金剛石涂層刀具高速銑鋁合金平面切削毛刺研究

摘要 采用熱絲 CVD 法制備納米與微米金剛石薄膜涂層刀具，利用場發射掃描電鏡表征其薄膜表面形貌。用已制備的 CVD 金剛石涂層刀具，在無潤滑干切條件下高速順、逆端銑鋁合金平面，研究 CVD金剛石涂層 刀具切削時的棱邊毛刺特點與大小；并對納米金剛石涂層刀具高速順銑切削工藝參數進行正交試驗，探究 取得少無切削毛刺的切削參數與切削工藝。結果表明：工件銑削后棱邊毛刺分布不均勻，順銑毛刺稀疏，尺 寸較小，其中納米金剛石涂層刀具順銑棱邊毛刺高度平均值為32.08μm，僅為微米金剛石涂層刀具順銑毛刺 高度的46.5%。納米金剛石涂層刀具高速順銑平面，對棱邊毛刺影響最大的是 vc，其次為 vf，ae 的影響最小，最優參數組合為 ae=4 mm、vf=2000 mm/min、vc=400 m/min，銑削后毛刺高度平均值為21.29μm 。當金剛石涂層刀具端銑鋁合金平面時，為取得較小的棱邊毛刺，優選納米金剛石涂層刀具，采用順銑棱邊的切削方式與切削工藝，以及相應的高速切削參數。

關鍵詞 金剛石涂層刀具；端銑；棱邊毛刺；切削參數；工藝路徑

中圖分類號 TG58；TG714；TG544 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2024）02-0221-07

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0130

收稿日期 2023-06-16 修回日期 2023-07-26

鋁合金是航空航天領域應用廣泛的一種材料[1]，其切削加工過程中不可避免地會產生毛刺[2-6]，影響航空零部件的性能與使用。中外學者針對鋁合金切削毛刺 的形成、控制方法等做了不少研究，HASHIMURA 等[7]在不同刀具參數與加工條件下研究了鋁合金切削時毛 刺的形成；王貴成[8]在切削毛刺研究中認為毛刺是由刀具與工件間的相對運動而產生的，建立了以切削運 動和刀具切削刃為基準的毛刺分類方法；NIKNAM 等[9] 研究了鋁合金銑削過程中切屑厚度、每齒進給量與毛 刺厚度之間的關系；羅蒙等[10]研究了鋁合金銑削毛刺的形成機理及控制方法。切削毛刺的形成與工件材料、刀具材質、刀具參數、切削參數等有關。如今針對毛 刺的研究與控制方法主要集中在刀具參數與切削參數 方面，而切削刀具材質對毛刺的影響以及新型切削刀 具切削毛刺的研究還較少。

化學氣相沉積（chemical vapor deposition， CVD ）金剛石涂層刀具是在 WC-Co 硬質合金刀具基體上，利用 CVD 法沉積一層金剛石薄膜的刀具[11-12]。根據涂層晶粒尺寸可分為微米金剛石（micro crystalline diamond， MCD ）和納米金剛石（ nano crystalline diamond， NCD ）2種涂層刀具[13]。其涂層薄膜表面的低摩擦系數、高熱導率、低黏附效應等特點，使 CVD 金剛石涂層刀具 逐漸成為硬鋁與高硅鋁合金、石墨等難加工材料的切 削加工用刀具[14-16]。KREMER 等[17]利用 CVD 金剛石涂層刀具對 Al/SiC 材料進行切削加工實驗，研究了刀 具的切削磨損性能；鄧福銘等[18]制備納米、微米金剛石涂層刀具切削 LY12鋁合金，進行刀具的切削磨損性 能研究；王宜豹等[19]用制備的金剛石涂層刀具加工7075鋁合金，研究了刀具的磨損性能。目前眾多 CVD 金剛石涂層刀具的研究大多是針對其切削磨損性能的 研究，鮮有其切削毛刺方面的相關報道。本文采用 CVD 法制備 MCD 與 NCD 涂層刀具，并采用高速端銑 平面方式切削7075鋁合金，研究 MCD 涂層刀具與 NCD 涂層刀具切削形成的工件棱邊毛刺的特點與大小，以及 NCD 涂層刀具高速端銑平面時取得少無切削毛 刺的加工方式與切削工藝參數。

1 條件和方法

1.1 CVD 金剛石涂層刀具制備及表征

實驗采用直徑為6 mm 的硬質合金三刃立銑刀作 為基體，沉積制備 MCD 與 NCD 涂層刀具。沉積前，先 對基體進行清洗與酸堿預處理：在丙酮和酒精溶液中 進行超聲清洗，以去除基體表面雜質；用酸堿二步法對 基體進行預處理，將基體浸泡在 Murakami 溶液（KOH ∶ K3（Fe（CN）6）∶H2O =1 g ∶1 g ∶10 mL ）中腐蝕30 min，使 Co完全暴露出來；再將基體浸泡在酸試劑溶液 （ H2SO4 ∶H2O2=1 mL ∶10 mL ）中5 min，以刻蝕掉表面的 Co元素。脫鈷處理后，用核桃殼與金剛石的混合 顆粒對基體研磨5 min，以去除刀具表面的疏松層和殘 留的 Co元素。研磨后，基體超聲波清洗10 min 以去除 混合顆粒。處理后，把試樣刀具放入熱絲 CVD（HFCVD ）真空設備中，進行異質基體薄膜沉積。 MCD 涂層刀具的制備：甲烷濃度為1.5%；腔室氣壓在晶粒成核時為1.5 kPa，晶粒成長時為3 kPa；沉積時間，成核與成長期時分別為20 min 和340 min 。NCD 涂層刀具的制備：甲烷濃度為2%；腔室氣壓在晶粒成核時為1.5 kPa，晶粒成長時為2 kPa；沉積時間，成核與成長期時分別為30 min 和330 min。制備的 MCD 涂層刀具的涂層厚度約為 8μm；NCD 涂層刀具的涂層厚度約為6μm。

實驗中采用場發射掃描電鏡（ FESEM，Zeiss UL- TRA55）觀察所制備的 MCD 涂層刀具與 NCD 涂層刀 具的表面形貌，如圖1所示。 MCD 涂層刀具表面晶粒 呈柱狀，棱角分明、大小不一的晶粒交錯混合在一起；而 NCD 涂層刀具表面晶粒圓滑致密，粗糙度小。采用 PG1000刀具檢測儀檢測所制備的刀具的幾何參數，端面刃前角為10°、后角為6°， 刀具刃口鈍圓半徑為12μm。

1.2 實驗方法

在 HSM500高速加工中心進行實驗，采取圓柱銑刀端銑平面方式。工件材料為7075鋁合金長方體，其長寬高分別為100、100和10 mm。實驗在工件的100 mm ×100 mm 平面上進行。

MCD 與 NCD 涂層刀具順、逆銑削切削毛刺實驗的切削參數：切削速度 vc=400 m/min、徑向切削深度 ae=4 mm、軸向切削深度 ap=0.4 mm、進給速度 vf =1000 mm/min。

為了解 NCD 涂層刀具高速端銑平面時，各主要切削參數在切削毛刺產生中的影響規律，分清各切削參數的主次關系以及相互間的交互作用，采用 NCD 涂層刀具高速順銑正交試驗方法，綜合分析徑向切削深度 ae、進給速度 vf、切削速度 vc 這3個因素對工件平面銑削后棱邊毛刺的影響，切削毛刺正交實驗因素水平見表1。

實驗中采用 Motic SMZ-171智能體視顯微鏡檢測工件銑削后的棱邊毛刺高度。

2 結果與分析

2.1 CVD 金剛石涂層刀具順逆銑切削毛刺分析

MCD 與 NCD 涂層刀具順、逆銑削后的工件棱邊毛刺形態圖如圖2所示，工件平面銑削后，隨著切削紋理在工件棱邊產生了大小不一、分布不均勻的毛刺。采用順銑方式后，整條棱邊毛刺稀疏、較小，偶爾散落著未被撕裂的較大切削毛刺；采用逆銑方式后，棱邊材料切削后向外變形并形成了較厚大的切削毛刺。這是因為2種切削方式在棱邊處對材料的切削擠壓方向不同，順銑切削方式刀具在棱邊對工件的切削力在徑向朝向工件內；而逆銑切削方式刀具在棱邊對工件的切削力在徑向朝向工件外，切削時工件棱邊處的材料更易向外產生塑性變形并形成毛刺。因此，對于工件棱邊采取順銑方式有利于后續的毛刺去除或實現少無切削毛刺效果。

檢測棱邊切削毛刺高度。由于棱邊毛刺分布不均勻，在100 mm銑削長度上的不同位置選取最大的毛刺進行檢測，測量5個不同位置毛刺高度后取其平均值。 MCD 與 NCD 涂層刀具順、逆銑削7075鋁合金平面后的棱邊毛刺高度值對比圖如圖3所示，NCD 涂層刀具逆銑時毛刺高度平均值為57.76μm，而順銑時毛刺高度平均值為32.08μm，僅為逆銑時毛刺高度的55.5%。 MCD 與 NCD 涂層刀具的切削毛刺都為順銑優于逆銑。同時，NCD 涂層刀具切削產生的毛刺優于 MCD 涂層刀具切削的毛刺，如在順銑條件下，NCD 涂層刀具切削的毛刺高度僅為 MCD 涂層刀具切削毛刺高度的 46.5%，其原因為 NCD 涂層刀具表面的粗糙度要優于 MCD 涂層刀具，其與工件材料接觸的摩擦系數較小。當刀具切削工件時，刀面與材料產生擠壓與摩擦，摩擦系數越大，切削過程中更易產生殘留并形成毛刺。由圖3可知，相較于 MCD 涂層刀具，NCD 涂層刀具切削 采用逆銑方式，毛刺高度降低了26%；采用順銑方式，毛刺高度降低了53%。圖3中各銑削方式毛刺高度的誤差棒以及圖2中毛刺的顯微圖像表明了順銑與逆銑2種銑削方式下毛刺的特點，MCD 涂層刀具順銑過程中毛刺的數值誤差較大，棱邊長度上偶爾會有較大毛刺出現，但這種較大毛刺處于切削的未斷裂狀態，容易去除；而順銑毛刺在棱邊處較厚實，去除相對困難。

不同的 CVD 金剛石涂層刀具采取不同的切削方 式，以對比切削毛刺的大小與特點。為了探究鋁合金 平面銑削過程中工件棱邊取得少無切削毛刺的效果，需進一步針對 NCD 涂層刀具順銑切削參數對切削毛 刺的影響進行正交實驗分析。

2.2 NCD 涂層刀具順銑切削毛刺正交實驗分析

切削加工中，確定工件材料、刀具材質與結構幾何角度后，切削產生的毛刺的大小一般受切削加工工藝以及多種切削參數的共同作用和影響。本文根據平面銑削實際切削狀況，采用正交實驗方法來綜合分析徑向切削深度 ae、進給速度 vf、切削速度 vc 這3個切削參數在 NCD 涂層刀具順銑條件下對毛刺的影響，分清各切削參數影響的主次關系以及切削參數之間的交互作用。根據表1確定的正交實驗組合進行實驗，測量棱邊銑削后長度上5個不同位置的最大毛刺高度，結果見表2。表2中 AiBjCk（ i，j，k=1，2，3）表示正交實驗組合在因素 A（徑向切削深度 ae ）取 i 水平，因素 B （進給速度 vf ）取 j 水平，因素 C（切削速度 vc ）取 k 水平時對應的實驗值。

根據表2中毛刺平均高度值求出各切削參數影響的 t 和 R 值（見表3），其中 t 為某切削參數某一水平實驗結果的平均值，R 為結果極差（某切削因素最大 t 值與最小 t 值之差）。極差 R 的分析中，R 值越大的因素對指標影響程度越大。通過對比表3中R 值數據發現，NCD 涂層刀具順銑7075鋁合金時切削參數對切削毛刺的影響權重從大到小順序為銑削速度 vc ＞進給速度 vf＞徑向切削深度 ae。這是因為毛刺的產生是切削過程中刀具在工件邊緣對工件材料進行擠壓，使材料產生塑性變形，在工件棱邊形成的不規則殘留。高速切削過程中，刀刃在線速度方向上對材料的接觸碰撞與擠壓影響較大，刀具進給方向的移動變化遠遠小于線速度方向的刀刃移動變化，同理，徑向切削深度的變化只是平面切削過程中切削量的變化，對材料的接觸碰撞與擠壓影響較小。

由表3可知，在高速平面銑削中，棱邊毛刺的大小 隨切削速度 vc 的增大而減小，減小趨勢為非線性下降。這是因為隨切削速度增大，單位時間內切削刃接觸被 切削層的次數增加，被切削層材料的應變率增大，切削區域材料硬化、塑性降低導致毛刺隨 vc 增大而減小；同時切削加工過程為非線性熱力耦合過程[20]，毛刺的形成往往由多種因素的綜合作用所致，所以在實際切 削中，這種減小趨勢呈現為非線性起伏狀。

在各切削參數對毛刺的影響關系中，均值 t 越小 越好。由表3中的均值 t 可判斷出各切削參數選用的 最優水平：在徑向切削深度 ae 的影響中，A2為最優水平；在進給速度 vf 的影響中，B2為最優水平；在切削速度 vc 的影響中，C2為最優水平。因此，得到3個切削參數對7075鋁合金平面高速銑削時棱邊毛刺影響的最 優組合為 A2B2C2，即 ae =4 mm、vf =2000 mm·min?1、vc =400 m·min?1。在此最優參數組合下進行順銑切削試驗，測得工件棱邊5個不同位置的毛刺高度分別為20.14、19.72、21.65、23.87、21.05μm，平均值為21.29μm，優于 表2中的所有組合毛刺的平均高度。

3 平面銑削工藝優化

生產中切削毛刺的產生影響了零件的表面質量與后續裝配使用，甚至影響零件整體的性能與質量。為 了降低零件后續去毛刺的難度與成本，選擇較好的切 削刀具、最優的切削參數組合與切削工藝路徑是取得少無切削毛刺的較好的主動控制方法。基于本實驗研究并通過優化切削路徑來主動控制平面切削毛刺的產生。圖4為生產中常見的2種平面銑削工藝，圖4a 改變了傳統的平面往復來回走刀銑削方式，而采用圍繞 平面棱邊銑削的路徑方式，且順銑工件棱邊。往復來 回走刀銑削平面為順銑與逆銑交替對平面進行銑削，在工件平面的逆銑側棱邊易出現較大的毛刺；而圍繞平面棱邊順銑的方式避免了棱邊出現逆銑毛刺，且棱邊處銑削走刀一致，銑削均勻。由圖4b 可知，在一些工件平面輪廓中帶有孔或其他形狀特征，這類平面的銑削可以把孔與平面四周的輪廓分開來規劃銑削工藝路徑，同時順銑孔口邊緣與輪廓棱邊。傳統的復合形狀平面銑削是把各輪廓形狀整合成一個囊括所有輪廓的規整大平面，然后采用往復來回走刀銑削大平面，這種銑削方式在各輪廓的棱邊處由于銑削的不統一，極易出現較大毛刺，且毛刺不均勻。采用按平面輪廓特征分開規劃銑削路徑的方法，能夠使平面內各輪廓的棱邊銑削方式統一，進而取得較好的銑削加工質量。

4 結論

制備 CVD 金剛石涂層刀具，采用此刀具高速順、逆端銑 7075 鋁合金平面，并對影響切削毛刺的 3 因素進行正交實驗，檢測銑削后工件的棱邊毛刺，得出以下結論：

（1）端銑平面棱邊毛刺，順銑優于逆銑。其中，NCD涂層刀具順銑毛刺高度僅為逆銑毛刺高度的 55.5%。

（2）相較于 MCD 涂層刀具，NCD 涂層刀具逆銑時，毛刺高度降低了 26%；順銑時，毛刺高度降低了 53%。

（3）端銑平面，對棱邊毛刺影響最大的是切削速度 vc，其次為進給速度 vf，徑向切削深度 ae 影響最弱。

（4）高速順銑鋁合金平面，對棱邊毛刺影響的最 優切削參數組合是 A2 B2 C2，即 ae=4 mm、vf=2 000 mm/min、 vc=400 m/min。在此最優組合下，棱邊切削毛刺高度 h 平均值為 21.29 μm。

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制備 CVD 金剛石涂層刀具，采用此刀具高速順、逆端銑7075鋁合金平面，并對影響切削毛刺的3因素進 行正交實驗，檢測銑削后工件的棱邊毛刺，得出以下結論：

（1）端銑平面棱邊毛刺，順銑優于逆銑。其中，NCD 涂層刀具順銑毛刺高度僅為逆銑毛刺高度的55.5%。

（2）相較于 MCD 涂層刀具，NCD 涂層刀具逆銑時，毛刺高度降低了26%；順銑時，毛刺高度降低了53%。

（3）端銑平面，對棱邊毛刺影響最大的是切削速度 vc，其次為進給速度 vf，徑向切削深度 ae 影響最弱。

（4）高速順銑鋁合金平面，對棱邊毛刺影響的最 優切削參數組合是 A2 B2 C2，即 ae=4 mm、vf=2000 mm/min、 vc=400 m/min。在此最優組合下，棱邊切削毛刺高度 h 平均值為21.29μm。

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作者簡介

邵偉平，男，1973年生，高級實驗師。主要研究方向：數控技術與切削加工。

E-mail：swp523@sina.com

Research on cutting burrs in high speed milling of aluminum alloy plane withdiamond coated tools

SHAO Weiping， ZHANG Tao， LI Jiacheng， MO Xiaoqing

（Department of Mechanical Technology， Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121， Jiangsu， China）

Abstract The nano and micro diamond film coated tools were prepared by the hot wire CVD method.The surface morphology of the film was characterized by field emission scanning electron microscopy. The prepared CVD diamond coated tools were used to end mill the aluminum alloy surface forward and backward at high speed under the condition of dry cutting without lubrication. It studies the characteristics and size of edge burrs during high-speed end milling of aluminum alloy using CVD diamond coated tools. It carries out orthogonal tests on cutting process parameters to ex- plore the cutting parameters and processes with little or no cutting burr when nano-diamonds coated tools are used for high-speed forward milling. The results show that the distribution of burrs on the edges of the workpiece is uneven after milling， and the burrs during forward milling are sparse and small in size. Among them， the average height of burrs on the edges during forward milling with nano diamond coated tools is 32.08μm， only 46.5% of the forward milling burr height of micrometer diamond coated tools. When nano diamond coated tools are used for high-speed forward milling of flat surfaces， vc has the greatest impact on edge burrs， followed by vf， and ae has the weakest impact. The optimal para- meter combination for high-speed milling is ae=4 mm， vf=2000 mm/min， and vc=400 m/min. The average burr height after milling is 21.29μm. When the diamond coated tool is used to end mill the aluminum alloy plane， in order to obtain a small burr， the nano diamonds coated tool is selected， the cutting method of forward milling and the corresponding high-speed cutting parameters are adopted.

Key words diamond coated tools；end milling；edge burrs；cutting parameters；process path