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| 切削模具鋼的專用高效刀具涂層 |
| 發(fā)布日期：2011-02-14 10:01 |
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作為典型難加工材料的高硬度模具鋼(硬度達(dá)HRC60~65)，由于具有延伸率小、塑性低，耐磨性好等諸多優(yōu)良的性能，且易于形成高光潔加工表面，在汽車、電子等諸多行業(yè)模具制造中得到廣泛的應(yīng)用。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們較多采用磨削或者電火花加工(EDM) 的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的加工。雖然電火花加工具有與工件硬度無(wú)關(guān)的工藝特點(diǎn)，但較低的材料去除率使它的應(yīng)用范圍受到限制。隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展及及超硬銑刀材料和先進(jìn)耐熱涂層的出現(xiàn)，以銑代磨、以銑代EDM 進(jìn)行高效經(jīng)濟(jì)的高硬度模具鋼的加工已成為可能，并在生產(chǎn)中取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)高硬度淬硬鋼進(jìn)行高效銑削是一種先進(jìn)加工技術(shù)，屬于有效的硬銑技術(shù)之一。采用硬銑技術(shù)加工模具，不但使加工周期大為縮短,而且加工質(zhì)量得到了可靠保證。但是由于淬硬鋼本身硬度很高，對(duì)其進(jìn)行銑削加工時(shí)存在著由于切削溫度和切削力過(guò)高引起的諸多問(wèn)題，如較差的表面質(zhì)量以及較低的刀具壽命等，因此對(duì)切削刀具材料的要求極為苛刻，故常采用硬質(zhì)合金、陶瓷或CBN刀具加工；但是更多的、更經(jīng)濟(jì)的是采用各種先進(jìn)涂層硬質(zhì)合金刀具，因目前先進(jìn)的涂層技術(shù)能夠使各類涂層刀具制備成為現(xiàn)實(shí)，很好地滿足切削加工過(guò)程對(duì)刀具的耐磨性和韌性的苛刻要求。特別是當(dāng)目前這種高硬度模具鋼普遍采用干式切削時(shí)，采用新型涂層刀具進(jìn)行加工更是其發(fā)展趨勢(shì)。
刀具涂層的優(yōu)劣會(huì)直接影響切削淬硬鋼的加工效率和加工精度。高性能的刀具涂層能成倍地提高生產(chǎn)效率，且能方便地得到最佳尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量的零件。此外對(duì)于刀具涂層來(lái)說(shuō)，需要能夠?qū)ιa(chǎn)條件進(jìn)行正確匹配，如果不考慮這一點(diǎn)，一昧地使用超高性能涂層銑刀，效果反而適得其反，不僅增加成本而且降低穩(wěn)定性和加工質(zhì)量，故此開發(fā)與生產(chǎn)條件相匹配的刀具涂層至關(guān)重要。
上海工具廠有限公司采用陰極大平面矩形靶沉積技術(shù)，輔以特殊的涂前預(yù)處理技術(shù)，在傳統(tǒng)TiAlN工藝基礎(chǔ)上優(yōu)化涂層梯度結(jié)構(gòu)，大大提高膜基結(jié)合力與涂層韌性，目前開發(fā)出了專用于高效銑削高硬度材料的新型硬質(zhì)合金刀具涂層－火鳳凰系列涂層，該涂層具有高顯微硬度(≥Hv3500)、低切削阻力、良好的抗高溫(≥900℃)與摩擦磨損等性能。
我們選用極具代表性的整體淬硬模具鋼SKD11(HRC61)進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，圖1給出了其1000倍的金相顯微圖。
試驗(yàn)使用的銑刀共有三類，分別是火鳳凰涂層銑刀、常用于高硬度模具鋼加工的TiAlN涂層銑刀以及無(wú)涂層銑刀，三類刀具幾何結(jié)構(gòu)一致，刀具材質(zhì)皆為相同牌號(hào)的硬質(zhì)合金，刀具直徑為12mm，均為4齒，使用干式銑削，銑削參數(shù)為切削速度80m/min，每齒進(jìn)給量0.1mm/z，軸向切深6mm，徑向切深0.3mm，銑刀懸長(zhǎng)30mm。
圖2所示為火鳳凰涂層銑刀、TiAlN涂層銑刀以及無(wú)涂層銑刀三類銑刀的切削合力對(duì)比。從圖中可以看出，火鳳凰涂層刀具具有最小的切削力，其切削力比TiAlN涂層低25%，比無(wú)涂層刀具低30%，這得益于火鳳凰涂層帶來(lái)的良好的摩擦性能，切削過(guò)程中能夠有效的降低摩擦力，從而使得切削力降低。
圖3所示為火鳳凰涂層銑刀、TiAlN涂層銑刀以及無(wú)涂層銑刀三類銑刀的切削溫度對(duì)比。從圖中可以看出，無(wú)涂層刀切削溫度最大，而涂層銑刀切削溫度較小。可見火鳳凰涂層能夠?qū)⑶邢鳒囟瓤刂圃谝粋€(gè)較小的范圍內(nèi)，這對(duì)切削過(guò)程有著極大的益處，這能夠使刀具磨損情況改善，有效提高刀具耐用度。
圖4所示為火鳳凰涂層銑刀、TiAlN涂層銑刀以及無(wú)涂層銑刀三類銑刀的刀具后刀面磨損曲線對(duì)比對(duì)比。從圖中可以看出，無(wú)涂層刀在切削開始階段即告失效，而TiAlN涂層刀具在銑削長(zhǎng)度達(dá)到10米的時(shí)候后刀面磨損達(dá)到了0.31mm，刀具失效。而火鳳凰涂層銑刀在銑削10m之后，其后刀面磨損僅為0.11mm，可見火鳳凰涂層銑刀有更長(zhǎng)的刀具壽命。圖6和圖7分別給出了火鳳凰銑刀和TiAlN涂層銑刀的磨損過(guò)程照片。
從圖5中可以看出在火鳳凰涂層銑刀在整個(gè)加工過(guò)程中刀具磨損很均勻，切削狀態(tài)較好，故此該涂層刀具對(duì)淬硬鋼具有良好的切削性能。而TiAlN涂層刀具在銑削距離為8m時(shí)，刀具開始發(fā)生崩刃現(xiàn)象，在銑削距離為10m時(shí)刀具失效。此外，火鳳凰涂層銑刀粘屑情況也明顯比TiAlN涂層銑刀要輕微。為了對(duì)其磨損情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，將其刀具最終磨損形態(tài)使用SEM照片進(jìn)行深入分析，圖8為火鳳凰涂層刀具的主切削刃后刀面不同放大倍數(shù)的SEM照片。從圖中可以看出刀具磨損狀態(tài)較好，但是加工后期出現(xiàn)了一定程度的微崩刃，同時(shí)刀刃磨損帶出現(xiàn)了輕微粘結(jié)。圖8給出了后刀面磨損位置的EDS分析，此處的刀具涂層已完全被剝離，掃描區(qū)域所顯示的成分為硬質(zhì)合金基體的組元W和Co。
圖9給出了磨損帶粘結(jié)物的EDS分析，所掃描的元素成分表明刀刃上粘結(jié)的片狀黑色粘結(jié)物為模具鋼材料(Fe、Cr和Mn)。
從以上分析可以知道，在銑削高硬度淬硬模具鋼的過(guò)程中，火鳳凰涂層刀具具有很好的切削性能，具有更小的切削力和切削溫度，能夠得到更大的刀具壽命，刀具磨損過(guò)程平穩(wěn)。
由于采用整體涂層銑刀銑削高硬度模具鋼大多是對(duì)模具進(jìn)行精加工，故此必須保證良好的表面質(zhì)量。而加工表面質(zhì)量是衡量模具加工的重要指標(biāo)，特別是目前大型模具加工所占比例不斷增長(zhǎng)，在加工過(guò)程中不僅要求銑刀耐用度較好，而且更關(guān)鍵的是在刀具耐用度內(nèi)所加工的工件表面質(zhì)量能夠得到保障。故此在開發(fā)高性能涂層銑刀必須要考慮保證良好銑削表面質(zhì)量。
所評(píng)測(cè)的火鳳凰涂層和TiAlN涂層銑刀在切削過(guò)程中表現(xiàn)出了一些共性，在穩(wěn)定加工階段三類刀具所加工的表面粗糙度均能夠達(dá)到Ra0.4µm左右。此外已加工表面硬度在整個(gè)加工過(guò)程是一個(gè)先硬化后軟化的過(guò)程，加工前期表面硬度比原始工件表面硬度要高約30至50Hv，而加工后期則低約40 Hv左右，在刀具正常磨損階段表面硬度和工件原始硬度幾乎一致。故此這里需要提起注意的是，更長(zhǎng)的刀具壽命才有利于保證更多穩(wěn)定的切削表面，無(wú)疑，火鳳凰涂層銑刀更長(zhǎng)的刀具壽命能夠得到更高質(zhì)量的加工表面。
在表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)——已加工表面的殘余應(yīng)力指標(biāo)中，火鳳凰涂層銑刀則表現(xiàn)出了其優(yōu)勢(shì)。圖10為殘余應(yīng)力測(cè)量方向示意圖，X方向是刀具進(jìn)給方向，Y方向是垂直于刀具進(jìn)給方向的軸向。圖11和圖12分別為三類銑刀在正常磨損階段已加工表面X方向和Y方向殘余應(yīng)力對(duì)比。從圖中可以看出，三類銑刀都向已加工表面施加了相反方向的應(yīng)力。由于涂層后導(dǎo)致銑刀鈍化，故此涂層銑刀引入的應(yīng)力普遍比無(wú)涂層要大。從保證被加工零件特別是模具工作穩(wěn)定性以及延長(zhǎng)零件壽命這方面考慮，絕大多數(shù)加工研究保證其壓應(yīng)力的引入，故此銑刀作為精加工最后一道工序，對(duì)被加工零件的應(yīng)力分布極為重要，這也是保證被加工零件質(zhì)量的重要一環(huán)，而這個(gè)因素卻很少被制造者注意到。從圖中可以看出，上海工具廠有限公司所開發(fā)的火鳳凰涂層銑刀引入的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TiAlN涂層銑刀。常規(guī)TiAlN涂層銑刀在加工過(guò)程中引入了極大的拉應(yīng)力，這是被加工零件，特別是模具提前失效的主要原因之一。故此，在延長(zhǎng)被加工零件壽命和提高被加工零件質(zhì)量方面，火鳳凰涂層銑刀更勝一籌。
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