不同材質刀具在7075鋁合金高速銑削中的磨損研究

邵偉平張 韜，彭廣盼薛 喆

（1 無錫職業技術學院 機械技術學院， 無錫214121）

（2 張家港市微納新材料科技有限公司，蘇州201316）

0 引言

7075 鋁合金是一種常用的高強度合金，合金材料中包含有鋅和鎂，其中鋅在里面是主要合金元素，加了少量鎂，使合金材料的熱處理效果比一般的鋁鋅二元合金更佳［1］。同時合金材料中一般都加入了少量的銅、鉻等，使材料擁有非常高的強度，抗拉強度≥560 MPa，適合飛機構架及高強度配件［2］，很多數控加工切削制造的零部件用的都是7075鋁合金。由于7075鋁合金材料強度高、比較硬，加工薄壁工件時容易變形，所以在加工工藝上一般是先粗加工，然后半精修和精加工。針對7075 鋁合金的切削加工研究，殷繼花等［3］選用硬質合金刀具進行銑削實驗，研究了高速銑削鋸齒形切屑的形成過程及機理；李小龍等［4］以硬質合金刀具為研究對象，通過四因素三水平正交試驗對刀具磨損行為進行了研究；馬殿文等［5］選用PCD 刀具對7075 鋁合金進行車削試驗，對切削試驗中的切削力和表面粗糙度進行了分析；候鵬宇［6］選用單晶金剛石刀具進行鋁合金車削試驗，研究了單晶金剛石刀具在較長切削距離下切削鋁合金的刀具磨損和熱變形問題?？梢钥闯?，在7075 鋁合金工件的切削加工研究中，大都采用了硬質合金刀具，有的還選用了PCD 刀具與單晶金剛石刀具進行車削試驗研究。由于7075 鋁合金材料的高強度高硬度特性，切削加工過程中硬質合金刀具的磨損往往比較厲害，刀具表面容易粘結積屑瘤，產生粘結磨損；單晶金剛石刀具的磨損形式主要是機械摩擦磨損并伴有崩刃和斷裂現象；PCD 刀具的加工表面質量要好于硬質合金刀具，但價格成本比較高。

化學氣相沉積法（CVD）金剛石涂層刀具是一種在硬質合金成形刀具的基體表面上，利用CVD沉積了一層金剛石薄膜涂層的刀具［7］。金剛石薄膜具有優異的力學性能，能直接沉積在不同形狀的襯底上，是一種理想的工業涂層［8-9］，金剛石薄膜涂層的刀具提高了耐磨性和表面硬度，延長了刀具的使用壽命，對切削一些鋁、鋁硅合金、石墨、氧化鋯等有色金屬及硬脆的難加工材料有較好的效果［10-14］。CVD金剛石涂層刀具主要有兩種：微米金剛石（MCD）涂層刀具和納米金剛石（NCD）涂層刀具，其中MCD涂層刀具表面粗糙度相對較大韌性稍差，但硬度很高；NCD涂層刀具表面粗糙度相對較小韌性高，但硬度相對稍低［15］。隨著7075鋁合金材料在工業生產中的大量應用，發現有關CVD金剛石涂層刀具用于7075鋁合金切削加工的相關研究報道還比較少，查閱文獻資料，只有王宜豹等［16］在無潤滑干切條件下用單層金剛石涂層刀具和多層金剛石涂層刀具對7075鋁合金的切削性能進行了比較；張程焱等［17］選取納米金剛石涂層刀具對7075鋁合金進行了干式車削實驗，研究了切削參數對表面完整性的影響規律。已有的研究主要是針對金剛石涂層刀具的制備以及通過車削實驗來觀察金剛石涂層刀具的加工工藝性能；而金剛石涂層刀具用于7075鋁合金的高速銑削實驗以及不同材質刀具對7075鋁合金的切削性能比對研究至今還很少。本文根據7075鋁合金的切削性能、機床性能以及切削加工工藝特點，選取粗、精加工兩組銑削參數來進行高速銑削試驗，選取硬質合金刀具、微米（MCD）/納米（NCD）金剛石涂層刀具在同一組參數條件下對7075鋁合金進行高速干切削，在工件銑削加工一定長度后對刀具的磨損、工件表面粗糙度進行比對研究，分析不同材質刀具對7075鋁合金材料加工的適用性。

1 實驗

1.1 金剛石涂層刀具制備

采用7075鋁合金切削銑刀為YG6的三刃平底立銑刀，其直徑為Φ8 mm。為保證金剛石涂層質量，首先應對銑刀基體進行預處理。先將數把該型號銑刀浸泡在Murakami 溶液（KOH∶K3（Fe（CN）6）∶H2O =1∶1∶10）中進行30 min 超聲清洗，再將其浸泡在Caro混合酸溶液（H2SO4∶H2O2= 1∶10）中進行5 min 的刻蝕以去除刀具表層的鈷元素［18］，從而提高金剛石薄膜與硬質合金基體之間的附著強度。再對酸堿預處理后的刀具進行研磨處理，每把刀具須處理約5 min，研磨粉可采用核桃殼和金剛石混合顆粒，主要是去除刀具表面的疏松層和殘留的鈷元素含量。研磨之后，所有樣品都需要在去離子水和丙酮的超聲波浴中清洗5 min，以去除混合顆粒。薄膜的沉積在密閉的真空反應室中進行，用丙酮溶液作為碳源，試驗用鉭絲作為熱絲提供熱源，熱絲溫度保持在2 200 ℃左右，基體表面溫度保持在800 ℃左右［19］。

制備結束后利用場發射掃描電鏡（FESEM，Zeiss ULTRA55）、拉曼譜儀（SPEX1403）對涂層銑刀上的金剛石薄膜的表面形貌及純度進行表征［20］。

1.2 7075鋁合金銑削實驗

為了對比不同材質的刀具對7075鋁合金的銑削性能，將實驗分為粗加工銑削實驗和精加工銑削實驗兩組進行，其切削參數的選用如表1所示。在粗加工實驗中沒有用納米金剛石涂層銑刀來做實驗比對是因為工件的粗加工一般主要是去除工件的大部分余量，不追求工件的表面質量和精度要求，粗晶粒的微米金剛石涂層銑刀相對于納米金剛石涂層銑刀性價比高，切削性能相差不大，同時在粗加工實驗中主要是觀察涂層刀與未涂層刀之間的磨損情況和使用壽命。采用沈陽機床公司生產的機床，電機直連驅動方式，可實現10 000 r/min 的主軸轉速和8 m/min進給速度的高速銑削加工，該機床x軸、y軸、z軸軸向定位精度和重復定位精度分別為8 和5 μm；樣件采用200 mm×100 mm×50 mm的方塊料。

表1 粗、精加工銑削實驗切削參數Tab.1 Cutting parameters of rough and finish milling experiments

采用型號為Motic SMZ-171 的智能體視顯微鏡來觀測刀具切削刃的磨損程度以及工件切削后的表面形貌；采用型號為SJ-310 的日本三豐粗糙度儀來檢測工件切削后的表面粗糙度值。

2 結果分析

2.1 CVD金剛石涂層刀具物理性能

兩種制備好的銑刀經FESEM 觀測后，可以看到：微米金剛石涂層的晶粒尺寸在1～4 μm 波動，晶粒呈（111）取向生長，且排布致密，無明顯生長缺陷；納米金剛石涂層表面由許多球形納米顆粒組成，粒徑為20～40 nm，呈團簇狀生長，表面致密，且其表面平整度較微米涂層有所提高，如圖1所示。

圖1 微米和納米金剛石涂層刀具的表面形貌Fig.1 Surface topography of diamond coated tools

圖2是兩種涂層對應的Raman譜圖，由圖2（a）可以看出微米金剛石涂層僅在1 335.86 cm-1處有一明顯特征峰，這表面薄膜的主要成分為金剛石sp3結構，說明金剛石純度較高。由圖2（b）可以看出納米金剛石涂層在1 332 cm-1附近的特征峰的寬度明顯增加，這表示薄膜中納米尺度的金剛石晶粒逐漸增多，同時，代表石墨相結構的D峰（～1 350 cm-1）和G峰（～1 580 cm-1）也很明顯，它們是由薄膜中的sp2成分引起的［18］。

圖2 微米和納米金剛石涂層刀具的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of diamond coated tools

2.2 粗加工銑削實驗分析

圖3 是硬質合金銑刀刀刃在未切削工件及分別切削工件10、20 、30 m 后的檢測情況。由圖3（a）看到硬質合金銑刀在未切削前，側刃及端面刃完整，側刃與端面刃交界處的刀尖部位有倒角。直徑Φ8 mm的硬質合金銑刀在粗加工銑削7075 鋁合金10 m 后，刀刃部位就出現了明顯的磨損崩刃現象，如圖3（b）所示。由于磨損范圍較小且切削加工是面銑削，為了能比對不同材質刀具的切削性能，試驗繼續進行下去；銑削到20 m 后，刀尖部位的磨損區域擴大；銑削30 m 后，經過體視顯微鏡觀測到磨損崩刃部位擴大嚴重，刀具已不能用于銑削加工，如圖3（d）所示。圖4 是微米金剛石涂層銑刀刀刃在未切削工件及分別切削工件10、20、30 m后的檢測情況。

圖3 硬質合金刀刃檢測圖Fig.3 Inspection drawing of carbide blade

圖4 微米金剛石涂層刀刃檢測圖Fig.4 Inspection diagram of micron diamond coated blade

由圖4（a）看到微米金剛石涂層銑刀在未切削前，側刃及端面刃完整，刀尖部位有倒角，涂層均勻完整。直徑Φ8 mm的微米金剛石涂層銑刀在粗加工銑削7075鋁合金10 m后，刀刃部位完整，涂層未有脫落或磨損，側刃面上有少量白色的鋁印痕；銑削加工20 m后，刀具側刃面上白色印痕增多，側面刀刃有少量的涂層磨損；銑削加工30 m后，刀具切削部位的涂層明顯剝落，且刀尖部位磨損崩刃，如圖4（d）所示。在切削加工過程中，刀具與工件接觸區的壓力、溫度會升高，同時刀具與材料實際接觸的面積增加，刀具和剛從工件材料內部切削出的新鮮表面間會形成強烈的粘結，刀具易產生切削粘結磨損。硬質合金刀具在銑削10 m后就出現了輕微的粘結磨損，而微米金剛石涂層刀具還未發現涂層脫落或磨損現象，刀刃完整，原因是金剛石熱導率高，不會出現較高的切削溫度區域，鋁屑不會因高溫軟化附著在刀具上，涂層對刀具起到了很好的保護作用。本試驗中用制備的晶粒尺寸在1～4 μm的微米金剛石涂層刀具銑削7075鋁合金，采用軸向切削深度ap=2 mm的高速粗加工切削方式，切削長度達到了30 m左右，是同等試驗條件下硬質合金刀具壽命的3倍。此外，王宜豹用制備的單層金剛石涂層刀具和未涂層刀具進行切削實驗，切削2 h后未涂層刀具明顯磨損，單層金剛石刀具涂層開始脫落，刀刃鈍化。張而耕等［21］用金剛石涂層立銑刀（膜層1 μm）和PCD立銑刀切削鋁合金，采用切削深度ap=0.1 mm高速切削方式，得到刀具的失效距離分別是15和96 m。

2.3 精加工銑削實驗分析

采取工件每間隔銑削50 m長度作為一個檢測單元，在每個檢測單元上沿著銑削方向等間距檢測5個點的工件表面粗糙度（Ra）值，計算出這5個檢測點Ra值的算術平均值作為該單元的Ra值。表2為三種不同材質的銑刀在精加工銑削7075鋁合金一定長度后，測得的工件Ra值；圖5為工件Ra的趨勢圖。

表2 不同材質刀具精加工銑削實驗結果Tab.2 Milling experiment results of different materials cutting tools

從圖5 中可以看出硬質合金銑刀在加工的前150 m 階段，工件切削后表面的Ra值是逐步增大的。加工的前150 m 是硬質合金銑刀刀刃處積屑瘤逐步形成的階段［22］，所以Ra值逐步增大；切削加工150 m后由于刀具表面產生的積屑瘤也能起到一定的切削作用，所以在切削150 m 后，工件的Ra值反而逐步有所降低。從MCD 涂層刀具與NCD 涂層刀具的實驗數據中可以看出，NCD 涂層刀具切削加工工件的Ra明顯好于MCD涂層刀具切削加工工件。這也印證了涂層刀具中，微米涂層的顆粒由于大于納米涂層的顆粒，銑削加工中對工件Ra的影響比較大。通過表2 的Ra值比較，甚至能看出硬質合金銑刀在切削7075 鋁合金工件后的工件Ra值還優于使用MCD 涂層銑刀切削的工件Ra值，原因是硬質合金銑刀表面是經過鏡面拋光的，Ra要小于MCD 涂層銑刀；NCD涂層銑刀的試驗數據與硬質合金銑刀的試驗數據差不多，說明刀具在涂納米涂層后不影響刀具的Ra。

圖5 工件表面粗糙度趨勢圖Fig.5 Trend chart of workpiece surface roughness

圖6 為三種不同材質刀具在精加工銑削7075 鋁合金后側刃用體視顯微鏡在物鏡放大5 倍的條件下所拍的圖片。從照片中可以看到硬質合金銑刀在精加工銑削300 m 后刀具側面和端面上有明顯的不能去除的積屑瘤［23］，而微米涂層銑刀和納米涂層銑刀側面和端面上除了有白色的鋁印痕外，表面沒有形成積屑瘤，原因是金剛石熱導率高，在切削刃處不會出現高的溫度區域，切削產生的鋁屑不會因高溫產生軟化附著在刀具表面。同時也能對比看出納米涂層銑刀側面優于微米涂層銑刀的側面，原因是納米金剛石涂層刀具表面的金剛石顆粒要小于微米涂層的顆粒，涂層顆粒與工件的摩擦較小，銑削加工后刀具表面能保持光潔不易粘附工件切屑。

圖6 精加工銑削300 m后不同材質刀具的側刃圖Fig.6 Side edge drawing of different materials cutting tools after finishing milling 300 m

圖7 為三種不同材質刀具在精加工銑削7075 鋁合金300 m 后工件表面的形貌圖。從圖中能看出納米涂層銑刀銑削后，工件表面的亮度優于其他兩種刀具銑削后的效果，原因由圖1微米和納米金剛石涂層刀具的表面形貌圖也可以看出，納米金剛石涂層晶粒成團簇狀，結構致密，平整的表層晶粒使納米涂層刀具表面的Ra相對較低。納米涂層刀具銑削過程中切屑與工件分離后受刀具前刀面擠壓并與前刀面進行摩擦，而工件已加工表面發生彈性和塑性恢復變形，并與刀具后刀面發生摩擦［24］，由于納米金剛石涂層刀具Ra低，切削過程中與工件的接觸摩擦因數較小，工件銑削出來的已加工表面相當于被刀具后刀面進行了碾磨拋光處理，銑削出的工件Ra就很高［25］，在光線的照耀下產生了反光，所以在對比精銑后的工件時，會發現納米金剛石涂層刀具銑削的工件亮度較高。

圖7 精加工銑削300 m后工件表面形貌圖Fig.7 Surface topography of workpiece after finishing milling 300 m

通過以上實驗也能發現同一種材質刀具在粗、精加工銑削7075 鋁合金中，粗加工銑削采用大切削深度、大進給速度的方式對刀具的磨損影響非常大；在小切削深度、大進給速度、高轉速的精加工銑削中，刀具的壽命是粗加工銑削方式的10倍以上。

3 結論

（1）在大切深高速粗加工時，CVD 微米金剛石涂層刀具的壽命約為普通硬質合金刀具的3倍。

（2）在小切深大進給的精加工實驗中，應用納米金剛石涂層和未涂層刀具可獲得更好的表面質量，Ra約為0.9 μm。

（3）加工結果顯示CVD 金剛石涂層刀具可減小積屑瘤的形成，這主要歸因于金剛石具有較高的熱導率繼而加快了刀具的散熱。