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CN111665159B - 一种延长金属切削涂层刀具寿命的方法 - Google Patents

一种延长金属切削涂层刀具寿命的方法 Download PDF

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Abstract

一种延长金属切削涂层刀具寿命的方法。本发明涉及一种金属切削涂层刀具表面处理方法，具体是一种能够提高金属切削涂层刀具使用寿命的表面处理方法，包括如下步骤：首先，进行刀具与工件之间的性能匹配试验，优选出可形成自组织切削特征的涂层刀具；其次，采用高速切削试验寻找涂层刀具最佳切削参数（主要包括切削速度、进给量、切削深度），检测自组织结构存在的时间段；再次，研究刀具表面完整性（表面形貌、硬度、表面粗糙度、残余应力），分析与自组织结构之间的关系；再次，以自组织结构出现时的表面完整性为参考，进行针对性的表面处理，提前并延长自组织结构的持续时间。针对不同金属材料，均采用上述方法进行加工，提高刀具寿命和加工质量，降低成本，有利于工业化生产。

Description

一种延长金属切削涂层刀具寿命的方法
技术领域
本发明涉及一种金属切削涂层刀具的使用及处理方法，具体地说是一种通过表面处理改善刀具自组织性能来延长金属切削刀具加工寿命的方法。
背景技术
在机械制造业中，金属加工必不可少，有90％以上的机械零件是通过切削加工生产制造。与未涂层刀具相比，涂层刀具以其高性能占据了80％以上的切削加工。而涂层刀具局表面自组织现象的出现，有效生成了自组织保护膜或次生结构，可以有效起到润滑、减摩的作用，从而提高金属切削涂层刀具性能，延长刀具使用寿命，改善加工工件表面质量。涂层刀具表面完整性的演变，对刀具自组织结构出现时间、持续时间都具有重要的影响。
许多研究表明，在特定切削条件下，自组织结构的生成、稳态和消失，分别对应着刀具的前期、中期和后期三个阶段。自组织结构的组织层，通过润滑、减少耗散等作用，改变刀具摩擦磨损条件，从而延长刀具寿命。其中氧化膜的生成不仅与刀具与工件材料相关，也受到涂层刀具表面完整性的影响。现有的研究仅是发现自组织现象以及自组织现象存在的条件，目前还少有表面完整性对自组织性能和刀具性能影响的相关研究。
为此，本发明针对涂层刀具表面自组织的表面完整性条件，首先针对不同工件材料进行刀具选择与切削参数验证试验，初步选取刀具材料。之后分析涂层刀具表面完整性演变与刀具自组织结构存在、持续的时间，进一步寻找表面完整性与自组织结构形成之间的关系。最后进行相关表面处理，改变涂层刀具表面完整性，提前并延长自组织结构存在时间。不仅提高了刀具寿命与工件表面质量，同时为涂层刀具的性能提升提供新途径，具有普遍的科学意义和工程价值。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种延长金属切削涂层刀具寿命的方法，可解决切削过程中刀具磨损快、切削寿命低的问题。为达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种延长金属切削涂层刀具寿命的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)相对于不同金属工件材料，选取不同涂层刀具，进行高速切削试验，测试不同阶段自组织结构摩擦保护膜是否形成，以VB＝0.3mm为刀具失效标准，进行寿命测试，最佳切削刀具；
2)若存在自组织结构保护薄膜形成，再选取1)中最佳切削刀具进行不同参数下的高速切削试验，比较刀具切削寿命，确定最佳高速加工参数，具体包括切削速度、切削深度和进给量；
3)选取1)中刀具，2)中切削参数，进行高速切削试验，取三个磨损阶段的多个不同刀具，以VB＝0.3mm为刀具失效标准，记录涂层刀具各阶段磨损量以及磨损形式；
4)测试三个阶段刀具的主要表面完整性因素，主要包括：硬度、表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力；对涂层刀具表面磨损进行测试分析，判断表面自组织结构是否存在；进行刀具表面自组织结构存在阶段的硬度、表面粗糙度、表面残余应力演变曲线绘制，观察刀具表面形貌，分析自组织结构存在与刀具表面完整性之间关系；
5)根据自组织结构存在阶段内的表面完整性变化，制定相应的表面处理方案，对涂层刀具表面进行表面处理，改变涂层刀具表面完整性，提前以及延长自组织结构出现的时间；
6)选取5)中已处理涂层刀具进行最佳参数下分阶段高速切削试验，验证涂层刀具自组织结构存在时间是否延长或提前，刀具寿命是否得到提升。
进一步地，步骤2)所述的刀具自组织结构包括润滑、减摩的Al2O3、TiO2或SiO2或是起抗氧化和耐磨性作用的Cr3C2、Si3N4或TiN。
进一步地，步骤3)所述的三个磨损阶段包括初始磨损阶段，稳定磨损阶段，急剧磨损阶段。
进一步地，步骤4)所述表面完整性参数主要有影响刀具与工件表面摩擦磨损的涂层刀具表面形貌与表面粗糙度；影响刀具-工件切削速度与温度的硬度；影响抗冲击性能和涂层结合强度的表面残余应力。
进一步地，步骤5)所述的表面处理采用喷砂或者微喷砂处理。
本发明具有如下的优点与有益效果：
本发明提出了在金属切削涂层刀具存在自组织结构的前提下，寻找与自组织结构存在关系的表面完整性因素，并通过表面处理改变表面完整性，提高刀具寿命的方法。该方法首先通过高速切削试验，表面自组织结构分析，优选切削时存在自组织结构的涂层刀具，实现刀具与工件最佳匹配；之后在考虑切削效率的前提下寻找自组织结构存在时的最佳切削参数，并分阶段切削，研究涂层刀具表面完整性演变与自组织结构存在的关系；以自组织结构存在时的刀具表面完整性为参考依据，进行相应表面处理，可使刀具的表面完整性更加有利于自组织结构出现、存在；最后进行切削试验，验证刀具寿命及加工表面质量。将该方法应用于难加工材料切削，试验结果表面，涂层刀具寿命上升，为涂层刀具的表面处理提升提供新依据，具有普遍的科学意义和工程价值。
具体实施方式
一种延长金属切削涂层刀具寿命的方法，所用切削刀具为硬质合金涂层刀具KC5010(TiAlN单层PVD涂层，肯纳公司生产)，工件材料为航空航天常用钛合金TC4(Ti6Al4V)，在数控车床CKD6136i(大连机床厂)上进行试验，，选用光学显微镜测量刀具磨损量，扫描电镜(quata250)观察表面形貌，进行EDS分析表面自组织结构，光学轮廓仪测量刀具表面粗糙度，X-stress 3000残余应力仪测量残余应力，压痕硬度仪测量刀具硬度。
1)进行高速切削试验，在保证自组织存在的条件下，选用TiAlN硬质合金涂层刀具，在此条件下有TiO2、Al2O3等自组织结构生成，可以起到热障、减摩的作用，选取切削速度v＝90-120m/min，切削深度ap＝0.1-0.2mm，进给量f＝0.1-0.3mm/r进行切削。在保证加工效率前提下，以刀具寿命为判断标准，选取最佳切削参数；
2)采用最佳参数切削速度v＝110m/min，切削深度ap＝0.2mm,进给量f＝0.2mm/r进行高速切削试验，以VB＝0.3mm为刀具失效标准，获取不同磨损阶段的刀具；
3)测试不同阶段的表面完整性，绘制硬度、表面粗糙度、表面残余应力演变曲线，观察刀具表面形貌演变；同时进行表面EDS与拉曼光谱分析，研究不同阶段刀具表面自组织存在的情况，与表面完整性演变的趋势进行结合分析，研究表面完整性与自组织结构存在的关系；4)根据不同表面完整性参数对表面自组织结构的影响，选定未处理刀具先进行微喷砂处理，之后进行超声波清洗；经过微喷砂试验测试，根据不同参数下的表面完整性变化，进行最优参数组合，选择喷砂参数为：压强0.3MPa，时间7s，颗粒Al2O3。进行超声波清洗，置于酒精内，清洗时间30min，清理表面残留物；
5)采用最佳参数进行高速切削试验，分多个阶段记录刀具表面自组织结构存在的状况，验证涂层刀具寿命提升程度。
通过上述过程得到的硬质合金涂层刀具KC5010在进行钛合金TC4切削时，未处理刀具寿命为5min，处理后的刀具寿命为7min相比于未处理刀具，涂层自组织存在的切削阶段延长30％以上，刀具整体寿命提升40％。

Claims (5)

1.一种延长金属切削涂层刀具寿命的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)相对于不同金属工件材料，选取不同涂层刀具，进行高速切削试验，测试不同阶段自组织结构摩擦保护膜是否形成，以VB＝0.3mm为刀具失效标准，进行寿命测试，最佳切削刀具；
2)若存在自组织结构保护薄膜形成，再选取1)中最佳切削刀具进行不同参数下的高速切削试验，比较刀具切削寿命，确定最佳高速加工参数，具体包括切削速度、切削深度和进给量；
3)选取1)中刀具，2)中切削参数，进行高速切削试验，取三个磨损阶段的多个不同刀具；以VB＝0.3mm为刀具失效标准，记录涂层刀具各阶段磨损量以及磨损形式；
4)测试三个阶段刀具的主要表面完整性因素，主要包括：硬度、表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力；对涂层刀具表面磨损进行测试分析，判断表面自组织结构是否存在；进行刀具表面自组织结构存在阶段的硬度、表面粗糙度、表面残余应力演变曲线绘制，观察刀具表面形貌，分析自组织结构存在与刀具表面完整性之间关系；
5)根据自组织结构存在阶段内的表面完整性变化，制定相应的表面处理方案，对涂层刀具表面进行表面处理，改变涂层刀具表面完整性，提前以及延长自组织结构出现的时间；
6)选取5)中已处理涂层刀具进行最佳参数下分阶段高速切削试验，验证涂层刀具自组织结构存在时间是否延长或提前，刀具寿命是否得到提升。
2.按照权利要求1所述的延长金属切削涂层刀具寿命的方法，其特征在于：步骤2)所述的刀具自组织结构包括润滑、减摩的Al2O3、TiO2或SiO2或是起抗氧化和耐磨性作用的Cr3C2、Si3N4或TiN。
3.按照权利要求1所述的延长金属切削涂层刀具寿命的方法，其特征在于：步骤3)所述的三个磨损阶段包括初期磨损阶段，稳定磨损阶段，急剧磨损阶段。
4.按照权利要求1所述的延长金属切削涂层刀具寿命的方法，其特征在于：步骤4)所述表面完整性参数主要有影响刀具与工件表面摩擦磨损的涂层刀具表面形貌与表面粗糙度；影响刀具-工件切削速度与温度的硬度；影响抗冲击性能和涂层结合强度的表面残余应力。
5.按照权利要求1所述的延长金属切削涂层刀具寿命的方法，其特征在于：步骤5)所述的表面处理采用喷砂或者微喷砂处理。
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