高速切削加工技术在航空薄壁结构中的应用
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摘要:提出了刀具涂层的分类方法,分析了涂层刀具的选择依据。

1 引言

作为基础产业的制造业正在发生着革命性的变化,制造技术也已产生了质的变化。尤其是近几年高速切削加工技术的应用,在大幅度提高生产效率的同时也极大地提高了产品的质量,可以认为高速切削加工技术已成为切削制造业的主流。
高速切削加工技术的发展与应用同时带动了相关技术的迅速发展。高速切削顾名思义,是高的速度、大的进给量、机床的快速移动、快速换刀等,最终体现为生产效率的大幅度提高。但是应该指出的是高速切削只是一个相对的概念,随着加工方式、工件材料以及刀具选择的变化,高速切削加工的速度存在很大变动范围。一般认为高速加工的切削速度为常规切削速度的5~10倍,如加工碳素钢切削速度为500~2000m/min;铸铁为600~3000m/min;铝合金为1000~7000m/min;铜为900~5000m/min。
高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一,而刀具材料的高温性能是影响高速切削刀具技术发展的重中之重。由于在高速切削加工中所产生的切削热对刀具的磨损比常规切削高得多,因此对刀具材料有更高的要求:高硬度、高强度和耐磨性;高的韧性和抗冲击能力;高的红硬性和化学稳定性;抗热冲击能力。
刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一种表面改性技术,自上世纪60年代出现以来,该项技术在金属切削刀具制造业内得到了极为广泛的应用。尤其是高速切削加工技术出现之后,涂层技术更是得到了迅猛的发展与应用,并成为高速切削刀具制造的关键技术之一。该项技术通过化学或物理的方法在刀具表面形成某种薄膜,使切削刀具获得优良的综合切削性能,从而满足高速切削加工的要求。归纳起来切削刀具表面涂层技术具有以下特点:
  1. 采用涂层技术可在不降低刀具强度的条件下,大幅度地提高刀具表面硬度,目前所能达到的硬度已接近100GPa;
  2. 随着涂层技术的飞速发展,薄膜的化学稳定性及高温抗氧化性更加突出,从而使高速切削加工成为可能;
  3. 润滑薄膜具有良好的固相润滑性能,可有效地改善加工质量,也适合于干式切削加工;
  4. 涂层技术作为刀具制造的最终工序,对刀具精度几乎没有影响,并可进行重复涂层工艺。
涂层切削刀具所带来的益处:可大幅度提高切削刀具寿命;有效地提高切削加工效率;明显提高被加工工件的表面质量;有效地减少刀具材料的消耗,降低加工成本;减少冷却液的使用,降低成本,利于环境保护。

2 刀具涂层的分类

众所周知,传统刀具涂层技术主要可分为两大类,但由于市场需求的变化及涂层技术本身的特性,物理涂层技术的发展受到了更大的关注。PVD技术在得到飞跃性发展的同时,其应用市场也得到了广泛的拓展。与最初发展相比,不仅涂层成分种类繁多,近几年来在涂层结构上更是有了突破性的发展,并已为市场所接受。随着PVD技术在市场中愈来愈广泛的应用,认识了解各类涂层的特性及适用领域愈加显得重要。因此本文拟对当前PVD涂层进行分类,并分析各类薄膜所适用领域,目的是让使用者对各类涂层有一个较系统的了解,更加合理地使用涂层刀具。
从PVD技术的发展和应用角度,笔者认为PVD涂层可按2种方法进行分类。
  1. 按涂层成分分类
    按涂层成分对涂层进行分类简洁、明了,基于对材料性能的认识,使用者容易了解涂层的功能,易为市场所接受,因此目前各涂层企业更多的是以不同的涂层成分向用户介绍、推荐其技术及产品。按成分对涂层区分通常可分为两大类,即硬涂层和软涂层。硬涂层以TiN、TiCN、TiAlN等为代表,包括了单层薄膜和复合薄膜,随着市场需求的变化及涂层技术的发展,新的涂层成分不断被开发出来,到目前为止所应用的硬涂层成分已有几十种之多;软涂层顾名思义薄膜的硬度相对较低,通常为1000HV左右。软涂层目前种类并不多,以MoS2、碳基薄膜为主,在切削加工领域内,其目的是通过在硬涂层表面覆盖一层这种薄膜,试图增加涂层表面的润滑性,改善被加工工件表面质量,以满足某些应用领域的需要。
  2. 按涂层结构分类
    尽管按成分进行涂层分类具有良好的市场基础,但从PVD技术的发展来看,涂层的内部结构的变化已越来越多地影响着涂层刀具的应用效果。相同的涂层成分、不同的结构形式,可以导致涂层刀具使用效果的截然不同。因此认识了解目前PVD涂层薄膜的结构形式,对于该项技术的实际应用有着十分重要的意义。就目前PVD技术的发展状况,涂层薄膜结构大体可分类如下:
    1. 单一层涂层
      涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成,理论上讲在薄膜的纵向生长方向上涂层成分是恒定的,这种结构的涂层可称之为普通涂层。如果联系到PVD的发展历程,实际上在过去相当长的时期内一直采用这种技术,其中包含众所周知TiN、TiCN、TiAlN 等。随着应用市场要求的不断提高,人们也愈加认识到这种涂层的局限性,无论是显微硬度、高温性能、薄膜韧性等都难于大幅度提高,但这种涂层在市场中仍占有一定比例。
    2. 复合涂层

      图1 CrN+CBC复合薄膜

      图2 TiAlCN梯度薄膜

      图3 多层薄膜

      图4 AlN+TiN+CrN纳米薄膜

      图5(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)纳米复合相结构薄膜
      由多种不同功能(特性)薄膜组成的结构可以称之为复合涂层结构膜,其典型涂层为目前的硬涂层+ 软涂层,每层薄膜各具不同的特征,从而使涂层更具良好的综合性能。图1所示为CrN+CBC复合涂层,其中CBC为碳基薄膜。
    3. 梯度涂层
      涂层成分沿薄膜纵向生长方向逐步发生变化,这种变化可以是化合物各元素比例的变化,如TiAl-CN中Ti、Al含量的变化,也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合物,如由CrN 逐渐过渡到CBC。可以预见这种结构能有效降低因成分突变而造成的内部微观应力的增加。图2所示为TiAlCN梯度薄膜。
    4. 多层涂层
      多层涂层由多种性能各异的薄膜叠加而成,每层膜化学组分基本恒定。目前在实际应用中多由2种不同薄膜组成,由于所采用的工艺存在差异,不同企业的多层涂层刀具,其各膜层的尺寸也不近相同,通常由十几层薄膜组成,每层薄膜尺寸大于几十纳米,最具代表性的有AlN+TiN、TiAlN+TiN涂层等。与单层涂层相比,多层涂层可有效地改善涂层组织状况,抑制粗大晶粒组织的生长,多层薄膜如图3 所示。
    5. 纳米多层涂层
      这种结构的涂层与多层涂层类似,只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级,又可称为超显微结构。理论研究证实在纳米调制周期内(几纳米至几十纳米),与传统的单层膜或普通多层膜相比,此类薄膜具有超硬度、超模量效应,其显微硬度超过40GPa 是可以预期的,并且在相当高的温度下,薄膜仍可保留非常高的硬度。因此这类膜具有良好的市场应用前景,其典型代表为AlN+TiN、AlN+TiN+CrN涂层等。如图4所示,为AlN+TiN+CrN 纳米膜系,其调制周期l约为7nm。
    6. 纳米复合结构涂层
      纳米复合结构涂层。以(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)纳米复合相结构薄膜为例,在强等离子体作用下,纳米TiAlN 晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内(见图5),当TiAlN晶体尺寸小于10nm 时,位错增殖源难于启动,而非晶态相又可阻止晶体位错的迁移,即使在较高的应力下,位错也不能穿越非晶态晶界。这种结构薄膜的硬度可以达到50GPa 以上,并可保持相当优异的韧性,且当温度达到900℃~1100℃时,其显微硬度仍可保持在30GPa 以上;此外这种薄膜同时可获得优异的表面质量,因此工业应用前景广阔。

3 涂层的应用

随着PVD技术的迅速发展,在实际应用中涂层的合理选择愈加显得重要。目前涂层薄膜不仅要解决硬度问题,其韧性、抗氧化性、表面粗糙度及润滑性等都需要根据不同的切削条件进行综合考虑。从实际的切削加工状况来看,仅凭涂层成分进行选择,在实际应用中已难以获取最佳经济效益。本文依据上述两种涂层分类,浅析实际切削加工中PVD涂层薄膜的选用。
  1. 车削加工车削加工的特点是连续、稳定、切削力及切削温度变化小,相对而言切削温度较高,因此在选择涂层类别时,涂层的硬度和高温抗氧化性是重点考虑因素。
    1. 加工钢材时可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)及AlTiN薄膜,这两种薄膜都具有极高的表面硬度,且红硬性良好,使用温度可达到1100℃。
    2. 铸铁加工通常也可选择上述2种薄膜。
    3. 铝及铝合金加工的特点是熔点低,在切削加工中极易形成积屑瘤,且氧化了的切屑可形成Al2O3,导致摩擦作用的增强。当硅含量在4%~13%之间时,硅在铝内形成固溶体+共晶体组织,这种脆性、针状的片状硅的夹杂,在切削过程中,具有磨料作用,导致刀具早期失效;而当Si含量进一步提高时粗大的组织使切削性能进一步下降。如果采用干式切削,可加剧这种磨损的发展,加工这类有色金属金刚石涂层刀具是最佳的选择方案之一,但考虑到可行性及经济性,对于PVD而言,涂层应具有高的硬度及优异的润滑性。当Si 含量小于12%时,可选择多层TiCN+MoS2复合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜;而当Si含量大于12%时,则可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)或单层的TiCN 薄膜。
    4. 高强度合金的加工具有变形大、加工硬化大、切削温度高的特点,此外由于该类合金中含有大量的碳化物、氮化物等,其显微硬度可达2000 ~3000HV。在选择用于此类涂层时,其显微硬度、高温性能、润滑性是应着重考虑的因素。通常可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)或TiAl-CN+CBC 复合薄膜。
    5. 对于铜及其合金而言,涂层极具针对性,而与加工方式关联性较低。紫铜塑性、韧性大,易粘屑,因此需要有效地解决排屑问题,一般选用CrN膜;而对于铜合金(黄铜、青铜),由于材料强度的提高,通常采用单层TiCN 或多层TiCN 薄膜。
    6. 塑胶材料的加工特性是导热性差、磨料性、回弹性等,且大多采用干式切削加工方式,因此薄膜的显微硬度及热绝缘性是重点考虑的因素,除了CVD 的金刚石薄膜外,也可选用多层TiCN薄膜。
  2. 钻削加工
    钻削加工也属于连续加工切削方式,其涂层种类的选择基本与车削加工类似。但所需注意的是通孔加工存在载荷的突变,因此所选择薄膜应具有良好的韧性。如在普通钢材的加工中,可选用多层膜;若在一般的切削条件下,单层的TiN薄膜也会获得良好的应用效果。
  3. 铣削加工
    在高速加工领域,铣削加工占有极其重要的地位,而PVD技术的发展也从整体铣刀的涂层扩展到可转位刀片范围,并且已取得了突破性的进展。铣削加工是一种断续加工方式,尤其在高速加工条件下,刀具受载状态极其复杂,刀具因不断受到大小、位置不同的机械冲击和热冲击载荷作用,可引发薄膜的破裂、脱落等现象的发生,从而导致刀具的早期失效。
    1. 加工普通钢材时可选用TiCN、纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)、AlCrN薄膜,这三种薄膜都具有较好的韧性。
    2. 与普通钢材相比,铸铁的铣削加工通常导致刀具磨料磨损,涂层刀具的表面硬度更为重要,因此可选择纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)、AlTiN、AlCrN薄膜。
    3. 对于铝及铝合金的加工,当Si 含量小于12%时,可选择多层TiCN+MoS2复合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜;而当Si含量大于12% 时,则可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)及多层TiCN 薄膜。
    4. 高强度合金的铣削加工通常可选用多层TiCN+MoS2、梯度TiAlCN+CBC、AlCrN 薄膜。
  4. 螺纹加工
    螺纹加工也一种连续切削方式,相对于普通车削加工,这种加工属于成型加工模式,切削速度相对较低,不易断屑,且对刀具的几何尺寸有严格要求,刀具刃口微小的缺陷也可导致工件的报废。因此薄膜的致密性、韧性以及表面的润滑性是首要考虑的因素。
    1. 加工普通钢和高强度合金时可选用TiCN+MoS2复合薄膜、TiAlCN+CBC梯度薄膜及TiAlN纳米多层薄膜,这三种薄膜都具有良好的韧性及优异的润滑性。
    2. 与普通钢材相比,铸铁的螺纹加工通常以磨料磨损为主,薄膜的致密性、韧性、硬度同等重要,因此常可选择TiAlCN 及TiCN 多层薄膜。
    3. 对于铝及铝合金的加工,当Si含量小于12%时,可选择CrN+CBC及TiCN多层薄膜;而当Si含量大于12%时,则可选择TiAlCN+CBC 及TiCN多层薄膜。

图6 2003年TiN、TiCN、TiAlN涂层应用情况

4 结语

近年来刀具表面涂层技术发展的特点是迅速及多元化。由图6可以看出,经过几年的历程,TiN涂层一统天下的情况已不复存在,尤其在硬质合金刀具应用领域,TiAlN涂层的比例已超过TiN,而其它种类涂层也有增加趋势。显然薄膜技术的发展不断地为切削加工提供更有效、更经济的手段,随着该项技术的飞速发展,各类超显微结构、超硬度、特殊功能薄膜的出现必将促进切削加工方案的进一步优化。对于使用者而言,充分了解各类涂层及其所适用的应用范围愈加显得重要。由于篇幅所限,本文仅针对各类涂层所适合的加工方式及材料进行了论述,而实际应用中特殊材料(如硬度达到50HRC以上)、切削速度、冷却方式等条件的不同,对涂层刀具的选用也都会产生重要的影响。
本文作者:中国一航成都飞机工业(集团)公司 陈雪梅 蒋敏
原载:《国际金属加工商情》2006年11月号
上载于:2006-11-26 6:34:51

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