不同刀具高速干切削2219 鋁合金性能研究＊

王利利 劉雪峰 崔 鑫 趙爾華 王星然 李士鵬 秦旭達

（①吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 130000；②天津大學，天津 300350；③天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；④首都航天機械有限公司，北京 100076）

2219 鋁合金具有良好的高低溫力學性能和焊接性能，廣泛應用于我國大型運載火箭燃料貯箱[1-3]，其制造過程往往是先進行塑性成形，然后切削加工減薄，以滿足減重以及其他設計要求[4]。燃料貯箱的尺寸較大(2～5 m)[5]，因而有大量的2219 薄板銑削加工的需求，其加工效率和質量是影響貯箱制造的效率和質量的重要影響因素之一。

相比于鈦合金、高溫合金等，2219 鋁合金導熱性好、硬度低，是易切削材料[6-8]，故對刀具磨損較輕，但其熔點低，切削時容易跟刀具表面粘結[9]，高速切削過程中較高的切削溫度和切削應力會進一步加重粘結的產生，進而影響刀具壽命和加工質量[10]。因此，選擇合適的刀具，減少高速干切削過程中材料的粘結，對提高火箭制造過程中2219 鋁合金加工效率和質量具有重要意義[11]。

金剛石摩擦系數低、化學親和性低，有很強的抗粘結和抗磨損能力[12-14]，因此PCD 刀具、單晶金剛石刀具在鋁合金切削中可顯著提升加工精度和刀具壽命[15]，但其材料成本高、脆性大、對設備要求高，而大型2219 鋁合金薄壁構件的切削加工中容易發生振動，引起刀具崩刃[16-17]。刀具表面涂層是一種有效改善刀具性能的經濟性手段，金剛石涂層刀具即保持了基體的高韌性，又結合了金剛石在刀具表面的高耐磨性、高抗粘結能力，在鋁合金加工中得到大量應用[18]。另外，類金剛石（DLC）涂層是一類含有金剛石結構和石墨結構的亞穩非晶態物質，也具有較低的摩擦系數，在易粘結材料切削中表現出優異的切削性能[19-20]，同時還具有更低的制造成本，因此在市場上得到大量應用。此外，基于鋁合金的易切削性，實際工程應用中還是有大量無涂層硬質合金刀具的使用，雖然刀具壽命比金剛石涂層刀具低，但其成本只有金剛石涂層刀具的1/3。因此，2219 鋁合金高速干切削時不同刀具性能需綜合考慮刀具成本以及刀具壽命，而公開文獻中相關研究較少。

本文針對2219 鋁合金高速干銑削過程，研究了無涂層硬質合金刀具、極光DLC 涂層刀具（近年市場上常用的具有極低粗糙度的超薄DLC 涂層）、CVD 金剛石涂層刀具的切削性能，對比了3 種刀具的切削載荷、磨損形貌、切屑形態以及加工質量的演變過程，分析了3 種刀具在2219 鋁合金高速干銑削時的性價比。研究結果對實際生產中2219 鋁合金高速干切削刀具的選擇提供重要工程參考。

1 試驗及方法

試驗所用設備為DMU 60monoBLOCK 五軸加工中心，試驗所用材料為固溶時效后2219 鋁合金板材，其主要的化學成分如表1 所示，工件尺寸為400 mm×200 mm×6 mm。試驗刀具選擇市場常用的鋁合金專用切削刀具，分別為無涂層硬質合金刀具、極光DLC 涂層刀具（以下簡稱DLC 刀具）和金剛石涂層刀具，均為直徑均為20 mm 的標準刀具，刀具參數如表2 所示，3 種刀具外觀及兩種涂層的截面形貌分別如圖1、圖2 所示。極光DLC 涂層厚度極小(約0.2～0.3 μm)，但擁有極低的表面粗糙度；金剛石涂層厚度約8 μm。由于不同的涂層處理對應不同刀具結構，所以3 種刀具的螺旋角并不相同：極光DLC 螺旋槽非常光滑、有利于排屑，其螺旋角較大；金剛石涂層硬質合金基體含Co 量較少、刃口強度低，螺旋角較小；無涂層刀具螺旋角在其二者之間。鋁合金切削刀具壽命一般較長，因此為節省工件材料，同時也盡可能減小不同螺旋角的影響，將刀具其他刃口磨平，只留一個刃。

圖2 刀具表面、截面形貌及元素分析

表1 2 219 鋁合金化學元素成分表 %

表2 試驗中采用的刀具材質及參數

圖1 3 種刀具外觀形貌

切削參數如表3 所示，切削線速度為1 004 m/min，所有試驗均為干切削，采用如圖3a 所示的蛇形走刀路徑，因而銑削方式為順/逆銑交替。采用德國Pro-micron 公司生產的Spike SK40 無線測力刀柄進行切削載荷測量，其測量原理如圖3b 所示，可輸出軸向力、彎矩、扭矩等信號（如圖3b 中Fz、Mx、My、Mz等），由于本試驗用單刃銑刀側刃加工，軸向力（Fz）、扭矩（Mz）較小且會產生較大誤差，切削力形成的彎矩更敏感、表征銑削過程更為準確，因此本研究中主要測量不同切削時段的彎矩信號。

表3 切削參數

圖3 走刀路徑與測量原理

試驗中分別使用3 種刀具，每銑削13 min 采集彎矩信號，每銑削26 min 測量刀具磨損形貌。采用超景深光學顯微鏡觀察刀具磨損形貌和切屑形貌，采用Taylor Hobson 粗糙度輪廓儀測量已加工表面粗糙度。

2 試驗結果及分析

2.1 彎矩

圖4 所示為旋轉刀柄測得的無涂層硬質合金刀具彎矩隨切削時間的變化，由于轉速較高（16 000 r/min），且刀具為單齒刀具，每轉切削時間僅為6.875×10-4s，而測力儀采樣頻率為2 500 Hz，每齒切削時間不足2 個采樣點，取曲線中的最大值容易造成采樣誤差，因此采用取平均值的方式，表征不同刀具彎矩大小。不同刀具隨切削時間彎矩的變化如圖5 所示，雖然由于螺旋角的不同，3 種刀具切削彎矩不宜直接比較，但從其隨切削時間的增長幅度，反映出不同刀具的磨損程度的變化。切削約26 min 時，無涂層刀具與極光DLC 涂層刀具切削彎矩急劇增大，此為刀具初期磨損導致；之后極光DLC 涂層刀具緩慢增加，無涂層刀具在切削104 min 后再次急劇增加，此現象表明無涂層刀具此時進入急劇磨損階段。金剛石涂層刀具切削彎矩變化不大，表明金剛石涂層刀具磨損輕微。切削156 min后，與各自切削初期切削彎矩相比，無涂層刀具增長了約82%，極光DLC 涂層刀具增長了約110%，金剛石涂層刀具只增加了約19%。由此表明，金剛石涂層刀具磨損很小，最為穩定。

圖4 無涂層硬質合金刀具切削彎矩信號

圖5 不同刀具的切削彎矩變化

2.2 刀具磨損演化

銑削過程中側刃為主切削刃，圖6 所示為不同切削時間時側刃后刀面磨損形貌的演化過程，可以看出，2219 鋁合金高速干切削刀具主要以粘結磨損為主。無涂層刀具切削初期后刀面即發生了嚴重的粘結，切削26 min 時后刀面磨損寬度即約達0.3 mm；隨著切削時間的增加，后刀面遠離切削刃處出現大面積的粘結-脫落-再粘結現象，但切削刃附近磨損區域始終存在粘結，且持續增大。極光DLC 涂層刀具也出現了明顯的粘結，但程度顯著減輕，切削時間在78 min 之前后刀面磨損寬度在0.08 mm 以內，但切削104 min 時后刀面磨損寬度擴大至0.14 mm。金剛石涂層刀具在156 min 切削時間內，側刃后刀面出現少量鋁合金的摩擦痕跡，未見明顯的粘結以及其他磨損形式，切削刃保持完好。

圖6 不同切削時間下3 種刀具側刃后刀面磨損形貌演變

圖7 所示為不同切削時間下前刀面磨損形貌，前刀面粘結程度明顯小于后刀面。未涂層刀具和極光DLC 涂層刀具出現較多粘結，主要分布在切削刃附近。此外，極光DLC 涂層刀具側刃前刀面與未涂層刀具粘結程度相似，但底刃前刀面處極光DLC 涂層刀具粘結程度輕于未涂層刀具。金剛石涂層刀具前刀面也未見明顯粘結，只出現了切屑滑擦的痕跡，說明金剛石涂層對刃口抗粘結保護作用極強。

圖7 不同切削時間下3 種刀具前刀面磨損形貌演變

圖8 為銑刀底刃后刀面不同切削時間的磨損形貌，無涂層刀具粘結最嚴重，且反復出現粘結-剝落過程；極光DLC 刀具涂層粘結較輕，主要分布在刀尖附近；金剛石涂層刀具底刃后刀面在整個切削周期內，未出現明顯粘結。此外，無涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切削78 min 后，在底刃離刀尖1～2 mm 處，出現了微崩刃（如圖8 中放大區域），但切削區并未出現崩刃；金剛石涂層刀具在切削52 min后，在切削區刀尖處出現微崩刃（如圖8 中放大區域），崩刃區域內在隨后切削中出現工件材料的粘結。

圖8 不同切削時間下3 種刀具底刃后刀面磨損形貌演變

由于2219 鋁合金材熔點低（約650 ℃）、材質軟，粘結磨損是其切削刀具的主要磨損機理。在高速切削過程中，切削區溫度相較普通切削速度更高，因而更容易發生材料的粘結。相較于硬質合金，金剛石涂層和極光DLC 涂層具有較低的摩擦系數[21-23]，因而對刀具抗粘結能力具有較好的提升，導致磨損區域粘結明顯少于無涂層刀具。金剛石涂層刀具與極光DLC 涂層刀具相比，雖然其表面粗糙度較大，但因其具有更大的涂層厚度、更好的耐磨性等，其對刀具抗粘結保護作用更強，極光DLC 涂層由于其極小的厚度（約200 nm），因而在較高的切削應力、切削溫度和劇烈摩擦作用下，刃口附近發生快速的磨損，因而切削26 min 后，極光DLC 涂層刀具側刃出現較多粘結。

切削52 min 后金剛石涂層刀尖處發生了微崩刃，這與金剛石涂層涂覆前需對基體進行貧鈷化處理有關[24]。從圖2e 中B 區域元素分析中可以看出，在金剛石涂層下方基體的元素掃描中，全部為WC 成分，這會大大降低基體的韌性，在刃口的往復沖擊應力下，容易發生微崩刃。但在本研究中，極光DLC 涂層和無涂層刀具在底刃的非主要切削區也發生微崩刃，這是由于此兩種刀具粘結磨損嚴重，切削過程中有較大的振動，導致底刃與已加工區域頻繁的接觸、振動導致。金剛石涂層刀具由于極少的粘結，因此切削過程較為平穩，這也是在基體貧鈷化處理后未發生更嚴重的崩刃的原因。

2.3 切屑形態演變過程

圖9 為3 種刀具在不同切削時間時的切屑形貌，可以看出，切削初始階段3 種刀具均發生了較好的切屑卷曲，此時是較為理想切屑形狀，可以降低切屑的對工件造成的劃傷[20]。但隨著刀具磨損，未涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切屑形貌發生明顯變化，切屑卷曲程度逐漸下降，加工156 min 后，未涂層刀具形成的切屑卷曲程度最低。金剛石涂層刀具產生的切屑在整個切削周期內，并未發生明顯改變，始終保持較好的卷曲效果。通過切屑非自由表面形貌（圖9 切削156 min 時切屑放大形貌圖）可以看出，金剛石涂層刀具產生的切屑表面始終光亮，而無涂層刀具及極光DLC 涂層刀具的切屑滑擦痕跡明顯，表明金剛石涂層刀具刀屑摩擦較輕微，而無涂層刀具和極光DLC 涂層刀具因前刀面粘結，導致刀-屑摩擦劇烈。

圖9 不同切削時間下3 種刀具產生的切屑形貌演變

切屑形貌的改變是由不同刀具的磨損導致，為了更清晰地分析刀具磨損程度，采用刃口測量儀對刀具磨損前后刃口輪廓進行了測量，結果如圖10所示，無涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切削156 min后因磨損或粘結，刃口輪廓變化較大，金剛石涂層刀具幾乎無變化。為了更好地分析切屑形貌變化的原因，基于Abaqus 有限元軟件，建立了3 種刀具干切削2219 鋁合金銑削模型，如圖11 所示。2219鋁合金切削過程是一個大應變，高應變率的過程，因此采用Johnson-Cook 本構關系模型，相關材料參數和J-C 本構參數如表4 和表5 所示[25]。網格劃分時，將工件設為可變形體，劃分網格時將切削區域加密布種，切削區網格大小為0.01 mm,其他區域種子逐漸變疏，這樣可以減少網格數量，提高仿真效率，工件網格單元類型設置為C3D8RT，工件網格數量為163 497 個。刀具在切削仿真過程中采用近似全局布種，單元類型為C3D4T。模型中采用等厚度切削方式，切削參數與試驗相同，將工件底部固定，刀具在切削過程中設為剛體，金剛石涂層刀具摩擦系數設為0.1，極光DLC 涂層刀具摩擦系數設為0.2，無涂層刀具摩擦系數設為0.6[26-28]。根據刃口測量結果對3 種刀具進行建模，分別對3 種刀具磨損前后產生的切屑形態進行有限元仿真，仿真結果如圖11 所示。

圖10 不同刀具磨損前后刃口輪廓及銑削溫度仿真結果

表4 2 219 鋁合金主要性能參數

表5 2 219 鋁合金Johnson-Cook 特性參數

圖11 2 219 鋁合金銑削模型

從圖11 中可以看出，刀具未磨損時，3 種刀具均能產生較好的切屑卷曲。刀具磨損后，無涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切屑卷曲程度明顯下降，同時切屑溫度顯著上升，這會導致切屑底部軟化程度增大、沿切屑厚度方向的加工硬化梯度降低，進而減小切屑的卷曲[29-30]，因此，無涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切屑的卷曲程度的改變主要由磨損后引起的刀屑摩擦熱增多、切屑溫度上升導致。金剛石涂層刀具刃口磨損較少，磨損前后切屑仿真形貌改變不大，與實驗結果一致。

2.4 加工表面粗糙度

圖12 所示為3 種刀具加工表面粗糙度隨切削時間的演變，可以看出，切削初始階段極光DLC涂層刀具粗糙度最小、無涂層刀具最大，這與極光DLC 涂層刀具有較大的螺旋角，且初始階段有較好的抗粘結能力，切削過程更穩定；而金剛石涂層刀具雖然也具有極好的抗粘結能力，但由于金剛石涂層較厚，因此刀具刃口不如極光DLC 涂層刀具鋒利。隨著刀具磨損，無涂層刀具和極光DLC刀具表面粗糙度急劇增大，金剛石涂層刀具始終比較穩定，充分體現出金剛石涂層穩定的抗粘結、耐磨損能力，而極光DLC 涂層在切削26 min 后涂層出現明顯的磨損，引起粘結的不斷增加（如圖6 所示），進而使粗糙度不斷增大。總體上，加工表面粗糙度變化趨勢與切削載荷及刀具磨損的變化過程一致。

圖12 不同切削時間下3 種刀具加工的表面粗糙度

3 結語

針對火箭燃料貯箱用2219 鋁合金的高速干銑削過程，研究了無涂層刀具、極光DLC 涂層刀具、金剛石涂層刀具磨損演變過程，以及在此過程中切削彎矩、切屑形貌、加工表面粗糙度的變化規律，主要結論如下：

（1）金剛石涂層刀具在2219 鋁合金高速銑削過程中，具有最好的抗粘結和耐磨損能力，在本文研究參數范圍內，切削刃始終未出現明顯的粘結或磨損，因而獲得最穩定的切削性能。

（2）極光DLC 涂層刀具切削初期具有最好的加工表面，但因其涂層過薄影響了刃口處涂層的耐磨性，切削中前期刃口處即出現粘結，但切削性能始終優于無涂層刀具。由于刀具表面粘結的反復脫落-再粘結，極光DLC 涂層刀具切削穩定性明顯低于金剛石涂層刀具。

（3）金剛石涂層刀具獲得的切屑一直具有較好的卷屑效果，無涂層刀具和極光DLC 涂層刀具隨刃口的磨損，切削溫度增大，切屑卷曲程度顯著降低。

雖然金剛石涂層刀具成本是無涂層刀具3.5 倍、極光DLC 涂層刀具的2.3 倍，但金剛石涂層刀具綜合壽命是上述兩款刀具5 倍，因此，2219 鋁合金高速切削時，金剛石涂層刀具是最佳選擇。