氮化铬铝涂层PCBN刀具旋风硬铣切屑宏观特征研究*

朱红雨,李 迎

(1.南京理工大学机械工程学院,南京 210094；2.南京化工职业技术学院,南京 210048)

氮化铬铝涂层PCBN刀具旋风硬铣切屑宏观特征研究*

朱红雨1,2,李 迎1

(1.南京理工大学机械工程学院,南京 210094；2.南京化工职业技术学院,南京 210048)

氮化铬铝具有比氮化钛铝更高的硬度和抗氧化性,能否作为PCBN刀具的涂层需要进行试验研究验证。通过对氮化铬铝涂层PCBN刀具在硬态旋风铣削淬硬钢GCr15(平均硬度为63.5HRC)加工中,选用不同的切削参数、冷却方式和刀具个数的研究,从而得出氮化铬铝涂层PCBN刀具旋风硬铣加工的特点和应用范围,对涂层刀具的研究和切屑预报研究提供了依据。

氮化铬铝涂层；硬态旋风铣削；切屑宏观形态；PCBN刀具

0 引言

旋风硬铣(Thread Hard Whirling)技术是高速硬加工技术与旋风铣削技术相结合的螺纹加工技术,该技术主要使用成本较高的聚晶立方氮化硼(简称PCBN)刀具,可以对硬度60HRC以上的滚珠丝杠和滚珠螺母实施硬铣削,以切代磨实现一体化加工、免去磨削和热处理工序,同时以干切削或少切削液实现绿色加工,是国外精密螺纹高效制造的主要工艺方法。PCBN刀具的硬度仅次于金刚石的刀具材料,适合于各种淬火钢的粗精加工。自1969年Sandvik公司发展了涂层硬质合金刀具以来,涂层刀具已经成为硬质合金刀具中的重要组成部分,随着科学技术的发展和进步,CBN涂层刀具逐步开始应用,特别是CBN纳米涂层的研究,将进一步推动CBN刀具在硬钢切削中的应用。CBN涂层刀具一般是在硬质合金刀片上涂覆一层或多层CBN纳米晶薄膜,E.Uhlmann等人[1]采用单层CBN厚度为2 μ m和双层CBN厚度达6 μ m的CBN刀具进行硬切削试验研究,与用于硬切削的其它涂层刀具相比,刀具寿命提高1倍。Youngsik Choi等人[2]则采用细颗粒 (小于0.5μ m)CBN涂层刀具、粗颗粒(小于2 μ m)CBN涂层刀具和普通PCBN烧结的刀具进行超精硬切对比试验,认为细颗粒CBN涂层刀具在超精硬切加工中具有更好的切削性能和工件表面质量。在常用的涂层材料中,氮化铬铝((Cr,Al)N)是一种新型的涂层材料,它具有比氮化钛铝更高的硬度和抗氧化性,AlN在B1结构的CrN中的固溶度可达到77%(摩尔分数),可以得到高Al含量的(Cr,Al)N)涂层,同时 Cr、Al都能形成保护性氧化膜,可大大提高涂层的抗氧化能力[3]。(Cr,Al)N涂层具有优异的红硬性,700℃？下的硬度达到22.5GPa,因此,近年来将氮化铬铝作为刀具和模具等超硬耐磨涂层及发动机叶片高温防护涂层引起了研究者的兴趣。本文对氮化铬铝涂层PCBN刀具旋风硬铣淬硬钢 GCr15(平均硬度为63.5HRC)进行系统研究,通过选用不同的切削参数、冷却方式和刀具个数,对无涂层和有涂层两种PCBN刀具中采集的切屑、主电机输入功率、工件表面粗糙度、切削温度等目标值进行研究,从而得出氮化铬铝涂层PCBN刀具旋风硬铣加工的特点和应用范围,对PCBN涂层刀具的研究提供帮助。

1 实验方法

试验在汉江机床厂研制的8米大型数控旋铣机床上完成,现场加工如图1所示。刀具采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具,前角0°,倒棱25°×0.1,分有涂层(氮化铬铝)和无涂层两种。工件材料为淬硬钢GCr15(平均硬度为63.5HRC),GCr15钢的化学成份见表1。工件尺寸为 φ 80×10×4000mm(其中螺纹长 3210mm),螺旋角 2°16 ′426 ′(2.2785 °),螺纹小径74.0482,大径78.5。旋风铣数控加工中心采用刀尖旋转直径为90mm的刀盘,夹紧间距设定为85mm。铣削方式采用顺铣。

表1 GCr15钢的化学成份表

图1 8米大型数控旋铣加工中心

2 实验结果与讨论

表2为有涂层和无涂层PCBN刀具旋风硬铣试验结果,试验条件为:压缩空气冷却方式、刀盘安装的刀具个数为Z=4把。表3为涂层刀具在不同冷却方式(干切削、压缩空气冷却)下的切屑对比,试验用刀具个数Z=4把。表4为在刀盘安装不同涂层刀具个数(Z=2,4)时旋风硬铣试验结果。

表2 有涂层和无涂层PCBN刀具旋风硬铣试验结果

表3 涂层刀具在不同冷却方式中形成切屑的对比

表4 涂层刀具在刀具个数为Z=4和Z=2下旋风硬铣的试验结果

3 实验结果分析

3.1 PCBN刀具有涂层和无涂层的对比研究

根据表2的试验数据,图2、图3和图4反映了随切削线速度变化无涂层刀具与有涂层刀具在主电机输入功率、刀盘振动、切削区相对温度三个方面的变化关系。从图2可以看出,随着切削线速度的提高主电机输入功率降低,有涂层刀具比无涂层刀具功率高。从切屑形状来看,有涂层刀具加工形成的切屑呈带状,无涂层刀具加工形成的切屑呈C型,切屑的弯曲程度较涂层刀具大。从图3可以看出,有涂层刀具加工中刀盘振动在X和Y方向比无涂层刀具大,Z方向相差不多。其中,无涂层刀具加工中刀盘振动在经过180m/min的切削线速度后,振动开始减弱；而有涂层刀具加工中刀盘振动基本上是随切削线速度的增加而增加,有涂层刀具中,振动以Y方向为主,无涂层刀具加工中,振动以Z方向为主。图4说明了有涂层刀具在加工中切削温度比无涂层刀具加工大,且它们都随切削线速度的增加而增加。

图2 主电机输入功率随切削线速度的变化关系

图3 三个方向的振动随切削线速度的变化关系

图4 切削温度随切削线速度的变化关系

3.2 涂层PCBN刀具个数变化对加工性能的研究

根据表4的试验数据,图5和图6反映了刀具个数不同时,主电机输入功率和刀盘振动随切削线速度的变化关系。从图5可以看出,4把刀具加工时比2把刀具加工时主电机输入功率高,2把刀具加工时切屑呈海螺型,这是因为2把刀具加工时轴向进给量大,速度越低进给量就越高,所以当切削线速度为140m/min时空间弯曲就越严重,形成明显的海螺型。图6刀盘振动的变化关系不明显,但总体上,刀盘振动有随切削线速度的增加而增加的趋势。

3.3 涂层PCBN刀具的耐用度研究

在涂层刀具加工中,刀具在加工不久就出现了崩刃的现象(如图7所示),说明刀具在有涂层后耐用度反而降低,抗冲击能力下降。

图5 不同刀具个数时主电机输入功率随切削线速度的变化关系

图6 不同刀具个数时刀盘振动随切削线速度的变化关系

图7 加工5min即出现崩刃的涂层刀具

4 结束语

涂层在PCBN刀具上的使用还是一个新的值的研究的课题,虽然氮化铬铝((Cr,Al)N)具有比氮化钛铝更高的硬度、抗氧化性和优异的红硬性,但作为PCBN刀具涂层还需经过实验的检验,通过试验研究表明,氮化铬铝涂层PCBN刀具无论在功率的消耗上、工件表面质量上、还是刀具耐用度上都比无涂层的PCBN刀具加工差,尤其在速度提高的时候。看来如何在超硬刀具上进行涂层研究以进一步提高刀具性能,还需进行更科学的理论分析与开展更深入的试验研究。

[1]E.Uhlmann et al.Machining of high performance workpiece materials with CBN coated cutting tools.[J]Thin solid films 518(2009):1451-1454.

[2]Youngsik Choi,C.Richard liu,Performance of nano/micro CBN particle coated tools in superfinish hard machining.[J]International journal of machine tools＆manufacture 49(2009):683-689.

[3]Scheerer H,Hoche T H,Broszeit E et al.Surface and Coatings Technology[J],2005,200:203.

[4]李明升,等.非对称双极脉冲磁控溅射沉积氮化铬铝涂层的微观结构和硬度[J].稀有金属材料与工程,2010,39(supp1):48-51.

Study on Macro-morphology of Hard whirling Chips with PCBN Cutting Tools Coated with Chromium Aluminum Nitride

ZHU Hong-yu1,2,LI Ying1
(1.College of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science＆Technology,Nanjing 210094,China；2.Nanjing College of Chemical Technology,Nanjing 210048,China)

Chromium Aluminum Nitride has much more hardness and oxidation resistance than Titanium Aluminum Nitride.This article studied on cutting tool wear,surface processing quality of work piece and macro-morphology of chips during the hard whirling machining on hardened steel GCr15 with average hardness at 63.5HRC through PCBN cutting tools coated with Chromium Aluminum Nitride.Through testing with different cutting parameters,different cooling mode and different cutting tool numbers,this article illustrated characters and application scope of hard whirling machining with PCBN cutting tools coated with Chromium Aluminum Nitride and provided a basis for research on cutting tool coating or research on machining forecasting through chips.

chromium aluminum nitride coating；hard whirling；macro-morphology of chips；PCBN cutting tool

TG506

A

1001-2265(2011)10-0099-03

2011-03-24；

2011-04-06

“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2009ZX04001-171-02)

朱红雨(1974—),女,南京化工职业技术学院副教授,工学硕士,主要研究方向为先进制造技术与装备,(E-mail)zhuhongyu-hw@163.com。

(编辑 赵蓉)