進行正交實驗研討，對硬質(zhì)合金刀具進行立式旋轉(zhuǎn)鈍化，經(jīng)過對實驗成果進行數(shù)學回歸分析，研討了刀具鈍化非對稱刃口K因子隨不同鈍化參數(shù)的改變規(guī)則，為實現(xiàn)刀具鈍化刃口優(yōu)化供給依據(jù)。

1  刀具刃口鈍化實驗

如圖1所示，在立式旋轉(zhuǎn)鈍化機上進行刀具鈍化處理。刀具裝夾在刀盤上，刀盤固定在主軸上，由碳化硅、棕剛玉以及核桃粉按照必定配比組合成的分散固體磨粒裝在磨粒桶中。成組刀具在磨粒中實現(xiàn)公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)，單個刀具實現(xiàn)公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)，達到鈍化的意圖。

刀具選用標準號為ZX040的硬質(zhì)合金立銑刀。刀具前角14°，后角15°，刃長25mm，直徑10mm，柄長75mm。

選用Alicona光學三維刀具測量儀對鈍化后的刀具非對稱刃口進行檢測（見圖2）。刀具鈍化非對稱刃口檢測成果如圖3所示。

依據(jù)鈍化速度、鈍化時刻、磨粒配比和磨粒粒度規(guī)劃正交實驗。其間，磨粒由棕剛玉和碳化硅組成，磨粒配比為碳化硅與棕剛玉的比值。刀具鈍化正交實驗成果見表1。

圖1  刀具刃口鈍化機    圖2  光學三維刀具測量儀

圖3  刀具鈍化非對稱刃口檢測成果

表1  刀具鈍化正交實驗

實驗成果表明，不同的鈍化參數(shù)對刀具非對稱刃口的影響程度不同。鈍化時刻對刀具非對稱刃口K因子的影響蕞大，磨粒配比與主軸轉(zhuǎn)速次之，磨粒粒度對刀具非對稱刃口K因子的影響蕞小。

2  刀具鈍化非對稱刃口模型的樹立

選用數(shù)學回歸法樹立刀具非對稱刃口K因子的猜測模型，把刀具鈍化4個鈍化參數(shù)作為自變量，刀具鈍化非對稱刃口K因子為因變量。依據(jù)正交實驗成果進行數(shù)學回歸，獲得刀具鈍化非對稱刃口K因子的猜測模型。

Y=1.352-0.00003651A-0.024B 0.000007221AD 0.004BD-0.002CD    （1）

式中，Y為因子；A為主軸轉(zhuǎn)速(mm/min)；B為鈍化時刻(min)；C為磨粒粒度(目數(shù))；D為磨粒配比。

為查驗數(shù)學回歸法構(gòu)造的的刀具鈍化非對稱刃口K因子模型能否較好地體現(xiàn)各自變量與因變量之間的函數(shù)關系，選用F查驗法進行顯著性查驗，K因子模型的F法查驗，成果見表2。

查F散布表，當α=0.05 時，F(xiàn)=（4，4）=6.39，因為F比16.591>6.39，從刀具鈍化非對稱刃口K因子模型的F查驗法的查驗成果可知，該猜測模型能夠較好地反映刀具鈍化非對稱刃口K因子與主軸轉(zhuǎn)速、鈍化時刻、磨粒粒度和磨粒配比之間的關系。

表2  刀具鈍化非對稱刃口K因子模型的方差分析表

小結(jié)

選用立式旋轉(zhuǎn)鈍化法進行刀具刃口鈍化實驗，經(jīng)過正交實驗研討刀具鈍化非對稱刃口K因子隨鈍化參數(shù)的改變規(guī)則，對刀具鈍化非對稱刃口K因子的影響蕞大的是鈍化時刻，其次是磨粒配比與主軸轉(zhuǎn)速，磨粒粒度對刀具鈍化非對稱刃口K因子的影響蕞小。選用數(shù)學回歸方法樹立了刀具鈍化非對稱刃口K因子的猜測模型，選用方差分析驗證了該模型的正確性。

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