CN106407598A - 一种提高金属切削涂层刀具使用寿命的方法 - Google Patents

一种提高金属切削涂层刀具使用寿命的方法 Download PDF

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郑光明
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Abstract

本发明涉及一种金属切削涂层刀具的使用方法，具体是一种能够提高金属切削涂层刀具使用寿命的方法，包括以下步骤：首先，建立金属切削有限元模型，进行刀具材料与工件材料的热—力—化学场耦合分析，实现刀具与工件的性能匹配，优选出可能存在自组织切削特征的涂层刀具材料。其次，采用高速切削实验技术和热力学理论，寻找高速切削涂层刀具表面自组织结构生成及长时间有效切削条件（主要包括切削速度、进给量、切削深度）。再次，绘制刀具的等效率与等寿命曲线，优化自组织切削参数，可以在保证切削效率的同时，达到提高刀具使用寿命的目的。针对不同的金属材料，均采用上述方法进行加工，在提高刀具使用寿命的同时，也提高了加工表面质量，降低了生产成本，有利于自动化生产。

Description

一种提高金属切削涂层刀具使用寿命的方法
技术领域
本发明涉及一种金属切削涂层刀具的使用方法，具体的说是一种能够提高金属切削涂层刀具使用寿命的方法。
背景技术
高速切削加工是一个复杂、非线性的变化过程，受到刀具、工件、切削参数等综合因素的制约，在一定条件下，刀—工、刀—屑摩擦接触表面受热—力—化学场的综合作用生成自组织保护膜或次生结构，能够提高刀具的抗摩性能（G S Fox-Rabinovich, G Totten.Self-organization during Friction: Advance Surface Engineered Materials andSystems Design [M]. Boca Raton: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2006），从而提高刀具寿命和改善加工表面质量。受切削过程热-力-化学场的综合作用，刀具表面结构及性能的变化对加工表面质量产生重要的影响。
国内外学者通过研究刀-工、刀-屑表面摩擦接触状态，发现了在特定切削条件下刀面表面存在氧化物薄膜或次生结构，这种结构的存在能够提高刀具的抗摩性能。而现有的研究仅是发现了存在这种自组织结构或自组织切削现象，目前还很少有针对刀具存在自组织结构的切削条件及这种结构对加工表面质量的影响进行相关的研究。
为此，本发明针对涂层刀具表面可能存在自组织结构特征，建立刀具切削模型，并进行刀具材料与工件材料的热-力-化学耦合分析，初步优选刀具材料。分析刀具表面自组织结构特征，并进一步研究刀具表面能够长时间存在这种切削特征的条件，考虑切削效率的前提下，选取合理的切削条件进行切削，不仅有利于提高刀具寿命和加工质量，还为高性能刀具设计提供了新途径，具有普遍的科学意义和工程应用价值。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种能够提高涂层刀具使用寿命的方法，其可解决切削加工过程中刀面磨损严重、切削寿命低的问题。为达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种能够提高金属切削涂层刀具使用寿命的方法，包括如下步骤：
1）选取不同的涂层刀具材料，借助有限元软件DEFORM-3D中的Machining模块，建立金属切削有限元模型，在不同的切削参数下，切削相同的距离，比较刀具表面应力及温度分布，提取各涂层刀具表面最高温度；
2）采用物质吉布斯自由能函数法，对各涂层成分及工件材料成分进行化学热力学计算，在1）获取的切削温度范围内分析可能发生的化学反应。若存在生成自组织摩擦保护薄膜或次生结构的可能，则选择此涂层刀具进行切削试验进行验证；
3）选取2）中获取的合理涂层刀具，并用此刀具进切削试验验证；
4）选取刀具后刀面平均磨损量VBave>0.3 mm和工件加工表面粗糙度R a>3.2 μm作为刀具磨钝标准，刀具每次切削相同路程后，检测工件加工表面粗糙度R a及刀具后刀面平均磨损量VBave，判断刀具磨损情况，分析刀具表面是否存在自组织结构；
5）在步骤4）中如果发现自组织结构，则此切削条件为有效切削条件之一，根据步骤1）-4）获取存在自组织结构的有效切削条件区间；
6）设计正交实验，获取泰勒刀具寿命经验公式，在有效切削条件范围内，计算切削效率，并绘制刀具的等效率与等寿命曲线，优化自组织切削参数；
7）选取优化后的一组参数进行试验，验证刀具寿命和加工表面质量。
进一步地，步骤2）所述自组织结构特征，主要包括起着晶粒强韧化作用的VC、VN、Mo2C等，起着提高抗氧化和耐磨性的Cr3C2、Si3N4、Al2O3、TiN等，起着自润滑性能和提高耐磨性能的TiO2、V2O5、SiO2、TiC等。
进一步地，步骤4）所述判断刀具磨损情况，并进行使用决策的方法，主要按照下述情形进行判断：
a. 如果VBave<0.15 mm且R a<3.2 μm，则继续进行切削；
b. 如果VBave>0.3 mm或R a>3.2 μm，则停车换刀，该刀具报废；
c. 如果0.15 mm<VBave<0.3 mm且R a<3.2 μm，对该刀具表面磨损形貌及成分进行检测，分析是否出现自组织结构，然后继续进行切削。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出了涂层刀具在存在自组织结构的条件下切削可以提高刀具寿命的方法。该方法首先通过多场耦合分析，实现刀具材料与工件材料的性能匹配；接着分析了涂层刀具表面自组织结构特征及减摩耐磨机理，寻找自组织结构长时间存在的切削条件；在考虑切削效率的条件下，选用有效的切削条件进行切削实验，验证刀具寿命及加工表面质量。将该方法用于难加工材料的切削，实验结果表明，该方法不仅有利于提高刀具使用寿命，还大大提高了加工表面质量，也为高性能刀具设计提供了新途径，具有普遍的科学意义和工程应用价值。
具体实施方式：
实施例一
所用的切削刀具为硬质合金涂层刀具KCP10B（表层Al2O3里层TiCN，由Kennametal公司生产），工件材料为超高强度钢300M（硬度为HRC 47），在CKD6136i型数控机床（由大连机床集团有限责任公司生产）进行试验，选用MSSNR2020K12型号的车刀杆（由上海逸临工具厂生产），采用CS-3200型便捷式表面粗糙度测量仪（由烟台创晟机电设备有限公司生产）测量工件表面粗糙度Ra，采用USB200型光学工具显微镜（由深圳市深视光谷光学仪器有限公司生产）测量刀具后刀面磨损量，利用Sirion200型扫描电子显微镜（由FEI公司生产）对刀面磨损表面形貌及分析进行分析。
可以提高上述涂层刀具切削寿命的方法，包括如下步骤：
1）借助有限元软件DEFORM，选取表层Al2O3里层TiCN的涂层刀具材料，工件材料为300M超高强度钢，建立金属切削有限元模型，选择切削速度v c=200-600 m/min，进给量f=0.1-0.3 mm/r，切削深度a p=0.1-0.3 mm的切削参数下，切削相同的距离，比较刀具表面应力及温度分布，提取涂层刀具表面最高温度在500-800 ℃左右；
2）采用物质吉布斯自由能函数法，对涂层成分及工件材料成分进行化学热力学计算，在切削温度范围600-1000 ℃分析可能发生的化学反应。计算结果表明在所确定的温度范围内可能生成的化合物包括VC、VN、Mo2C、Si3N4、TiO2、V2O5、SiO2等，具有自组织结构特征，在切削过程中这些物质可以起着减小摩擦系数、提高耐磨性的作用，可选择此涂层刀具进行切削试验；
3）选取此涂层刀具进行切削试验，所采用的切削参数同1）；
4）选取刀具后刀面平均磨损量VBave>0.3 mm和工件加工表面粗糙度R a>3.2 μm作为刀具磨钝标准，刀具每次切削相同路程后，检测工件加工表面粗糙度R a及刀具后刀面平均磨损量VBave，当VBave<0.15 mm且R a<3.2 μm，则继续进行切削；当VBave>0.3 mm或R a>3.2 μm，则停车换刀，该刀具报废；当0.15 mm<VBave<0.3 mm且R a<3.2 μm，对该刀具表面磨损形貌及成分进行检测，分析存在SiO2和TiO2自组织摩擦保护薄膜，得到存在自组织切削特征的切削条件范围为切削速度v c=300-500 m/min，进给量f=0.15-0.25 mm/r，切削深度a p=0.1-0.2 mm；
5）设计正交实验，获取泰勒刀具寿命经验公式，在有效切削条件范围内，计算切削效率，并绘制刀具的等效率与等寿命曲线，优化自组织切削参数，选取v c=300, 500 m/min, f=0.15 mm/r, a p=0.15 mm进行试验，验证刀具寿命和加工表面质量。
通过上述过程得到硬质合金涂层刀具KCP10B高速自组织切削超高强度钢300M时，在v c=500 m/min切削时，金属去除率1125 mm3/min，刀具切削寿命为20 min，切削路程9.8km，加工表面粗糙度平均值R a=1.474 μm；在v c=300 m/min切削时，金属去除率675 mm3/min，刀具切削寿命为142 min，切削路程41.8 km，加工表面粗糙度平均值R a=1.105 μm。
实施例二
所用的切削刀具为硬质合金涂层刀具CP200（TiAlN/TiN复合涂层，由Seco公司生产），工件材料为超高强度钢300M（硬度为HRC47），在CKD6136i型数控机床（由大连机床集团有限责任公司生产）进行试验，选用MSSNR2020K12型号的车刀杆（由上海逸临工具厂生产），采用CS-3200型便捷式表面粗糙度测量仪（由烟台创晟机电设备有限公司生产）测量工件表面粗糙度Ra，采用USB200型光学工具显微镜（由深圳市深视光谷光学仪器有限公司生产）测量刀具后刀面磨损量，利用Sirion200型扫描电子显微镜（由FEI公司生产）对刀面磨损表面形貌及分析进行分析。可以提高上述涂层刀具切削寿命的方法，包括如下步骤：
1）借助有限元软件DEFORM，选取TiAlN/TiN复合涂层刀具材料，工件材料为300M超高强度钢，建立金属切削有限元模型，选择切削速度v c=200-600 m/min，进给量f=0.1-0.3 mm/r，切削深度a p=0.1-0.3 mm的切削参数下，切削相同的距离，比较刀具表面应力及温度分布，提取涂层刀具表面最高温度在500-800 ℃左右；
2）采用物质吉布斯自由能函数法，对涂层成分及工件材料成分进行化学热力学计算，在切削温度范围600-1000 ℃分析可能发生的化学反应。计算结果表明可能在所确定的温度范围内可能生成的化合物包括VC、VN、Mo2C、Si3N4、Al2O3、TiC、TiO2、V2O5、SiO2等，具有自组织结构特征，在切削过程中这些物质可以起着减小摩擦系数、提高耐磨性的作用，可选择此涂层刀具进行切削试验；
3）选取此涂层刀具进行切削试验，所采用的切削参数同1）；
4）选取刀具后刀面平均磨损量VBave>0.3 mm和工件加工表面粗糙度R a>3.2 μm作为刀具磨钝标准，刀具每次切削相同路程后，检测工件加工表面粗糙度R a及刀具后刀面平均磨损量VBave，当VBave<0.2 mm且R a<3.2 μm，则继续进行切削；当VBave>0.3 mm或R a>3.2 μm，则停车换刀，该刀具报废；当0.2 mm<VBave<0.3 mm且R a<3.2 μm，对该刀具表面磨损形貌及成分进行检测，分析存在SiO2、TiO2自组织结构，得到存在自组织切削特征的切削条件范围为切削速度v c=300-400 m/min，进给量f=0.1-0.2 mm/r，切削深度a p=0.1-0.2 mm；
5）设计正交实验，获取泰勒刀具寿命经验公式，在有效切削条件范围内，计算切削效率，并绘制刀具的等效率与等寿命曲线，优化自组织切削参数，选取v c=300，400 m/min，f=0.15 mm/r，切削深度a p=0.15 mm进行试验，验证刀具寿命和加工表面质量。
通过上述过程得到硬质合金涂层刀具CP200高速自组织切削超高强度钢300M时，在v c=300 m/min切削时，金属去除率675 mm3/min，刀具切削寿命为106 min，切削路程3.2km，加工表面粗糙度平均值R a=1.452 μm；在v c=400 m/min切削时，金属去除率900 mm3/min，刀具切削寿命为30 min，切削路程1.2 km，加工表面粗糙度平均值R a=1.153 μm。
实施例三
所用的切削刀具为AC820P（表层FF-Al2O3里层FF-TiCN，由Sumitomo公司生产）、金属陶瓷涂层刀具T2000Z（涂层是由纳米级TiAlN和AlCrN超薄涂层交替排列（多达约千层）组合而成的厚涂层，由Sumitomo公司生产），工件材料为超高强度钢300M（硬度为HRC47），在CKD6136i型数控机床（由大连机床集团有限责任公司生产）进行试验，选用MSSNR2020K12型号的车刀杆（由上海逸临工具厂生产），采用CS-3200型便捷式表面粗糙度测量仪（由烟台创晟机电设备有限公司生产）测量工件表面粗糙度Ra，采用USB200型光学工具显微镜（由深圳市深视光谷光学仪器有限公司生产）测量刀具后刀面磨损量，利用Sirion200型扫描电子显微镜（由FEI公司生产）对刀面磨损表面形貌及分析进行分析。可以提高上述涂层刀具切削寿命的方法，包括如下步骤：
1）借助有限元软件DEFORM，选取上述的涂层刀具材料，工件材料为300M超高强度钢，建立金属切削有限元模型，选择切削速度v c=200-600 m/min，进给量f=0.1-0.3 mm/r，切削深度a p=0.1-0.3 mm的切削参数下，切削相同的距离，比较刀具表面应力及温度分布，提取涂层刀具表面最高温度在800 ℃左右；
2）采用物质吉布斯自由能函数法，对涂层成分及工件材料成分进行化学热力学计算，在切削温度范围600-1000 ℃分析可能发生的化学反应。计算结果表明可能在所确定的温度范围内可能生成的化合物包括VC、VN、Mo2C、Cr3C2、Si3N4、TiO2、V2O5、SiO2等，具有自组织结构特征，在切削过程中这些物质可以起着减小摩擦系数、提高耐磨性的作用，可选择此涂层刀具进行切削试验；
3）选取上述两种涂层刀具进行切削试验，所采用的切削参数同1）；
4）选取刀具后刀面平均磨损量VBave>0.3 mm和工件加工表面粗糙度R a>3.2 μm作为刀具磨钝标准，刀具每次切削相同路程后，检测工件加工表面粗糙度R a及刀具后刀面平均磨损量VBave，当VBave<0.2 mm且R a<3.2 μm，则继续进行切削；当VBave>0.3 mm或R a>3.2 μm，则停车换刀，该刀具报废；当0.2mm<VBave<0.3mm且R a<3.2 μm，对该刀具表面磨损形貌及成分进行检测，分析AC820P刀具表面存在SiO2、TiO2自组织结构，T2000Z涂层刀具表面没有发现自组织结构特征，得到存在自组织切削特征的切削条件范围为切削速度v c=300-400 m/min，进给量f=0.1-0.2 mm/r，切削深度a p=0.1-0.2 mm；
5）设计正交实验，获取泰勒刀具寿命经验公式，在有效切削条件范围内，计算切削效率，并绘制刀具的等效率与等寿命曲线，优化自组织切削参数，选取v c=300 m/min，f=0.15mm/r， a p =0.15 mm进行试验，验证刀具寿命和加工表面质量。
通过上述过程得到硬质合金涂层刀具AC820P高速自组织切削超高强度钢300M时，在v c=300 m/min切削时，金属去除率675 mm3/min，刀具切削寿命为97 min，切削路程2.9km，加工表面粗糙度平均值R a=1.428 μm。

Claims (4)

1.一种提高涂层刀具使用寿命的方法，其特征在于，包括如下的步骤：
1）选取不同的涂层刀具材料，借助有限元软件DEFORM-3D中的Machining模块，建立金属切削有限元模型，在不同的切削参数下，切削相同的距离，比较刀具表面应力及温度分布，提取各涂层刀具表面最高温度；
2）采用物质吉布斯自由能函数法，对各涂层成分及工件材料成分进行化学热力学计算，在1）获取的切削温度范围内分析可能发生的化学反应。
2.若存在生成自组织摩擦保护薄膜或次生结构的可能，则选择此涂层刀具进行切削试验进行验证；
3）选取2）中获取的合理涂层刀具，并用此刀具进切削试验验证；
4）选取刀具后刀面平均磨损量VBave>0.3 mm和工件加工表面粗糙度Ra>3.2 μm作为刀具磨钝标准，刀具每次切削相同路程后，检测工件加工表面粗糙度Ra及刀具后刀面平均磨损量VBave，判断刀具磨损情况，分析刀具表面是否存在自组织结构；
5）在步骤4）中如果发现自组织结构，则此切削条件为有效切削条件之一，根据步骤1）-4）获取存在自组织结构的有效切削条件区间；
6）设计正交实验，获取泰勒刀具寿命经验公式，在有效切削条件范围内，计算切削效率，并绘制刀具的等效率与等寿命曲线，优化自组织切削参数；
7）选取优化后的一组参数进行试验，验证刀具寿命和加工表面质量。
3.按照权利要求1所述的提高涂层刀具使用寿命的方法，其特征在于：步骤2）所述自组织结构特征，主要包括起着晶粒强韧化作用的VC、VN、Mo2C等，起着提高抗氧化和耐磨性的Cr3C2、Si3N4、Al2O3、TiN等，起着自润滑性能和提高耐磨性能的TiO2、V2O5、SiO2、TiC等。
4.按照权利要求1所述的提高涂层刀具使用寿命的方法，其特征在于：步骤4）所述判断刀具磨损情况，并进行使用决策的方法，主要按照下述情形进行判断：
a. 如果VBave<0.15 mm且Ra<3.2 μm，则继续进行切削；
b. 如果VBave>0.3 mm或Ra>3.2 μm，则停车换刀，该刀具报废；
c. 如果0.15 mm<VBave<0.3 mm且Ra<3.2 μm，对该刀具表面磨损形貌及成分进行检测，分析是否出现自组织结构，然后继续进行切削。
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