镀膜参数对刀具切削性影响的研究

林茂用 许春耀

(1.福建信息职业技术学院机电工程系，福州 350003;2.龙华科技大学机械工程系，台湾桃园 33306)

随着工业化进程的加快，加工制造业对刀具寿命和切削加工性能的要求越来越高，传统刀具已不能满足这些要求，使用高硬度、高韧性及高耐磨性的镀膜合金刀具成为目前切削加工业的主流［1-3］。众所周知，刀具的耐磨性与其硬度有关，提高硬度可以提高刀具寿命。近年来，常采用镀膜工艺改善刀具的各种性能。碳化钨刀具为目前常用的切削刀具，在碳化钨刀具中沉积氮化物硬质膜，可降低切削摩擦系数，减少刀具磨损，改善切削加工性，延长刀具的使用寿命［4-5］。

AISI304不锈钢材料具有良好的耐蚀性、耐热性和良好的机械性质，无加工硬化现象、无磁性。该材料广泛应用于化工、石油、食品、能源、电力、航空航天、环保、锅炉热交换器等领域中，缺点为不易加工，近年来随着溅镀技术的发展，在刀具上镀膜提高其耐磨性和切削加工性是现阶段材料科研工作者研究的方向［6-9］。本项目通过理论与实验相结合，探讨沉积硬质膜的刀具对车削AISI304工件切削性能的影响，运用田口 -灰关联法获得最佳镀膜参数组合［10］。

1 实验方法与步骤

本实验采用直流溅镀工艺在碳化钨刀具上沉积氮化物硬质膜。镀膜基础参数:基材为碳化钨刀具P30，其转速为10 r/m，靶材为纯度99.95%的钨和99.95%的铬，其直径均为50.8 mm，制程气体为纯度99.995%的氩气和纯度99.995%的氮气，制程温度为室温，系统背压为5.0×10-6torr，制程压力为5.0×10-3torr。实验参数值设定见表1，按照田氏实验法［11］设计的混合直交表并按顺序交替组合实验。

沉积氮化物硬质膜后的刀具，选用转速为1 000 r/m、进给量为0.05 mm/r、切削深度为1 mm、车削外径为30 mm、长度为75 mm的AISI304不锈钢圆棒，加工后使用表面粗度仪测量工件表面粗糙度、使用工具显微镜测量刀具的磨损量，使用电子显微镜观察切削前后工件表面及刀具主后刀面显微组织的变化。并计算相应的信号噪声比(S/N)与变异数，再以多重质量灰关联分析法［12］预测出最佳镀膜参数。通过灰关联分析法预测最佳镀膜参数与田氏直交表中最佳溅镀参数实验结果比较，验证灰关联分析法预测溅镀参数的有效性。

表1 实验参数值设定

2 实验结果与讨论

2.1 表面粗糙度

表面粗糙度是切削加工的重要指标，通过测量不同组别工件得出最小的表面粗糙度值为0.8 μm、相对应的最大信号噪声比为1.88 dB;由工件表面粗糙度变异数分析，得出影响工件表面粗糙度主要因子为制程时间(54.74%)，其次为钨靶材功率(22.46%)。图1为沉积氮化膜刀具切削后工件表面粗糙度因子回应图。

图1 表面粗糙度因子回应图

2.2 刀具主后刀面磨损

刀具主后刀面磨损是由于切削工件时刀具与工件加工表面摩擦引起的。通过测量不同组别沉积氮化膜刀具，得出加工工件后主后刀面最小磨损量为39.2 μm、相对应的信号噪声比为-31.85 dB。由变异数分析得出影响刀具磨损的主要因子为氩氮比例(39.26%)，其次为铬靶材功率(34.66%)。图2为沉积氮化膜刀具磨损因子回应图。

图2 刀具磨损率因子回应图

2.3 多重质量灰关联分析

经过灰关联-田口分析，得出最大灰关联度为0.927 7。通过直交表序列镀膜参数(P3Q2K1T3)与灰关联预测因子镀膜参数(P2Q3K1T3)实验检测比较，显示车削工件表面粗糙度从0.81 μm降低至0.75 μm，改善率约7.41%，刀具磨损从39.2 μm降低至28.3 μm，改善率约27.81%。因此，灰关联分析可获得多重质量最佳镀膜参数。图3为多重质量灰关联预测因子回应图。

图3 灰关联度因子回应图

图4为刀具磨损和工件表面的SEM图，图4(a)、(d)分别为未镀膜刀具磨损量与工件表面粗糙度;图4(b)、(e)分别为直交表序列镀膜参数(P3Q2K1T3)刀具磨损量与工件表面粗糙度;图4(c)、(f)分别为田口-灰关联参数(P2Q3K1T3)刀具磨损量与工件表面粗糙度。从电镜图可知(P2Q3K1T3)为最佳镀膜参数组合。

图4 工件与刀具不同方式的SEM表面形态

3 结论

本项目运用田氏实验设计法，探讨沉积在刀具上氮化物薄膜对车削加工特性的影响，结合多重特性灰关联分析，获得最佳镀膜参数组合，经过车削实验验证，工件表面粗糙度最好和车刀磨损量最小。

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