利用湿式喷砂提高刀具切削性能
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众所周知,刀具切削刃的几何形状是决定其加工效率的关键因素。一般而言,增大切削刃的钝圆半径有助于更高效地切除金属材料,并延长刀具寿命。科研机构和刀具制造商已对其中的机理进行了详尽的研究。
图1 Vapormatt公司开发的湿式喷砂机1(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
众所周知,刀具切削刃的几何形状是决定其加工效率的关键因素。一般而言,增大切削刃的钝圆半径有助于更高效地切除金属材料,并延长刀具寿命。科研机构和刀具制造商已对其中的机理进行了详尽的研究。
简单来说,带有磨削缺陷和毛刺的锋利切削刃在切削初始阶段很容易发生崩刃,造成局部刃口加速破损。对切削刃周围摩擦剪切应力的详细分析表明,切屑厚度随着切削刃钝圆半径的增大而减小。加大刃口钝圆半径可以大大减少刀具与切屑的接触长度和热量聚积,从而减缓刀具磨损。
现代刀具依靠超硬表面涂层(如TiN或CrN涂层)来提高其切削性能。采用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺涂覆的这些涂层可以显著提高刀具切削刃的硬度和耐用性。由于这些涂层的硬度(高达HV3400)通常要比基体材料的硬度(硬质合金约为HV1700)高一倍,因此,涂层与基体之间的粘附性往往成为刀具寿命的限制因素之一。
因此,刀具基体的刃口钝圆半径及其表面光洁度对于刀具的最终性能至关重要。涂层沉积工艺趋向于在较锋利的刃口处沉积更多的材料。因此,较小的刃口钝圆半径会吸引较厚的沉积物。由于切削工件时该区域会承受极大的应力,因此更容易产生裂纹,成为随后加速破损的起始点。
为了最大限度地提高涂层与基体之间的粘附性,基体表面必须非常洁净。在一项名为“通过微喷砂改善硬质合金刀片上高粘附性PVD薄膜的切削性能”的研究中,研究人员发现,仅仅通过磨削并不能提供获得良好涂层粘附性所需的理想表面光洁度。因此,刀片通常需要进行磨削+微喷砂或抛光+微喷砂处理。研究发现,抛光+微喷砂处理的效果更好(在这两种处理方法中,微喷砂均采用干式喷砂)。
图2 工作中的喷砂头(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
在该研究项目中,刀片表面粘附性的测量方式是进行重复倾斜冲击测试,直至表面破损。也可以采用对比测试法(简单的C洛氏硬度测试法)来观察压痕周围的破损情况。涂层的粘附性从HF1到HF6分为6个等级(HF1表示粘附性最好)。湿式微喷砂的一个主要好处是:可以从刀片表面去除过多的钴结合剂,这些钴结合剂可能会对表面涂层的粘附性产生不利影响。然而,采用毛刷刷或干喷砂的方式获得刃口钝圆半径会在基体上积聚静电,因此,必须将静电吸附的碎屑或灰尘从刀片表面清除干净。
现在,Vapormatt公司(与其它刀具制造商合作)发现,为了获得高质量的涂层前预处理表面,可采用湿式喷砂来替代两级抛光和干式喷砂处理工艺。采用湿式喷砂技术,可以达到HF1的涂层粘附性,而且刀具表面不会产生静电或吸附灰尘。
采用湿式喷砂对硬质合金刀具进行涂层前预处理(尤其是在喷砂处理后马上进行冲洗和干燥)的一个主要优势是:处理后的刀具表面极具活性。事实上,其表面活性如此之高,以至于现有的表面活性测量装置(如测角系统或Dyne油墨测试法)无法对其进行测定(因为超过了仪器的测量阈值)。这种活性表面进一步增强了涂层的结合力。成功进行涂层前湿式喷砂处理的一个关键是通过工艺控制,确保清洁表面的一致性,包括进行冲洗、在去离子(DI)水中漂洗并立即吹干。
图3 喷砂处理后的刀片必须进行清洗和干燥(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
正如刀具基体得益于微喷砂处理工艺一样,涂层刀具本身也从中受益非浅。上述项目的研究人员分别对采用磨削+微喷砂工艺和抛光+微喷砂工艺处理的硬质合金铣刀片进行了测试。对经过涂后微喷砂处理的PVD薄膜的研究表明,涂层中存在一个材料变形大、纳米硬度高的浅表层(其深度约为0.6μm)。工艺试验分别采用了两种喷砂压力(2巴和5巴),结果表明,5巴的喷砂压力可以提高浅表层的硬度。
随后,对涂层刀片进行了铣削试验。试验中,测量了刀片的后刀面磨损,并将后刀面磨损达到0.2mm设定为刀具报废标准。经过磨削+微喷砂处理的刀片样品的刀具寿命最多延长了15%,而经过抛光+微喷砂处理(可用湿式微喷砂预处理代替)的刀片样品的刀具寿命最多延长了70%(喷砂压力为5巴时)。
通过检查磨损痕迹,并对相关的应力进行有限元分析,确定了两种截然不同的刀具失效模式。对于经过磨削+微喷砂处理的刀具样品,失效的主要原因是PVD涂层的粘附性不足;而对于抛光+微喷砂处理的刀具样品,失效模式则是PVD涂层内的疲劳所致。因此,为了通过涂后微喷砂提高PVD涂层的纳米硬度,从而使加工效益最大化,还必须进行合理的涂前预处理。
已经上市的自动化湿式喷砂生产线可以实现所有这些功能,包括刃口倒圆、PVD/CVD涂层的涂前和涂后处理、冲洗、去离子水漂清和后续干燥。为了美观起见,刀片应进行喷雾冲洗、清洗和用热空气吹干,使其达到包装入库的标准。
通过湿式喷砂对一盘(200件)典型刀片进行刃口倒圆处理的时间为4—20分钟,取决于湿式喷砂机需要完成多少个工艺步骤。对涂层进行涂前和涂后处理所需的时间约为刃口倒圆处理时间的1/2。
原载:工具技术
上载于:2016-4-18 15:45:25

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