超精细抛光处理对硬质合金铣刀耐磨性能的影响

史建猛，董卫萍，成书民，关艳英，刘 珍，王俊斌，史海兰，刘道新

(1.中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089；2.西北工业大学民航学院，西安 710072)

0 引 言

刀具是金属切削加工的关键工具，其质量和寿命不仅影响着生产效率和产品的制造成本，而且还影响着产品的表面质量和服役性能[1-3]。特别是随着航空工业技术的发展，钛合金、高强度钢等难加工材料的用量越来越大，由此对刀具质量的要求也愈来愈高[4-5]。刀具表面完整性是影响刀具寿命和加工产品表面质量的重要因素。目前的商品刀具及表面涂层通常表面粗糙度较大，不利于刀具的使用寿命和加工产品的表面质量[6-8]。为此，采用先进的刀具加工技术以改善刀具的表面完整性，成为刀具制造领域的一个重要命题。超精细抛光处理技术(简称MST技术)是近年来发展起来的一种新型表面处理技术[9]，针对不同金属材料,采用特定的电解质溶液和金刚石磨料,在超声振动作用下通过物理、化学与机械的协同作用对金属制品表面进行精细抛光处理，从而降低表面粗糙度。MST技术在改善刀具表面完整性方面展示出了突出的优势[10-12]。

切削刀具通常采用先进陶瓷涂层进行表面保护，以提高其使用寿命[13-14]。MST技术专利持有者指出，在切削刀具表面未制备陶瓷涂层或者制备陶瓷涂层后进行超精细抛光处理，均能够有效提高刀具在加工一般钢铁材料时的耐久性能[15-16]。对于用于加工航空装备用钛合金和高强度钢等难加工材料零部件的刀具，在其表面涂层前后进行超精细抛光处理，是否同样能够有效提高其服役性能则有待研究。为此，作者以硬质合金铣刀为研究对象，以航空用TC4钛合金和30CrMnSiA高强度钢零件为加工对象，研究了在离子镀TiAlN陶瓷涂层前后进行超精细抛光处理对硬质合金铣刀表面质量和耐磨性能的影响，拟为MST技术在提高航空产品加工用刀具耐久性能及产品质量方面的应用提供依据。

1 试样制备与试验方法

试验所用刀具为同种材料硬质合金铣刀，型号分别为D16R3和XF200，刀具表面均采用电弧离子镀技术制备了TiAlN陶瓷涂层[17]，涂层厚度约为3 mm。各取8把硬质合金铣刀，其中4把不进行抛光处理(即未进行抛光只沉积涂层)，简称原刀；另4把进行超精细抛光处理(即涂层+抛光)，简称MST刀。D16R3铣刀的超精细抛光处理在表面离子镀陶瓷涂层后进行，而XF200铣刀则先进行超精细抛光处理，再在表面制备陶瓷涂层。

加工工件材料分别为退火态Ti6Al4V钛合金和调质态30CrMnSiA高强度钢，钛合金的化学成分(质量分数/%，下同)为6.7Al，4.2V，0.1Fe，0.03C，0.015N，0.14O，0.03H，余Ti；高强度钢的化学成分为0.285C，0.95Mn，0.920Cr，1.125Si，0.013P，0.010S。两种工件材料的拉伸性能见表1。

表1 Ti6Al4V钛合金和30CrMnSiA钢的拉伸性能Table 1 Tensile properties of Ti6Al4V titanium alloy and 30CrMnSiA steel

采用TR300型划痕仪对刀具进行划痕试验，试验载荷分别为130 N和150 N，保载时间15 s。根据声发射信号出现的频率及强度来分析超精细抛光处理对涂层结合强度的影响。

分别使用D16R3铣刀加工Ti6Al4V钛合金，XF200铣刀加工30CrMnSiA高强度钢，均加工成同规格零件，铣削加工时的转速n为3 200 r·min-1，进给量F为1 200 mm·min-1，切削深度ap为0.5 mm，切削宽度ae为2.0 mm。原刀和超精细抛光处理刀具加工的零件数量相同。

刀具表面的磨损量是衡量刀具性能优劣的一个重要参量[18-20]。由于刀具的严重磨损通常发生在后刀面上，并且后刀面的测量也比较方便[21]，因此国际标准统一规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨损量[22]。采用Alicona型刀具测量仪测量后刀面磨损带最大宽度VBmax，即最大磨损量，该测量仪配备Leica DMLM/ 11888605型显微镜和DFC320型摄像镜头，测量采集系统为Leica Qwin Plus V3.2.1，测量放大倍数为50～500倍。

采用OLYMPUS IX81型激光共聚焦显微镜测量系统对加工零件前后的刀具进行表面粗糙度Ra的测定，均各测试5次取平均值。由于铣刀在加工零件过程中，其侧刀面与前刀面，以及靠近刀尖处与远离刀尖处的磨损环境相差较大，故每把刀随机选择一个刃的4个部位(侧刀面与前刀面靠近刀尖和远离刀尖位置)进行测试。采用JSM-6360LV型扫描电子显微镜(SEM)对刀具表面磨损微观形貌进行分析，并利用其所配能谱仪(EDS)测定刀具表面微区成分，以分析刀具的磨损机理。

2 试验结果与讨论

2.1 涂层结合强度

在划痕过程中，声发射信号的出现意味着涂层发生脱落破坏。由图1可以看出：在130 N载荷下，XF200原刀(未经MST)在表面划痕过程中始终无声发射信号出现，而当载荷增至150 N后则出现个别脉冲信号，说明150 N载荷下涂层开始出现脱落现象；XF200原刀表面涂层的破坏载荷(与结合强度成正比)约为150 N。无论是在130 N载荷还是在150 N载荷下，先进行MST再制备涂层的XF200铣刀(XF200 MST刀)在表面划痕过程中均多次出现脉冲声发射信号，150 N载荷下的声发射信号更为频繁，涂层脱落破坏现象更为严重；XF200 MST刀的破坏载荷低于130 N。

图1 不同恒载荷下XF200原刀及MST刀的声发射信号谱Fig.1 Acoustic emission signal spectra of XF200 original cutter and MST cutter under different constant loads

电弧离子镀TiAlN涂层与硬质合金刀具表面的结合以机械锁合和准冶金结合为主[23-24]，适当的表面微观粗糙化，有利于涂层与刀具发生凸凹表面机械锁合，进而获得较高的结合强度。然而，在制备涂层前先对刀具进行超精细抛光处理，会导致刀具表面过于光滑，从而降低涂层的结合强度。

由图2可以看出：在150 N载荷下，D16R3原刀及其MST刀(制备涂层后进行MST)在表面划痕过程中始终无声发射信号出现，表明涂层未发生脱落破坏，破坏载荷均大于150 N。这是因为D16R3刀具的超精细抛光处理在表面制备涂层后进行，不会改变刀具表面TiAlN涂层的结合强度。

图2 150 N恒载荷下D16R3原刀及MST刀的声发射信号谱Fig.2 Acoustic emission signal spectra of D16R3 original cutter and MST cutter under 150 N constant load

2.2 表面粗糙度

由表2可以看出，MST刀前刀面和侧刀面的表面粗糙度Ra均小于对应原刀，说明无论是在制备涂层前还是在制备涂层后进行超精细抛光处理，均能有效降低硬质合金刀具的表面粗糙度，但制备涂层后进行超精细抛光处理的表面粗糙度相对更小。较小的表面粗糙度既能减轻刀具加工零件时的切削阻力，降低温升，从而提高刀具的耐磨性能，同时也有利于改善加工零部件表面的完整性。

表2 两种硬质合金铣刀前刀面和侧刀面的表面粗糙度Table 2 Surface roughness of rake face and side blade of two cemented carbide milling cutters μm

由表3可以看出：D16R3 MST刀4个部位的表面粗糙度均小于其原刀，这说明其磨损程度较原刀要轻微。由前文可知，制备涂层后进行超精细抛光处理不会影响涂层的结合强度，但会显著降低表面粗糙度，而较小的表面粗糙度有利于耐磨性能的提高。因此，切削加工后D16R3 MST刀表面仍然保持了较低的表面粗糙度。XF200铣刀在切削加工后，其MST刀4个部位的表面粗糙度均大于其原刀，即MST刀的磨损严重程度更大。虽然XF200 MST刀的表面粗糙度低于原刀，但是在制备涂层前进行超精细抛光处理降低了涂层的结合强度，导致在切削加工过程中涂层易发生脱落失效而使得刀具的耐磨性能劣化。

表3 切削加工后两种硬质合金铣刀侧刀面和前刀面不同位置的表面粗糙度Table 3 Surface roughness at different positions of rake face and side blade of two carbide milling cutters after machining μm

2.3 磨损量

由表4可以看出：加工Ti6Al4V钛合金后，D16R3 MST刀的最大磨损量小于未经超精细抛光处理的原刀，平均最大磨损量相比于原刀降低约44.6%，耐磨性能相比于原刀得到显著提升；加工30CrMnSiA高强度钢后，XF200 MST刀的最大磨损量高于未经超精细抛光处理的原刀，平均最大磨损量相比于原刀提高约109.8%，耐磨性能相比于原刀显著降低。

表4 切削加工后两种硬质合金刀具的最大磨损量Table 4 Maximum wear loss of two cemented carbide milling cutters after machining μm

对比可知，超精细抛光处理安排的工艺环节不同，对刀具耐磨性能的影响亦不同：在刀具表面电弧离子镀TiAlN陶瓷涂层之后进行超精细抛光处理，可以提高刀具的耐磨性能；而将超精细抛光处理安排在刀具表面电弧离子镀TiAlN陶瓷涂层之前，则会显著降低刀具的耐磨性能。造成这种现象的主要原因与超精细抛光处理对刀具涂层结合强度及表面粗糙度影响的差异有关。先制备涂层再进行超精细抛光处理对涂层结合强度无影响，并且能降低刀具的表面粗糙度，使得切削加工时的阻力下降，因此耐磨性能提高；先进行超精细抛光处理再制备涂层时，涂层的结合强度下降，在切削加工过程中刀具表面的涂层易发生脱落失效，涂层对刀具基体的保护效果降低，导致刀具基体直接与加工工件和切屑接触，故刀具磨损程度增大。

2.4 表面磨损形貌及微区成分

由图3和表5可以看出：D16R3原刀及MST刀未参与加工(未受磨损)的区域(谱图1)主要含有钛、铝、氮元素，这是TiAlN陶瓷涂层的成分；参与加工的区域(谱图2)均检测到了被加工材料钛合金的主要组成元素钛、铝和硬质合金刀具所含元素钨、碳和钴，同时还有氧元素，但无氮元素，表明该区域TiAlN涂层发生破坏和脱落，被加工材料钛合金向刀具转移，同时刀具表面发生氧化，说明刀具加工钛合金时发生了黏着磨损和氧化磨损；D16R3 MST刀加工区的钛、铝和氧含量明显小于原刀，表明制备涂层后进行超精细抛光处理能抑制刀具表面的黏着磨损和氧化磨损。

表5 切削加工后D16R3原刀和MST刀刀尖区域EDS分析结果Table 5 EDS analysis results in tool nose zone of D16R3 original cutter and MST cutter after machining %

图3 切削加工后D16R3原刀及MST刀刀尖区域SEM形貌Fig.3 SEM morphology of tool nose zone of D16R3 original cutter (a) and MST cutter (b) after machining

由图4和表6可以看出：XF200原刀及MST刀未加工区(谱图1)均主要为TiAlN陶瓷涂层的成分，同时还存在碳和氧元素，这可能是污染所致；XF200原刀加工区出现部分(谱图3)或全部(谱图2)涂层破坏现象，加工区存在被加工材料30CrMnSiA钢的元素和刀具基体硬质合金的元素钨、碳、钴，以及氧元素，表明刀具可能发生了黏着磨损和氧化磨损。XF200 MST刀的磨损严重区域出现涂层破坏现象，涂层破坏程度明显比原刀大，并且在其磨损严重区域，被加工材料30CrMnSiA钢所含元素的含量也明显比原刀高，由此表明XF200 MST刀的磨损程度比原刀严重，这与前面刀具磨损定量测试结果是一致的。

图4 切削加工后XF200原刀及MST刀刀尖区域SEM形貌Fig.4 SEM morphology of tool nose zone of of XF200 original cutter (a) and MST cutter (b) after machining

表6 切削加工后XF200原刀和MST刀刀尖区域EDS分析结果Table 6 EDS analysis results in tool nose zone of XF200 original cutter and MST cutter after machining %

综上所述，将超精细抛光处理技术合理应用于改善刀具表面完整性，能够达到有效提高刀具耐磨性能，进而提高刀具使用寿命和改善加工产品表面质量的目的，即超精细抛光处理工序必须安排在刀具表面制备涂层工艺之后，以达到去除电弧离子镀陶瓷涂层表面微凸体缺陷、降低表面粗糙度的目的[24-26]，从而减小切削阻力，提高刀具的耐久性能。不宜在制备涂层之前对刀具实施超精细抛光处理工序，这样会造成刀具表面陶瓷涂层与刀具基体结合强度的下降，进而损害涂层对刀具的保护作用。

3 结 论

(1) 在D16R3硬质合金铣刀离子镀TiAlN涂层后进行超精细抛光处理(MST)，不会影响涂层的结合强度，但可以明显降低铣刀表面粗糙度；在铣削加工Ti6Al4V钛合金后，该MST刀的后刀面最大磨损量比未进行超精细抛光处理的原刀降低约44.6%，耐磨性能显著提升。

(2) 对XF200硬质合金铣刀先进行超精细抛光处理再离子镀TiAlN涂层，会同时降低铣刀的表面粗糙度和涂层的结合强度；在铣削加工30CrMnSiA高强度钢后，该MST刀后刀面最大磨损量比未经超精细抛光处理的原刀增大了109.8%，耐磨性能显著下降。

(3) 超精细抛光处理对硬质合金刀具耐磨性能的影响与其工艺顺序有关，在制备涂层后进行超精细抛光处理能够有效提高刀具的耐磨性能，原因在于超精细抛光处理降低了刀具的表面粗糙度，从而减小了切削阻力；制备涂层前进行超精细抛光处理导致耐磨性能下降，归因于涂层结合强度的下降。