王利利 劉雪峰 崔 鑫 趙爾華 王星然 李士鵬 秦旭達(dá)

（①吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 130000；②天津大學(xué)，天津 300350；③天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；④首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

2219 鋁合金具有良好的高低溫力學(xué)性能和焊接性能，廣泛應(yīng)用于我國(guó)大型運(yùn)載火箭燃料貯箱[1-3]，其制造過(guò)程往往是先進(jìn)行塑性成形，然后切削加工減薄，以滿足減重以及其他設(shè)計(jì)要求[4]。燃料貯箱的尺寸較大(2～5 m)[5]，因而有大量的2219 薄板銑削加工的需求，其加工效率和質(zhì)量是影響貯箱制造的效率和質(zhì)量的重要影響因素之一。

相比于鈦合金、高溫合金等，2219 鋁合金導(dǎo)熱性好、硬度低，是易切削材料[6-8]，故對(duì)刀具磨損較輕，但其熔點(diǎn)低，切削時(shí)容易跟刀具表面粘結(jié)[9]，高速切削過(guò)程中較高的切削溫度和切削應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步加重粘結(jié)的產(chǎn)生，進(jìn)而影響刀具壽命和加工質(zhì)量[10]。因此，選擇合適的刀具，減少高速干切削過(guò)程中材料的粘結(jié)，對(duì)提高火箭制造過(guò)程中2219 鋁合金加工效率和質(zhì)量具有重要意義[11]。

金剛石摩擦系數(shù)低、化學(xué)親和性低，有很強(qiáng)的抗粘結(jié)和抗磨損能力[12-14]，因此PCD 刀具、單晶金剛石刀具在鋁合金切削中可顯著提升加工精度和刀具壽命[15]，但其材料成本高、脆性大、對(duì)設(shè)備要求高，而大型2219 鋁合金薄壁構(gòu)件的切削加工中容易發(fā)生振動(dòng)，引起刀具崩刃[16-17]。刀具表面涂層是一種有效改善刀具性能的經(jīng)濟(jì)性手段，金剛石涂層刀具即保持了基體的高韌性，又結(jié)合了金剛石在刀具表面的高耐磨性、高抗粘結(jié)能力，在鋁合金加工中得到大量應(yīng)用[18]。另外，類金剛石（DLC）涂層是一類含有金剛石結(jié)構(gòu)和石墨結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)非晶態(tài)物質(zhì)，也具有較低的摩擦系數(shù)，在易粘結(jié)材料切削中表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能[19-20]，同時(shí)還具有更低的制造成本，因此在市場(chǎng)上得到大量應(yīng)用。此外，基于鋁合金的易切削性，實(shí)際工程應(yīng)用中還是有大量無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具的使用，雖然刀具壽命比金剛石涂層刀具低，但其成本只有金剛石涂層刀具的1/3。因此，2219 鋁合金高速干切削時(shí)不同刀具性能需綜合考慮刀具成本以及刀具壽命，而公開(kāi)文獻(xiàn)中相關(guān)研究較少。

本文針對(duì)2219 鋁合金高速干銑削過(guò)程，研究了無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具、極光DLC 涂層刀具（近年市場(chǎng)上常用的具有極低粗糙度的超薄DLC 涂層）、CVD 金剛石涂層刀具的切削性能，對(duì)比了3 種刀具的切削載荷、磨損形貌、切屑形態(tài)以及加工質(zhì)量的演變過(guò)程，分析了3 種刀具在2219 鋁合金高速干銑削時(shí)的性價(jià)比。研究結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中2219 鋁合金高速干切削刀具的選擇提供重要工程參考。

1 試驗(yàn)及方法

試驗(yàn)所用設(shè)備為DMU 60monoBLOCK 五軸加工中心，試驗(yàn)所用材料為固溶時(shí)效后2219 鋁合金板材，其主要的化學(xué)成分如表1 所示，工件尺寸為400 mm×200 mm×6 mm。試驗(yàn)刀具選擇市場(chǎng)常用的鋁合金專用切削刀具，分別為無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具、極光DLC 涂層刀具（以下簡(jiǎn)稱DLC 刀具）和金剛石涂層刀具，均為直徑均為20 mm 的標(biāo)準(zhǔn)刀具，刀具參數(shù)如表2 所示，3 種刀具外觀及兩種涂層的截面形貌分別如圖1、圖2 所示。極光DLC 涂層厚度極小(約0.2～0.3 μm)，但擁有極低的表面粗糙度；金剛石涂層厚度約8 μm。由于不同的涂層處理對(duì)應(yīng)不同刀具結(jié)構(gòu)，所以3 種刀具的螺旋角并不相同：極光DLC 螺旋槽非常光滑、有利于排屑，其螺旋角較大；金剛石涂層硬質(zhì)合金基體含Co 量較少、刃口強(qiáng)度低，螺旋角較??；無(wú)涂層刀具螺旋角在其二者之間。鋁合金切削刀具壽命一般較長(zhǎng)，因此為節(jié)省工件材料，同時(shí)也盡可能減小不同螺旋角的影響，將刀具其他刃口磨平，只留一個(gè)刃。

圖2 刀具表面、截面形貌及元素分析

表1 2 219 鋁合金化學(xué)元素成分表 %

表2 試驗(yàn)中采用的刀具材質(zhì)及參數(shù)

圖1 3 種刀具外觀形貌

切削參數(shù)如表3 所示，切削線速度為1 004 m/min，所有試驗(yàn)均為干切削，采用如圖3a 所示的蛇形走刀路徑，因而銑削方式為順/逆銑交替。采用德國(guó)Pro-micron 公司生產(chǎn)的Spike SK40 無(wú)線測(cè)力刀柄進(jìn)行切削載荷測(cè)量，其測(cè)量原理如圖3b 所示，可輸出軸向力、彎矩、扭矩等信號(hào)（如圖3b 中Fz、Mx、My、Mz等），由于本試驗(yàn)用單刃銑刀側(cè)刃加工，軸向力（Fz）、扭矩（Mz）較小且會(huì)產(chǎn)生較大誤差，切削力形成的彎矩更敏感、表征銑削過(guò)程更為準(zhǔn)確，因此本研究中主要測(cè)量不同切削時(shí)段的彎矩信號(hào)。

表3 切削參數(shù)

圖3 走刀路徑與測(cè)量原理

試驗(yàn)中分別使用3 種刀具，每銑削13 min 采集彎矩信號(hào)，每銑削26 min 測(cè)量刀具磨損形貌。采用超景深光學(xué)顯微鏡觀察刀具磨損形貌和切屑形貌，采用Taylor Hobson 粗糙度輪廓儀測(cè)量已加工表面粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 彎矩

圖4 所示為旋轉(zhuǎn)刀柄測(cè)得的無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具彎矩隨切削時(shí)間的變化，由于轉(zhuǎn)速較高（16 000 r/min），且刀具為單齒刀具，每轉(zhuǎn)切削時(shí)間僅為6.875×10-4s，而測(cè)力儀采樣頻率為2 500 Hz，每齒切削時(shí)間不足2 個(gè)采樣點(diǎn)，取曲線中的最大值容易造成采樣誤差，因此采用取平均值的方式，表征不同刀具彎矩大小。不同刀具隨切削時(shí)間彎矩的變化如圖5 所示，雖然由于螺旋角的不同，3 種刀具切削彎矩不宜直接比較，但從其隨切削時(shí)間的增長(zhǎng)幅度，反映出不同刀具的磨損程度的變化。切削約26 min 時(shí)，無(wú)涂層刀具與極光DLC 涂層刀具切削彎矩急劇增大，此為刀具初期磨損導(dǎo)致；之后極光DLC 涂層刀具緩慢增加，無(wú)涂層刀具在切削104 min 后再次急劇增加，此現(xiàn)象表明無(wú)涂層刀具此時(shí)進(jìn)入急劇磨損階段。金剛石涂層刀具切削彎矩變化不大，表明金剛石涂層刀具磨損輕微。切削156 min后，與各自切削初期切削彎矩相比，無(wú)涂層刀具增長(zhǎng)了約82%，極光DLC 涂層刀具增長(zhǎng)了約110%，金剛石涂層刀具只增加了約19%。由此表明，金剛石涂層刀具磨損很小，最為穩(wěn)定。

圖4 無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具切削彎矩信號(hào)

圖5 不同刀具的切削彎矩變化

2.2 刀具磨損演化

銑削過(guò)程中側(cè)刃為主切削刃，圖6 所示為不同切削時(shí)間時(shí)側(cè)刃后刀面磨損形貌的演化過(guò)程，可以看出，2219 鋁合金高速干切削刀具主要以粘結(jié)磨損為主。無(wú)涂層刀具切削初期后刀面即發(fā)生了嚴(yán)重的粘結(jié)，切削26 min 時(shí)后刀面磨損寬度即約達(dá)0.3 mm；隨著切削時(shí)間的增加，后刀面遠(yuǎn)離切削刃處出現(xiàn)大面積的粘結(jié)-脫落-再粘結(jié)現(xiàn)象，但切削刃附近磨損區(qū)域始終存在粘結(jié)，且持續(xù)增大。極光DLC 涂層刀具也出現(xiàn)了明顯的粘結(jié)，但程度顯著減輕，切削時(shí)間在78 min 之前后刀面磨損寬度在0.08 mm 以內(nèi)，但切削104 min 時(shí)后刀面磨損寬度擴(kuò)大至0.14 mm。金剛石涂層刀具在156 min 切削時(shí)間內(nèi)，側(cè)刃后刀面出現(xiàn)少量鋁合金的摩擦痕跡，未見(jiàn)明顯的粘結(jié)以及其他磨損形式，切削刃保持完好。

圖6 不同切削時(shí)間下3 種刀具側(cè)刃后刀面磨損形貌演變

圖7 所示為不同切削時(shí)間下前刀面磨損形貌，前刀面粘結(jié)程度明顯小于后刀面。未涂層刀具和極光DLC 涂層刀具出現(xiàn)較多粘結(jié)，主要分布在切削刃附近。此外，極光DLC 涂層刀具側(cè)刃前刀面與未涂層刀具粘結(jié)程度相似，但底刃前刀面處極光DLC 涂層刀具粘結(jié)程度輕于未涂層刀具。金剛石涂層刀具前刀面也未見(jiàn)明顯粘結(jié)，只出現(xiàn)了切屑滑擦的痕跡，說(shuō)明金剛石涂層對(duì)刃口抗粘結(jié)保護(hù)作用極強(qiáng)。

圖7 不同切削時(shí)間下3 種刀具前刀面磨損形貌演變

圖8 為銑刀底刃后刀面不同切削時(shí)間的磨損形貌，無(wú)涂層刀具粘結(jié)最嚴(yán)重，且反復(fù)出現(xiàn)粘結(jié)-剝落過(guò)程；極光DLC 刀具涂層粘結(jié)較輕，主要分布在刀尖附近；金剛石涂層刀具底刃后刀面在整個(gè)切削周期內(nèi)，未出現(xiàn)明顯粘結(jié)。此外，無(wú)涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切削78 min 后，在底刃離刀尖1～2 mm 處，出現(xiàn)了微崩刃（如圖8 中放大區(qū)域），但切削區(qū)并未出現(xiàn)崩刃；金剛石涂層刀具在切削52 min后，在切削區(qū)刀尖處出現(xiàn)微崩刃（如圖8 中放大區(qū)域），崩刃區(qū)域內(nèi)在隨后切削中出現(xiàn)工件材料的粘結(jié)。

圖8 不同切削時(shí)間下3 種刀具底刃后刀面磨損形貌演變

由于2219 鋁合金材熔點(diǎn)低（約650 ℃）、材質(zhì)軟，粘結(jié)磨損是其切削刀具的主要磨損機(jī)理。在高速切削過(guò)程中，切削區(qū)溫度相較普通切削速度更高，因而更容易發(fā)生材料的粘結(jié)。相較于硬質(zhì)合金，金剛石涂層和極光DLC 涂層具有較低的摩擦系數(shù)[21-23]，因而對(duì)刀具抗粘結(jié)能力具有較好的提升，導(dǎo)致磨損區(qū)域粘結(jié)明顯少于無(wú)涂層刀具。金剛石涂層刀具與極光DLC 涂層刀具相比，雖然其表面粗糙度較大，但因其具有更大的涂層厚度、更好的耐磨性等，其對(duì)刀具抗粘結(jié)保護(hù)作用更強(qiáng)，極光DLC 涂層由于其極小的厚度（約200 nm），因而在較高的切削應(yīng)力、切削溫度和劇烈摩擦作用下，刃口附近發(fā)生快速的磨損，因而切削26 min 后，極光DLC 涂層刀具側(cè)刃出現(xiàn)較多粘結(jié)。

切削52 min 后金剛石涂層刀尖處發(fā)生了微崩刃，這與金剛石涂層涂覆前需對(duì)基體進(jìn)行貧鈷化處理有關(guān)[24]。從圖2e 中B 區(qū)域元素分析中可以看出，在金剛石涂層下方基體的元素掃描中，全部為WC 成分，這會(huì)大大降低基體的韌性，在刃口的往復(fù)沖擊應(yīng)力下，容易發(fā)生微崩刃。但在本研究中，極光DLC 涂層和無(wú)涂層刀具在底刃的非主要切削區(qū)也發(fā)生微崩刃，這是由于此兩種刀具粘結(jié)磨損嚴(yán)重，切削過(guò)程中有較大的振動(dòng)，導(dǎo)致底刃與已加工區(qū)域頻繁的接觸、振動(dòng)導(dǎo)致。金剛石涂層刀具由于極少的粘結(jié)，因此切削過(guò)程較為平穩(wěn)，這也是在基體貧鈷化處理后未發(fā)生更嚴(yán)重的崩刃的原因。

2.3 切屑形態(tài)演變過(guò)程

圖9 為3 種刀具在不同切削時(shí)間時(shí)的切屑形貌，可以看出，切削初始階段3 種刀具均發(fā)生了較好的切屑卷曲，此時(shí)是較為理想切屑形狀，可以降低切屑的對(duì)工件造成的劃傷[20]。但隨著刀具磨損，未涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切屑形貌發(fā)生明顯變化，切屑卷曲程度逐漸下降，加工156 min 后，未涂層刀具形成的切屑卷曲程度最低。金剛石涂層刀具產(chǎn)生的切屑在整個(gè)切削周期內(nèi)，并未發(fā)生明顯改變，始終保持較好的卷曲效果。通過(guò)切屑非自由表面形貌（圖9 切削156 min 時(shí)切屑放大形貌圖）可以看出，金剛石涂層刀具產(chǎn)生的切屑表面始終光亮，而無(wú)涂層刀具及極光DLC 涂層刀具的切屑滑擦痕跡明顯，表明金剛石涂層刀具刀屑摩擦較輕微，而無(wú)涂層刀具和極光DLC 涂層刀具因前刀面粘結(jié)，導(dǎo)致刀-屑摩擦劇烈。

圖9 不同切削時(shí)間下3 種刀具產(chǎn)生的切屑形貌演變

切屑形貌的改變是由不同刀具的磨損導(dǎo)致，為了更清晰地分析刀具磨損程度，采用刃口測(cè)量?jī)x對(duì)刀具磨損前后刃口輪廓進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖10所示，無(wú)涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切削156 min后因磨損或粘結(jié)，刃口輪廓變化較大，金剛石涂層刀具幾乎無(wú)變化。為了更好地分析切屑形貌變化的原因，基于Abaqus 有限元軟件，建立了3 種刀具干切削2219 鋁合金銑削模型，如圖11 所示。2219鋁合金切削過(guò)程是一個(gè)大應(yīng)變，高應(yīng)變率的過(guò)程，因此采用Johnson-Cook 本構(gòu)關(guān)系模型，相關(guān)材料參數(shù)和J-C 本構(gòu)參數(shù)如表4 和表5 所示[25]。網(wǎng)格劃分時(shí)，將工件設(shè)為可變形體，劃分網(wǎng)格時(shí)將切削區(qū)域加密布種，切削區(qū)網(wǎng)格大小為0.01 mm,其他區(qū)域種子逐漸變疏，這樣可以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高仿真效率，工件網(wǎng)格單元類型設(shè)置為C3D8RT，工件網(wǎng)格數(shù)量為163 497 個(gè)。刀具在切削仿真過(guò)程中采用近似全局布種，單元類型為C3D4T。模型中采用等厚度切削方式，切削參數(shù)與試驗(yàn)相同，將工件底部固定，刀具在切削過(guò)程中設(shè)為剛體，金剛石涂層刀具摩擦系數(shù)設(shè)為0.1，極光DLC 涂層刀具摩擦系數(shù)設(shè)為0.2，無(wú)涂層刀具摩擦系數(shù)設(shè)為0.6[26-28]。根據(jù)刃口測(cè)量結(jié)果對(duì)3 種刀具進(jìn)行建模，分別對(duì)3 種刀具磨損前后產(chǎn)生的切屑形態(tài)進(jìn)行有限元仿真，仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖10 不同刀具磨損前后刃口輪廓及銑削溫度仿真結(jié)果

表4 2 219 鋁合金主要性能參數(shù)

表5 2 219 鋁合金Johnson-Cook 特性參數(shù)

圖11 2 219 鋁合金銑削模型

從圖11 中可以看出，刀具未磨損時(shí)，3 種刀具均能產(chǎn)生較好的切屑卷曲。刀具磨損后，無(wú)涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切屑卷曲程度明顯下降，同時(shí)切屑溫度顯著上升，這會(huì)導(dǎo)致切屑底部軟化程度增大、沿切屑厚度方向的加工硬化梯度降低，進(jìn)而減小切屑的卷曲[29-30]，因此，無(wú)涂層刀具和極光DLC 涂層刀具切屑的卷曲程度的改變主要由磨損后引起的刀屑摩擦熱增多、切屑溫度上升導(dǎo)致。金剛石涂層刀具刃口磨損較少，磨損前后切屑仿真形貌改變不大，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.4 加工表面粗糙度

圖12 所示為3 種刀具加工表面粗糙度隨切削時(shí)間的演變，可以看出，切削初始階段極光DLC涂層刀具粗糙度最小、無(wú)涂層刀具最大，這與極光DLC 涂層刀具有較大的螺旋角，且初始階段有較好的抗粘結(jié)能力，切削過(guò)程更穩(wěn)定；而金剛石涂層刀具雖然也具有極好的抗粘結(jié)能力，但由于金剛石涂層較厚，因此刀具刃口不如極光DLC 涂層刀具鋒利。隨著刀具磨損，無(wú)涂層刀具和極光DLC刀具表面粗糙度急劇增大，金剛石涂層刀具始終比較穩(wěn)定，充分體現(xiàn)出金剛石涂層穩(wěn)定的抗粘結(jié)、耐磨損能力，而極光DLC 涂層在切削26 min 后涂層出現(xiàn)明顯的磨損，引起粘結(jié)的不斷增加（如圖6 所示），進(jìn)而使粗糙度不斷增大?？傮w上，加工表面粗糙度變化趨勢(shì)與切削載荷及刀具磨損的變化過(guò)程一致。

圖12 不同切削時(shí)間下3 種刀具加工的表面粗糙度

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)火箭燃料貯箱用2219 鋁合金的高速干銑削過(guò)程，研究了無(wú)涂層刀具、極光DLC 涂層刀具、金剛石涂層刀具磨損演變過(guò)程，以及在此過(guò)程中切削彎矩、切屑形貌、加工表面粗糙度的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）金剛石涂層刀具在2219 鋁合金高速銑削過(guò)程中，具有最好的抗粘結(jié)和耐磨損能力，在本文研究參數(shù)范圍內(nèi)，切削刃始終未出現(xiàn)明顯的粘結(jié)或磨損，因而獲得最穩(wěn)定的切削性能。

（2）極光DLC 涂層刀具切削初期具有最好的加工表面，但因其涂層過(guò)薄影響了刃口處涂層的耐磨性，切削中前期刃口處即出現(xiàn)粘結(jié)，但切削性能始終優(yōu)于無(wú)涂層刀具。由于刀具表面粘結(jié)的反復(fù)脫落-再粘結(jié)，極光DLC 涂層刀具切削穩(wěn)定性明顯低于金剛石涂層刀具。

（3）金剛石涂層刀具獲得的切屑一直具有較好的卷屑效果，無(wú)涂層刀具和極光DLC 涂層刀具隨刃口的磨損，切削溫度增大，切屑卷曲程度顯著降低。

雖然金剛石涂層刀具成本是無(wú)涂層刀具3.5 倍、極光DLC 涂層刀具的2.3 倍，但金剛石涂層刀具綜合壽命是上述兩款刀具5 倍，因此，2219 鋁合金高速切削時(shí)，金剛石涂層刀具是最佳選擇。