铝合金加工用铣刀涂层技术应用.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 21 日 作者简介:王建波(1978),男,山东青岛人,汉族,本科,高级工程师,研究方向为机械设计与制造。-129-铝合金加工用铣刀涂层技术应用 王建波 中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266111 摘要:摘要:铝合金最高只有 110HB 左右的硬度,材料抗划痕和塑性变形的能力较差,刀具在加工过程中被加工工件表面的划伤、刀屑粘结、表面磨损严重等问题严重刀具消耗量较大。为进一步改善刀具材料的综合切削性能,涂层刀具成为目前加工切削领域的最佳解决方案之一。本文针对铝合金加工所用刀具涂层进行研究分析和验证工作,在铣刀表面增加
2、新型刀具涂层并结合现场加工试验效果,确定最优涂层及制备方法。关键词:关键词:高速钢铣刀;涂层;制备方法 中图分类号:中图分类号:TG71 0 引言 铝合金由于具有比较突出的高比强度,被广泛应用于地铁、轻轨、高速动车、汽车和航空飞行器等领域的零部件制造。由于铝合金的硬度最高只有 110HB左右,材料抗划痕和塑性变形的能力较差,在机加过程中被加工工件表面的划伤、刀屑粘结、表面磨损严重等问题严重困扰着铝合金加工切削行业。为进一步改善刀具材料的综合切削性能,对铝合金加工用刀具进行涂层成为目前解决刀具综合切削性能的有效手段。涂层刀具与未涂层刀具相比较,经过涂层的刀具在加工切削过程中表现出高速、高效、高精
3、度、高质量、低成本和长寿命等优点。刀具涂层向着涂层成分多元化、涂层纳米化和涂层复合化方向发展。本文针对铝合金型材加工所用刀具进行研究和验证工作,在铣刀表面增加新型刀具涂层并结合现场加工试验效果,确定最优涂层及制备方法。延长刀具寿命周期,提高刀具利用率,刀具使用成本降低。1 常用铣刀涂层及制备方法介绍分析 目前刀具涂层的研究主要有两种,一种是 TiALN涂层,另一种是类金刚石涂层,这两种刀具涂层适合于大多数材料和工况的应用。TiAlN 涂层:其作为一种新型涂层材料,具有热硬性好、附着力强、硬度高、导热率低、氧化温度高、摩擦系数小等优良特性,特别适合用于高速切削高合金钢、有色金属等材料。类金刚石(
4、DLC)涂层:类金刚石涂层是一种无定形碳膜,涂层存在金刚石结构 sp3 杂化键。DLC 涂层具有高硬度、高耐磨性、高热导率、高表面光洁度和自润滑等特点,其抗粘接性性能好,在铝金属冲孔、翻边、裁断等方面具有优势,不易产生毛刺、划痕等。DLC 涂层对容易粘附的材料,如铝合金等,表现出优异的加工切削性能,是铝合金加工切削刀具的理想涂层。类金刚石涂层主要有两种,一种是含氢类金刚石涂层,另一种是不含氢类金刚石涂层。刀具涂层的制备方法主要有两种,一种是物理气相沉积(PVD),另一种是气相沉积(CVD)两大类。物理气相沉积方法的成膜过程比较易控制,制备的膜层较致密。因此本次主要针对物理气象沉积方法进行试验验
5、证。物理气象沉积常用的制备方法方法主要有两种,分别是电弧离子镀技术和离子源加非平衡磁控溅射。电弧离子镀制备方法工作原理是在真空条件下,通过利用气体放电,使气体或被蒸发物质部分离化后形成等离子体,然后在电场的作用下均匀溅射到基体材料上。电弧离子镀有三个主要特点:一是电弧离子镀不用熔池,从阴极靶直接产生等离子体,同时作为蒸发源的阴极靶不熔化,阴极靶可根据真空室和工件形状在任意方向进行调整,有利于获得比较均匀的涂层。而是电弧离子镀入射粒子的能量相对较高,使得涂层膜的致密度高,涂层膜与基体的附着力强度高。三是电弧离子镀的缺点是在等离子体中存在着微粒,个别的可达微米级,微粒沉积在涂层工作表面会使其粗糙度
6、变差。电弧离子镀常用于 TiAlN 涂层。离子源加非平衡磁控溅射的原理是在真空设备中进行的一种高速低温溅射镀膜方法,受磁场的作用被中国科技期刊数据库 工业 A-130-溅射出来的金属原子会沿着特定的方向飞向基片,进而实现涂层薄膜的沉积。离子源加非平衡磁控溅射不仅能制备单一涂层薄膜,还可用于沉积化合物涂层薄膜的制备。磁控溅射涂层镀膜具有以下的优点:一是材料取材方便,任何可以做成靶材待镀材料,都可以实现磁控溅射,二是磁控溅射所获得的涂层薄膜致密性好、纯度高,三是溅射工艺可重复性好,涂层膜厚度可控,同时可以大面积获得厚度均匀的涂层膜,四是对环境温度要求低,可以在常温下进行。离子源加非平衡磁控溅射常用
7、于类金刚石(DLC)涂层。2 刀具涂层制备及涂层性能检测 2.1 试验刀具和涂层及制备方法的选择 本次试验采用上文介绍的 TiAlN 涂层、含氢类金刚石涂层和不含氢类金刚石涂层,铣刀采用直径 20mm、刃长 35mm、总长 105mm、双刃的高速钢铣刀,采用电弧离子镀和离子源加非平衡磁控溅射这两种制备方法。分成三组,每组 3 支铣刀,具体见表 1 三种涂层类型及制备方法。表 1 三组涂层类型及制备方法 铣刀编号 涂层材料 制备方法 1 组(三支)TiAlN 电弧离子镀 2 组(三支)含氢类金刚石涂层(DLC)离子源加非平衡磁控溅射 3 组(三支)不含氢类金刚石涂层(ta-c)离子源加非平衡磁控
8、溅射 制备完成每组选一支铣刀对涂层的厚度、硬度、涂层结合力进行检测并增加无涂层刀具的检测,每组剩余两支则进行加工寿命验证。2.2 涂层硬度及厚度检测 采用 HX-2000TM/LCD 型号显微硬度仪对涂层的硬度进行检测包含一支无涂层相同规格(直径 20mm、刃长 35mm、总长 105mm、双刃)铣刀,硬度测试采用 50g力,保载 15s。在被测件上测试 3 点处的硬度,并记录硬度值,求硬度平均值。采用专用设备对涂层的厚度进行测试。在直径为 20mm 的钢球表面上涂一层金刚石研磨剂,转动钢球,使其在被测件的涂层表面上进行一定时间地研磨,这样会在被测件的表面上磨出一个凹坑,分别测量出凹坑的相应尺
9、寸之后就可以计算出所测涂层的厚度。具体硬度及涂层厚度值见表 2 表面硬度及涂层厚度值。表 2 表面硬度及涂层厚度值 编号 检测硬度值/HV 硬度平均值/HV 涂层厚度/um A 组(无涂层)760 872 765 799/1 组 3301 3120 3212 3211 2.09 2 组 2469 2523 2745 2579 2.26 3 组 6317 6023 5996 6112 2.19 从表中看出,3 组不含氢类金刚石涂层加离子源加非平衡磁控溅射方法制备出的铣刀涂层表面硬度最高,无涂层硬度最低。2.3 涂层结合力强度检测 涂层与基体结合性能的好坏由涂层与基体的结合强度决定,这也是涂层刀具
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