納米金剛石涂層刀具高速銑削7075鋁合金的工藝參數優化＊

邵偉平，張 韜

（無錫職業技術學院 機械技術學院, 江蘇 無錫 214121）

7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，其強度高，具有良好的機械性能等，在航空航天、模具加工、機械設備、工裝夾具中廣泛使用。由于其具有的高強度特性，對其切削加工時刀具易磨損。王立新等[1]選用YBG102氮化鈦鋁納米涂層刀具及干式車削的方式加工7075鋁合金，分析了不同切削參數對其加工表面形貌的影響規律；張程焱等[2]在干式條件下對7075鋁合金工件進行正交車削試驗，分析了切削參數對工件表面完整性的影響規律；李立軍等[3]使用硬質合金刀具銑削7075鋁合金，研究了刀具幾何參數的變化對工件表面粗糙度的影響；毛璽等[4]使用硬質合金刀具及低速切削方式研究了切削參數對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響；劉啟蒙等[5]使用硬質合金刀具對7075鋁合金進行單因素銑槽試驗，研究了已加工表面粗糙度、銑削表層殘余應力以及槽底表面質量隨切削參數的變化規律。由以上研究可看出：針對7075鋁合金切削加工的研究，除少量其他刀具外，大都采用了硬質合金刀具。但硬質合金刀具在切削7075鋁合金時易磨損，且表面易黏結積屑瘤[6]，刀具的切削壽命短，影響了其在7075鋁合金切削加工中的應用。

化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）納米金剛石涂層刀具，是一種在硬質合金成形刀具的基體上，利用 CVD法沉積了一層納米金剛石薄膜涂層的刀具[7]。CVD納米金剛石涂層刀具既具有硬質合金刀具的強韌性，又兼具了納米涂層表面平整光滑、摩擦系數小等優點，使刀具具有較高的硬度、耐磨性以及良好的導熱性，可實現干式切削，非常適合于非鐵系金屬與合金、金屬復合物材料與硬脆非金屬材料等的高效和高精度加工，在切削加工領域已得到廣泛應用[8-12]。然而現有報道中，少有關于CVD納米金剛石涂層刀具用于7075鋁合金高速銑削加工的切削參數分析及研究。因此，制備CVD納米金剛石涂層刀具，用其高速精銑7075鋁合金。通過主軸轉速n（或銑削速度vc）、進給速度vf和軸向切削深度ap的單因素銑削試驗，觀察單參數變化對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響。同時，通過正交試驗系統分析3個工藝參數對7075鋁合金表面質量的影響，并獲得其精銑時的最佳工藝參數組合。

1 條件和方法

1.1 納米金剛石涂層刀具制備

試驗中刀具基體為直徑6 mm的YG6三刃平底立銑刀，在其表面采用CVD法沉積納米金剛石涂層。沉積前對刀具基體進行超聲清洗5 min，以去除表面污垢；然后，采用兩步法浸蝕脫鈷處理：一是將刀具試樣浸泡在Murakami溶液（KOH、K3(Fe(CN)6)和H2O 的含量比為 1 g∶1 g∶10 mL）中超聲清洗30 min[13]；二是將其浸泡在Caro混合酸溶液（H2SO4和H2O2的體積比為 1 mL∶10 mL）中刻蝕5 min，以去除刀具表層的鈷元素，脫鈷處理可提高金剛石薄膜與硬質合金基體之間的附著強度[14]；最后，對酸堿預處理后的刀具在自制振動研磨設備上進行研磨處理[15]。使用的研磨粉為核桃殼加金剛石混合顆粒，核桃殼顆粒尺寸為75～150 μm，金剛石的基本顆粒尺寸為5 μm，金剛石質量分數在整個混合顆粒中占13%，刀具研磨處理5 min，目的是去除刀具表面的疏松層和殘留的鈷元素；研磨后，樣品在去離子水和丙酮（分析純）的混合溶液中超聲清洗5 min，以去除混合顆粒。將處理后的刀具放入熱絲CVD（HFCVD）真空設備中，通入CH4與 H2的混合氣體，進行異質基體金剛石薄膜沉積。沉積時，鉭絲為發熱源，沉積過程中沉積溫度設定在2 200 °C左右。納米金剛石涂層薄膜的生長過程分為形核和生長2個過程，具體形核及生長參數詳見表1。

表1 金剛石薄膜形核及生長參數Tab.1 Nucleation and growth parameters of diamond films

由于CVD納米金剛石涂層刀具制備中，薄膜的生長要有極高的初始形核率和極高的二次形核率，且保證生長過程中的金剛石始終處于納米級別，二次形核率一般要在1010/(cm2·s-1)以上[16]，因此采用較低的沉積氣壓及較高的碳源濃度，以降低金剛石顆粒尺寸，提高其形核密度。制備后的涂層刀具樣品采用Zeiss ULTRA55場發射掃描電鏡（field emission scanning electron microscopy, FESEM）觀察其表面形貌。

1.2 銑削試驗方法

在機械銑削加工中，影響工件銑削后表面質量的因素較多，包括機床性能、刀具結構、加工方式、工件及刀具材料和銑削要素等。從理論上講，機床、刀具、工件材料確定后，影響銑削質量的主要因素是銑削3因素：機床主軸轉速n（或銑削速度vc）、工件進給速度vf和刀具軸向切削深度ap。由于銑床主軸轉速n與銑削切削速度vc有的關系式（式中D為刀具直徑），故下文主要討論主軸轉速n的影響，而只列出vc的值。為了探索銑削3因素對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響規律和程度[17]，首先做單因素試驗，即在其他2個因素固定不變的情況下，研究1個主要因素變化對鋁合金表面粗糙度的影響規律；然后選取3因素，利用正交試驗法進行3因素3水平正交試驗，其因素和水平如表2所示，表2中的各參數及水平是根據機床性能及7075鋁合金的切削性能選取的，且與主軸轉速n對應的銑削切削速度vc分別為113，132和151 m/min。對表2中參數試驗后得出的正交試驗結果進行分析，再得到工件表面粗糙度最佳時的銑削參數組合。

表2 正交試驗因素水平表Tab.2 Factor level table of orthogonal test

銑削試驗在沈陽機床股份有限公司生產的臥式加工中心上進行，該機床主軸最大轉速為10 000 r/min、進給速度達到8 000 mm/min，其x，y，z軸軸向定位精度和重復定位精度分別達到0.008 mm和 0.005 mm。銑削試驗采用1.1中自制的納米金剛石涂層三刃立銑刀，其尺寸為φ6 mm×20 mm×50 mm。試驗工件規格為200 mm×100 mm×50 mm，銑削試驗在工件的200 mm×100 mm面上進行。采用型號為Motic SMZ-171的智能體視顯微鏡觀測刀具表面及工件銑削后的表面形貌，物鏡放大倍數為5倍。采用型號為SJ-310的日本三豐粗糙度儀檢測工件銑削后的表面粗糙度值。

2 試驗結果及分析

2.1 CVD納米金剛石涂層刀具形貌

納米金剛石涂層刀具制備過程中的表面形貌如圖1所示。從圖1a可以看到：刀具基體表面上形核后形成了一個個細小的晶粒，晶粒沒有尖銳的棱角，成圓弧狀，此時的晶粒大小只有幾個納米。如圖1b所示：晶粒經過再生長后，成菜花狀堆疊團聚在一起，晶粒尺寸已很難辨別，在刀具基體表面形成了一層致密的薄膜，經測量薄膜涂層厚度為5～6 μm。

圖1 納米金剛石薄膜涂層刀具制備過程中的表面形貌Fig.1 Surface topography of nano-diamond film coated tool during preparation

圖2為智能體視顯微鏡在物鏡放大5倍的條件下觀察到的刀具端面刃和側刃的形貌。由圖2可以看出：涂層后的刀具表面光亮及光滑，涂層連續均勻，刀具刃口和周圍薄膜沒有出現裂紋和脫落現象，刀具刃口規則且鋒利，涂層后的刀具很好地保持了原基體切削刃的形貌。

圖2 納米金剛石薄膜涂層銑刀形貌Fig.2 Morphology of milling cutter coated with nano-diamond film

2.2 單因素試驗及結果

每個測量點的Ra值都采集3次，然后取其平均值為該點最終表面粗糙度值[18]。

單因素銑削試驗中徑向切削深度固定為2 mm，刀具銑削工件10 m后對工件表面粗糙度Ra進行檢測，為保證數據采集的一致性，測量時在工件銑削表面上沿著銑削方向在10 m的長度上等間距選取5個測量點，

2.2.1 主軸轉速對表面粗糙度的影響

根據機床性能、高速精加工銑削的特點，確定軸向切削深度ap=0.2 mm，進給速度vf=2 000 mm/min，僅改變主軸轉速n，測得工件表面粗糙度Ra如表3所示。由表3數據可觀察到：當切削主軸轉速n在5 000～8 000 r/min范圍內（即銑削速度vc為94～151 m/min時），隨著n提高，工件平均表面粗糙度分別降低0.144，0.144和0.094 μm，工件的平均表面粗糙度在逐級緩慢降低[19]；但n在7 000 r/min之后，工件的平均表面粗糙度降低趨勢變緩。其原因是刀具切削過程中，其刀刃的后刀面與工件表面接觸，使工件表面產生徑向、切向的彈性變形和塑性變形，最終形成加工表面；隨著轉速n提高，銑削速度提高，這種彈塑性變形速度變快，應變率變大，切屑分離時的塑性變形和金屬撕裂產生的幾何殘留高度變小，使工件表面粗糙度降低[20]。同時，由于納米金剛石涂層刀具熱導率高，雖然刀具銑削速度提高，但產生的切削熱容易散發掉，切削過程中刀具表面不易形成積屑瘤，因積屑瘤或刀具鱗刺等非幾何因素產生的工件表面粗糙度影響變小[21]。因此，當主軸轉速n達到一定數值后，再提高轉速，表面粗糙度下降的效果有限。

表3 主軸轉速對工件表面粗糙度的影響Tab.3 Influences of spindle speeds on workpiece surface roughness

對比毛璽等[4]使用硬質合金刀具和低速切削的方式對7075鋁合金的銑削試驗，得出的隨著切削速度逐漸增加，工件表面粗糙度呈逐漸增大趨勢的結論，本試驗中的表面粗糙度結果與之相反，這與2個試驗中所選用的刀具不同有關。金剛石涂層刀具在銑削過程中轉速越大，銑削速度越高，工件銑削后的表面粗糙度越低。

2.2.2 進給速度對表面粗糙度的影響

在進給速度vf對表面粗糙度的影響中[22]，根據機床性能、高速精加工銑削的特點，確定軸向切削深度ap=0.2 mm，主軸轉速n=6 000 r/min（即銑削速度vc=113 m/min），僅改變進給速度vf，測得工件表面粗糙度Ra如表4所示。由表4數據可觀察到：進給速度vf在1 000～7 000 mm/min范圍內，隨著vf提高，工件平均表面粗糙度分別增加0.373，0.571和0.316 μm，工件平均表面粗糙度在逐級快速變大；當vf在7 000 mm/min時到了1.790 μm。其原因是在一定的主軸轉速、軸向切削深度下，提高進給速度，銑削過程中的切屑與已加工表面分離撕裂的程度加大，導致已加工表面幾何殘留高度變大，表面粗糙度增大；同時，隨著進給速度增大，刀具受到的徑向切削力增加，刀具的振動變大，也導致工件表面粗糙度增大。毛璽等[4]使用硬質合金刀具和低速切削的方式對7075鋁合金進行加工，得出了隨進給量增加（即進給速度增大）工件表面粗糙度呈逐漸增大趨勢的相同結論。

表4 進給速度對工件表面粗糙度的影響Tab.4 Influences of feed speeds on workpiece surface roughness

2.2.3 軸向切削深度對表面粗糙度的影響

在軸向切削深度ap對表面粗糙度的影響中[23]，根據機床性能、高速精加工銑削的特點，確定進給速度vf=2 000 mm/min，主軸轉速n=6 000 r/min（即銑削速度vc=113 m/min），僅改變切削深度ap，測得工件表面粗糙度Ra如表5所示。

表5 軸向切削深度對工件表面粗糙度的影響Tab.5 Influences of axial cutting depths on workpiece surface roughness

由表5數據可觀察到：軸向切削深度ap在0.1～0.4 mm范圍內，隨著ap提高，工件平均表面粗糙度分別增加0.259，0.080和0.086 μm，工件平均表面粗糙度在逐級變大；且ap在0.2 mm之后工件平均表面粗糙度增大的趨勢變緩。其原因是在其他2個因素一定的情況下，開始時隨著軸向切削深度ap增大，刀具切削過程中承受的徑向切削力增大，刀具的振動增大，促使工件表面粗糙度變大；但隨著ap進一步增大，刀具的振動變化變緩，增大的幅度變小。毛璽等[4]使用硬質合金刀具和低速切削的方式對7075鋁合金銑削加工，也得出了相同的結論。

2.3 正交試驗結果及分析

從單因素試驗結果可以看出，各因素對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響是不同的。為了全面了解各因素對工件表面粗糙度的影響，分清各因素影響的主次關系以及因素之間的交互作用，采用正交試驗方法綜合分析軸向切削深度ap、進給速度vf、主軸轉速n（即銑削速度vc）這3個因素對銑削后工件表面粗糙度的影響。根據表2確定的正交試驗組合進行試驗，結果如表6所示

表6 正交試驗組合及結果Tab.6 Orthogonal test combinations and results

根據表6中得到的工件平均表面粗糙度數據分別求出各因素的T、t和R值，其中T為某因素某一水平結果之和，t為T的平均值，R為結果極差。

以因素B（進給速度vf）為例，T、t和R的計算方法如下：

以上計算式中各符號的下標B1、B2、B3，分別表示正交試驗因素B分別取1，2，3水平時對應的試驗值。采用同樣方法，可計算得出軸向切削深度ap和主軸轉速n對應的T、t和R值。3個因素的工件表面粗糙度平均值以及極差R值如表7所示。

表7 3因素的工件表面粗糙度均值以及極差R值Tab.7 Average values of workpiece surface roughness and range R values of 3 factors

在極差R的分析中，R值越大的因素對指標影響程度越大。對表7中極差R的數據進行比較，可直觀地判斷各指標影響因素的權重大小。對7075鋁合金工件表面粗糙度的影響權重從大到小的順序為進給速度vf＞主軸轉速n（即銑削速度vc）＞軸向切削深度ap。原因是，在納米金剛石涂層刀具銑削加工過程中，影響工件已加工表面粗糙度的因素有幾何因素和非幾何因素，幾何因素決定銑削后的工件表面殘留高度，非幾何因素產生積屑瘤、鱗刺、工件材料組織缺陷等。非幾何因素對粗糙度的影響相對較小，決定工件表面粗糙度的主要因素是銑削后工件表面的殘留高度。切屑與工件撕裂分離時，進給速度vf的變化對這種撕裂破壞程度的影響遠大于主軸轉速n和軸向切削深度ap的影響。

毛璽等[4]使用硬質合金刀具和低速切削方式對7075鋁合金切削加工，試驗中得出了影響工件表面粗糙度大小的次序為進給量、切削速度及切削深度。王立新等[1-2]選用YBG102氮化鈦鋁納米涂層刀具并采用干式車削方式對7075鋁合金進行加工，試驗中得出影響工件表面粗糙度的次序是進給量、切削深度及切削速度。上述研究結果與本研究用銑削方式試驗的結果在不同因子的影響權重上產生差異，但不管是銑削還是車削方式，影響權重最大的因素還是進給速度（即進給量）。同時，馬殿文等[24]選用PCD刀具對7075鋁合金進行車削試驗，發現背吃刀量和切削速度對表面粗糙度的影響很小，進給量對表面粗糙度的影響明顯，且隨著進給量增大，表面粗糙度的增速呈變大趨勢。

在各因素的影響關系中，t值應越小越好。根據表7中t值的大小，可以判斷出各因素的最優水平：在軸向切削深度ap的影響中，A2是最優水平；在進給速度vf的影響中，B1是最優水平；在主軸轉速n的影響中，C3是最優水平。因此，得到銑削3因素對7075鋁合金精加工表面粗糙度影響的最優參數組合是A2B1C3，即ap=0.2 mm、vf=1 000 mm/min、n=8 000 r/min（即vc=151 m/min）。在此最優參數下進行銑削試驗，工件表面5個點的粗糙度分別為0.528，0.490，0.562，0.450和0.552 μm，平均值為0.516 μm，優于表6中的所有平均粗糙度數據。圖3為表6中的9組正交試驗的工件表面形貌（智能體視顯微鏡物鏡放大5倍觀測）。

圖3 正交試驗的工件表面形貌Fig.3 Workpiece surface morphology by orthogonal test

從圖3中可以看到：在銑削時工件表面有刀具在進給方向的移動軌跡，還有沿刀具自身軸線旋轉產生的軌跡，這2種軌跡相互疊加，在工件表面生成有規律性的刀具軌跡紋理[25]；且刀具軌跡的紋理粗細分明，不同的粗糙度狀況區分清晰。正交試驗中第1#、4#、7#組的表面粗糙度要明顯低于其他各組的，其銑削工藝參數組合用于納米金剛石薄膜涂層刀具對7075鋁合金的精加工。

3 結論

制備納米金剛石薄膜涂層刀具，采用此刀具對7075鋁合金工件進行高速精銑試驗，并對影響工件表面粗糙度的3因素進行單因素及正交試驗，得出以下結論：

（1）在n=5 000～8 000 r/min范圍內，工件平均表面粗糙度隨著主軸轉速n的提高而降低，分別降低0.144，0.144和0.094 μm；隨著進給速度vf的增加（在1 000～7 000 mm/min范圍內）而快速增大，當vf在7 000 mm/min時，達到了1.790 μm；隨著切削深度ap的增加（在0.1～0.4 mm范圍內）而增大，在ap為0.2 mm之后，增大趨勢變緩。

（2）在銑削3因素中，對加工表面粗糙度影響最為顯著的是進給速度vf，其次為主軸轉速n，影響最弱的是軸向切削深度ap。選用納米金剛石涂層刀具精銑7075鋁合金時，為得到較低的表面粗糙度，應選擇高轉速、低進給速度、合適的軸向切削深度。

（3）對7075鋁合金精加工表面粗糙度影響的最優參數組合是A2B1C3，即ap=0.2 mm、vf=1 000 mm/min、n=8 000 r/min。在此最優參數下銑削工件，其表面粗糙度平均值為0.516 μm。