CN111523250A - 一种提高涂层工具切削性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种金属切削涂层工具的表面处理方法，具体是一种能够提高金属切削涂层工具切削性能的方法，包括以下步骤：首先通过有限元仿真软件，优选出工具与工件的最佳的配合方案，甄选出能够出现自组织结构特征的涂层工具，然后通过高速铣削实验方法以及自组织结构生成理论，确定自组织结构出现时的参数范围，优化相关参数并测定涂层工具表面的残余应力，最后通过对涂层工具的表面处理获得同等的应力值条件，从而提高涂层工具的切削性能。针对不同种类涂层工具，均可以采用上述方法进行处理，此方法不仅提高了工具的切削性能，也能够延长工具的使用寿命和提高加工表面质量，有利于企业降低工具使用成本，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属切削涂层工具的表面处理方法，具体是一种通过对涂层工具进行表面处理从而提高切削性能的方法。
背景技术
现代制造业中，切削工具在金属工件的再成型中扮演了重要角色，加工过程中，工具与工件之间接触的瞬间产生高温高压环境，对于工具的质量提出了更高的要求。加工表面质量受到工具、切削参数以及工件本身多方面的影响，高速加工过程中工具磨损较快，频繁的换刀会加剧加工成本。为提高工具的切削性能、延长工具的使用寿命、提高加工表面质量，涂层工具的出现有效的解决了以上问题，并且随着现代制造业得发展，涂层工具的制造水平有了大幅的提高，向着多涂层以及复合涂层的方向发展，通过对涂层工具的表面后处理，改变工具表面的应力水平，从而提高工具的切削性能，同时延长工具的使用寿命寿命。
涂层工具由于自身良好的耐磨性，耐热性及热稳定性等优势在金属切削领域得到广泛的应用，相较于普通工具，涂层工具的使用寿命大大延长，并且能够得到较好的加工表面质量。国内外学者相关研究发现，涂层工具在特定的切削环境下会出现自组织结构或现象，这种结构能减小工具与工件之间的摩擦力，延缓到工具的磨损，延长工具的使用寿命，较少资金的浪费等，目前研究主要集中于自组织结构的存在现象，对于自组织结构的产生条件以及工具的表面处理研究较少。
为此，本发明针对涂层工具可能在切削过程中出现自组织结构，建立有限元模型分析工具与工件的性能匹配，甄选出合适的涂层工具以及合理的切削参数。分析自组织结构出现时的切削条件，进一步探索其残余应力水平，通过工具的表面处理技术改变原工具的应力值，从而提高涂层工具切削性能，加快切削效率，能够延长工具的使用寿命和提高加工表面质量，为涂层工具的制备与后处理提供了新的理念，具有普遍的科学意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种能够提高涂层工具切削性能的方法，能够延长工具切削的使用寿命，减缓工具在切削过程中的磨损程度，提高切削效率。为达成上述目的，本发明的解决方案是：
1.一种提高涂层工具切削性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）通过DEFORM仿真软件，选取不同的涂层工具和金属工件进行模拟仿真，在不同的切削参数下进行相同距离切削，优选出合适的涂层工具，以此实现与金属工件性能匹配；
2）选取1）中不同涂层工具进行高速铣削试验，并且记录工具在不同参数下的磨损程度与形式，以工具后刀面平均磨损VB=0.3mm为工具失效标准；
3）选取2）中不同磨损阶段的涂层工具和工件进行化学成分检测，若出现自组织保护膜成分，则选择此涂层工具试验验证，并对生成自组织结构的工具进行残余应力检测，分析应力值范围并且绘制曲线；
4）选取3）中的涂层工具，设计正交实验，绘制工具失效前的应力演变曲线，对能够生成自组织结构的切削参数进行优化选择；
5）对涂层工具进行表面处理，并依据自组织结构的应力条件作为指导；
6）对优化参数处理后的涂层工具进行切削实验，验证涂层工具切削性能的提高。
2.按照权利要求1所述的提高涂层工具切削性能的方法，其特征在于：步骤3）所述自组织保护膜成分，工具可能存在自润滑和耐磨性高的成分：例如Al2O3、TiO2、SiO2等。
3.按照权利要求1所述的提高涂层工具切削性能的方法，其特征在于：步骤4）在后刀面磨损量VB<0.3mm的范围内进行切削实验，如果磨损量VB>0.3mm则重新换刀进行实验验证。
4.按照权利要求1所述的提高涂层工具切削性能的方法，其特征在于：步骤5）对于工具进行表面处理，采用微喷砂技术，并随时进行应力检测，以期达到自组织应力要求。
本发明具有如下优点和效果：
本发明提出了通过表面处理技术改变涂层工具表面残余应力从而提高工具切削性能从方法。该方法首先通过仿真软件实现对涂层工具与工件的性能匹配；之后对不同涂层工具进行高速铣削试验，分析其磨损程度与形式；确定自组织结构生成时的切削条件与应力要求；对涂层工具进行表面处理改变其应力水平；选用优化后的切削参数及处理后的涂层工具进行切削实验，验证涂层工具切削性能的提高。将该方法应用于金属材料以及难加工材料的切削，实验结果表明，该方法能够提高工具的切削性能，也能够大大延长工具的使用寿命，为工具的制备及表面处理提供了新的理念，具有普遍的科学意义和实用价值。
具体实施方式：
所用切削工具为硬质合金涂层刀具KC522M（AlTiN单层PVD涂层，Kennametal公司生产），工件材料为高温合金GH2132（硬度为36HRC），在型数控机床进行试验，选用刀杆（型号20A03R028A20ED10），采用便捷式表面粗糙仪（型号cs-200,烟台创晟机电设备有限公司生产）对加工表面粗糙度进行测量，采用光学显微镜（型号usb200,深圳市深视光谷光学仪器有限公司生产）进行工具磨损量的测量，采用应力分析仪（型号Xstress 3000,芬兰Stresstech Oy公司生产）进行工具表面残余应力测量，采用扫面电子显微镜（型号Sirion200,FEI公司生产）对工具表面形貌及表面化学成分检测，采用微喷砂机（型号9080-2W-ZSK，江苏瞬洁科技有限公司制造）对工具表面进行处理，改变工具表面的应力值。
1）通过DEFORM仿真软件，选取AlTiN、TiN/Al2O3/TiCN、TiCN/TiN涂层工具和高温合金GH2132工件，通过对不同切削参数进行模拟仿真，优选出合适的切削参数范围：切削速度vc= 60-180m/min，主轴转速fz= 0.02-0.04 mm/z，轴向切削深度ap = 0.2-0.4mm，径向切削深度ae = 2-4mm，仿真得出AlTiN涂层工具适合切削高温合金GH2132；
2）设计正交试验，选用AlTiN涂层刀具进行高速铣削试验，选取的切削参数范围：切削速度vc = 60-180m/min，主轴转速fz= 0.02-0.04 mm/z，轴向切削深度ap = 0.2-0.4mm，径向切削深度ae= 2-4mm。刀具切削前期：Fx在40-80N之间，Fy在60-110N之间，Fz在40-80N之间；中期Fx在50-100N之间，Fy在115-168N之间，Fz在405-524N之间；后期的切削力Fx在50-100N之间，Fy在115-168N之间，Fz在405-524N之间，刀具平均寿命寿命约在35min左右，若切削过程中刀具后刀面磨损量超过0.3mm，则停止试验并换刀进行下一组切削试验；
3）依据自组织结构的生成标准，刀具在切削过程中产生的高温高压环境能够生成Al2O3、SiO2、TiO2等氧化物，这些氧化物能够减小刀具与工件之间的摩擦力，检测不同参数下刀具前期、中期、后期的化合物成分，发现切削中期Al2O3、SiO2、TiO2等氧化物含量增加，判定自组织结构的生成，对生成自组织结构的刀具再进行表面残余应力的检测，残余压应力范围637-785Mpa，测量刀具的初始应力值635Mpa，并对不同切削参数刀具的残余应力范围进行记录，以便后期分析；
4）绘制残余应力变化曲线，确定自组织结构生成时刀具表面残余应力的变化范围为637-785Mpa，确定自组织结构存在条件：Fx=50-100N , Fy=115-168N, Fz=405-524N；
5）通过微喷砂机器对刀具表面进行处理，经过多次试验，优选出合适的微喷砂参数：磨料Al2O3、喷砂时间5s、喷砂压强0.1 Mpa。喷砂改变刀具表面的残余应力，喷砂前需要对刀具进行超声波清理，喷砂完后刀具表面残余应力为760 Mpa左右，能够接近自组织结构生成时刀具表面的残余应力值范围；
6）进行切削实验，记录刀具的切削寿命以及加工表面质量，验证涂层工具切削性能提升的程度。
通过上述过程得到的硬质合金涂层刀具kc522m，在切削高温合金GH2132时，相比未处理的工具，切削性能有明显提高，工具寿命提高约30%，切削力减小约15%，切削温度及加工表面粗糙度降低，加工表面质量明显提升。
Claims (4)
1.一种提高涂层工具切削性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）通过DEFORM仿真软件，针对具体的金属工件，选取不同的涂层工具进行切削仿真模拟，在不同的切削参数下进行相同距离切削，优选出合适的涂层工具，以此实现与金属工件性能匹配；
2）选取1）中不同涂层工具进行高速铣削试验，并且记录工具在不同参数下的磨损程度与形式，以工具后刀面平均磨损VB=0.3mm为失效标准；
3）选取2）中不同磨损阶段的涂层工具和工件进行化学成分检测，若出现自组织保护膜的组成成分，则选择此涂层工具试验验证，并对生成自组织结构的工具进行残余应力检测，分析应力值范围并且绘制曲线；
4）选取3）中的涂层工具，设计正交实验，绘制工具失效前的应力演变曲线，对能够生成自组织结构的切削参数进行优化选择；
5）对涂层工具进行表面处理，并依据自组织结构的应力条件作为指导；
6）对优化参数处理后的涂层工具进行切削实验，验证涂层工具切削性能的提高。
2.按照权利要求1所述的提高涂层工具切削性能的方法，其特征在于：步骤3）所述自组织保护膜成分，涂层工具表面存在具有自润滑和耐磨性高的成分：例如Al2O3、TiO2、SiO2等。
3.按照权利要求1所述的提高涂层工具切削性能的方法，其特征在于：步骤4）在后刀面磨损量VB<0.3mm的范围内进行切削实验，如果磨损量VB>0.3mm则重新换刀进行实验验证。
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| CN113705057A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-11-26 | 大连理工大学 | 一种基于有限元仿真的超声振动辅助铣削力建模方法 |
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