外文翻译--高速金属切削立铣刀涂层的研究 中文版

高速金属切削立铣刀涂层的研究 摘要 一些用在硬质合金和金属陶瓷端铣刀上的新型民用试验 PVD (物理气相沉积 )涂层正通过实验室试验进行研究 .这些有涂层和无涂层刀具被用在高速的钢的干切削和铝合金的湿切削上 .最后使用铣床进行精加工 .刀具寿命被用来作为评价涂层性能的标准 ,同时也以切削力和功率损耗的现场监察为基础 .最后的结果按照机械加工的单位体积损耗来进行讨论 . # 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved. 关键词 : PVD 涂层 ；端铣刀 ；高速铣削 1.论文简介 这项研究工作通过调查一些用在商用的硬质合金和金属陶瓷端铣刀上的新型涂层进行处理 1-3.使用由物理气相沉积技术组成并基于阴极电弧的装置 4.钢和铝合金被用作工件材料 .一般来讲 ,大家都知道当金属陶瓷基板的涂层效果没有被完全评估时硬质合金表面的 PVD涂层可以提升切削刀具的耐磨性 5-11. 2.试验 2.1 材料 钢块 AISI-SAE 1045(HB 190)和过共晶铝合金 (包含 :硅 1719%, 铁 1.20%最大 , 镁 0.40.7% )用作被加工材料 .商用硬质合金端铣刀 (ISO 等级 K10-20；体积组成 :碳化钨 90%,Co 10%；HV30=1600；抗弯强度3700N/mm2),金属陶瓷 (ISO 等级 P20；主要由TiCN, TiC, TaC, WC, NbC, Co, Ni 组成 ； HV30=1600； 抗弯强度 2300 N/mm2)用作切削刀具 . 硬质合金 (HM)和金属陶瓷也被用作基板 ,外表涂上基于 阴极电弧系统的 PVD涂层4.一些单层按如下堆放 : MoS2和 TiN(两种试验涂层基板 ) , TiCN, TiAlCN, TiAlNbN(仅HM)； TiAlN(仅金属陶瓷 )和如下混合层TiN+TiCN(两种试验涂层基板 ) .显微镜下的涂层如图 1.这些涂层的特性总结在下面表 1中 . 2.2 铣削试验 精加工是在 CNC铣床上完成 ,切削速度平均在 vc=100600 m/min； 进给速率 fz=0.04 mm/每齿 ；轴向切削深度 aa=0.5 mm；径向切削深度 ar=10 mm.设备条件总结在表 2中 :干切削以 AISI-SAE 1045 运行 ,当湿操作时需要5%的乳液配合切削铝合金以免刀具被焊接到被加工工件上 . 该端铣刀刀具的几何参数列在表 3 中 . 通过切削力与功率的实时检测，刀具侧面磨损极限 VBB 0.20 mm 被用作评价涂层表现的标准（ ISO30021）， VBB 是通过一套离线光学测量系统进行测量。切削力通过安装在机床上的三相陀螺仪进行测量。主轴电机消耗的功率通过切削过程中的功率监控器进行测量。力和功率通过在线的带有一个数字信号处理板的计算机系统进行监控。 3.结果与讨论 Fig2.3 是用铝合金作为工件材料的的铣削试验结果。 Fig4-7 是用 AISI-SAE 1045进行试验的铣削结果。 由铣削试验结果可知，用铝合金作为工件材料，通过在重金属基板上涂层实验发现其可获得一个有限的提升，根据耐磨性与效率的观点，按照金 属移除体积，未涂层刀具与涂层刀具有着相似的表现。如果将未涂层 刀具作为基准，那么刀具寿命百分比将在87-113%的范围内进行变化，涂有 TiALNbN的刀具有着最好的表现：这是一种能抵抗高温的新型涂层。这些涂层不能进行干切削，因其不能产生工件材料与刀具的焊接屏障。 至于钢 AISI-SAE 1045 的铣削，其切削表现主要依靠底层件板材料。当陶瓷材料为底层材料，未涂层刀具获得最好的表现，所 有涂层材料在测试中均表现为减少，这种现 象可能是由于刀具材料与工件材料之间的化 学反应。这些涂层并不能有效阻止普遍性磨 损，这是一种最重要的磨损理论，由此可以 将金属干切削提高到更高的切削速度。（ Vc =600/min） 如果将未涂层刀具作为基准，那么刀具寿命将减少 63%（ TiN+TiCN） -91%（ TiAlN）你会发现 TiN+TiCN 是最低的氧化阻力而TiN+TiCN 最高。 另一方面，如果底层材料为重金属，那么未涂层材料表现最差。事实上使用Vc=200m/min 的切削速度，未涂层材料太低而不能与涂层材料相比。另外，即使未涂层材料使用 Vc=100m/min 的切削速度，其与在Vc=200m/min 的涂层材料相比也有着很大差距。（ fig6） 如果将未涂层刀具作为基准，下面重要的刀具寿命将会增长： 27%（ TiALNbN） 297%（ TiN+TiCN） 385%（ TiCN） 455%（ TiAlN）和 473%（ TiN），从经济角度来看，涂层与未涂层刀具有以下计算公式： V TCCTCC tmtwmw ,(1) 其中， Cw 是机 械 加 工 花 费（ it/cm3） ；Cm=1170, 机械刀具的使用花费（ it/min）； Ct 刀具花费（ it）； Tw刀具寿命（以 VBb=0.2mm）； Tt=3,磨损的刀具的变化时间（ min）， V 是金属的去除体积。 与 Eq（ 1）有关的数据总结在表 4 中以，当刀具以经济方式涂层，刀具耗费意大利市场价格为准，当刀具特别的以实验为用途进行涂层，花费以每种底层材料的涂层的相似类型的经济花费为基础，下面的柱形表对机械花费进行了对比，并用 Eq（ 1）进行计算。 Fig8 表明从经济角度看，未涂层重金属是最合适的即使其铣 削铝合金时以刀具寿命（ fig2）和金属移除体积（ fig3）来看并不是表现最好的 .涂层和未涂层刀具在价格方面的重要差异的影响因素（ table4）。 Fig9表明从经济和切削效率来看用陶瓷作为刀具基层材料的未涂层刀具来铣削 AISI-SAE 1045 是最合适的。 另一方面， fig10 与 6,7 表明考虑机械花费，以 TiN 为涂层的重金属刀具是最合适的，同样其在刀具寿命与金属移除体积方面表现最好。 至于切削力功率与切削力， Fx 与 Fy在表 11-13 中表明吸收的 plots，通过考虑在监控时上下铣削的价值，一般来讲，这些 量随着时间增长与刀具磨损有关。 Fig11 表明机械加工铝合金时，最好的涂层材料TiALNbN（ table4）同样允许切削力的降低，这意味着更好的机械加工性。 4.结论 根据实验结论与以上讨论，可以得出以下结论： 1. 重要刀具寿命的提升与机械加工花费的减少可以使用涂层重金属来铣削 AISI-SAE 1045 2. 通过应用于 AISI-SAE 1045，当用PVD 涂层时陶瓷端铣削的磨损极限增加。 3. 涂有重金属的刀具不能加工铝合金，并且不会减少机械加工花费。 4. 在一些情况下，以重金属为基础的PVD 涂层刀具可以在湿切削铝合金时提高磨 损极限 5. 这些涂层通过减少磨损和切削力可以提升 AISI-SAE 1045 的干机械加工性和铝合金的湿机械加工性 References 1 K.N. Strafford, C. Subramanian, J. Mater. Process. Tech. 53 (1995)393. 2 C. Subramanian, K.N. Strafford, Wear 165 (1993) 85. 3 F.H. Lo ffler, Surface and Coatings Tech. 68-69 (1994) 729. 4 H. Curtins, W. Blosch, Proceedings of the International Conferenceon Metallurgical Coatings and Thin Films, ICMCTF95, San Diego,USA, 24-28 April, 1995, Elsevier, Amsterdam, p. 632. 5 R.F. Bunshah et al., Deposition Technologies for Films and Coatings,Noyes Publications, 1982. 6 G.E. DErrico, E. Guglielmi, in: E. Kuljanic (Ed.), Advanced Manufacturing Systems and Technology, CISM Courses and Lectures No. 372, Springer, Wien, New York, 1996, p. 169. 7 S. Bugliosi, R. Chiara, R. Calzavarini, G.E. DErrico, E. Guglielmi, in: L.A. Dobrzanski (Ed.), Proceedings of the International Conference of AMT95, Zakopane, Poland, 17-21 May 1995, p. 67. 8 G.E. DErrico, S. Bugliosi, E. Guglielmi, in: M.S.J. Hashmi (Ed.), Proceedings of the International Conference of AMPT95, Dublin,Ireland, vol. III, 8-12 August 1995, p. 1278. 9 G.E. DErrico, E. Guglielmi, in: P.K. Datta, J.S. Burnell-Gray (Eds.),Advances in Surface Engineering, vol. III