林茂用 許春耀

(1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福州 350003;2.龍華科技大學(xué)機(jī)械工程系，臺(tái)灣桃園 33306)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，加工制造業(yè)對(duì)刀具壽命和切削加工性能的要求越來越高，傳統(tǒng)刀具已不能滿足這些要求，使用高硬度、高韌性及高耐磨性的鍍膜合金刀具成為目前切削加工業(yè)的主流［1-3］。眾所周知，刀具的耐磨性與其硬度有關(guān)，提高硬度可以提高刀具壽命。近年來，常采用鍍膜工藝改善刀具的各種性能。碳化鎢刀具為目前常用的切削刀具，在碳化鎢刀具中沉積氮化物硬質(zhì)膜，可降低切削摩擦系數(shù)，減少刀具磨損，改善切削加工性，延長(zhǎng)刀具的使用壽命［4-5］。

AISI304不銹鋼材料具有良好的耐蝕性、耐熱性和良好的機(jī)械性質(zhì)，無加工硬化現(xiàn)象、無磁性。該材料廣泛應(yīng)用于化工、石油、食品、能源、電力、航空航天、環(huán)保、鍋爐熱交換器等領(lǐng)域中，缺點(diǎn)為不易加工，近年來隨著濺鍍技術(shù)的發(fā)展，在刀具上鍍膜提高其耐磨性和切削加工性是現(xiàn)階段材料科研工作者研究的方向［6-9］。本項(xiàng)目通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，探討沉積硬質(zhì)膜的刀具對(duì)車削AISI304工件切削性能的影響，運(yùn)用田口 -灰關(guān)聯(lián)法獲得最佳鍍膜參數(shù)組合［10］。

1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本實(shí)驗(yàn)采用直流濺鍍工藝在碳化鎢刀具上沉積氮化物硬質(zhì)膜。鍍膜基礎(chǔ)參數(shù):基材為碳化鎢刀具P30，其轉(zhuǎn)速為10 r/m，靶材為純度99.95%的鎢和99.95%的鉻，其直徑均為50.8 mm，制程氣體為純度99.995%的氬氣和純度99.995%的氮?dú)猓瞥虦囟葹槭覝?，系統(tǒng)背壓為5.0×10-6torr，制程壓力為5.0×10-3torr。實(shí)驗(yàn)參數(shù)值設(shè)定見表1，按照田氏實(shí)驗(yàn)法［11］設(shè)計(jì)的混合直交表并按順序交替組合實(shí)驗(yàn)。

沉積氮化物硬質(zhì)膜后的刀具，選用轉(zhuǎn)速為1 000 r/m、進(jìn)給量為0.05 mm/r、切削深度為1 mm、車削外徑為30 mm、長(zhǎng)度為75 mm的AISI304不銹鋼圓棒，加工后使用表面粗度儀測(cè)量工件表面粗糙度、使用工具顯微鏡測(cè)量刀具的磨損量，使用電子顯微鏡觀察切削前后工件表面及刀具主后刀面顯微組織的變化。并計(jì)算相應(yīng)的信號(hào)噪聲比(S/N)與變異數(shù)，再以多重質(zhì)量灰關(guān)聯(lián)分析法［12］預(yù)測(cè)出最佳鍍膜參數(shù)。通過灰關(guān)聯(lián)分析法預(yù)測(cè)最佳鍍膜參數(shù)與田氏直交表中最佳濺鍍參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證灰關(guān)聯(lián)分析法預(yù)測(cè)濺鍍參數(shù)的有效性。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)值設(shè)定

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面粗糙度

表面粗糙度是切削加工的重要指標(biāo)，通過測(cè)量不同組別工件得出最小的表面粗糙度值為0.8 μm、相對(duì)應(yīng)的最大信號(hào)噪聲比為1.88 dB;由工件表面粗糙度變異數(shù)分析，得出影響工件表面粗糙度主要因子為制程時(shí)間(54.74%)，其次為鎢靶材功率(22.46%)。圖1為沉積氮化膜刀具切削后工件表面粗糙度因子回應(yīng)圖。

圖1 表面粗糙度因子回應(yīng)圖

2.2 刀具主后刀面磨損

刀具主后刀面磨損是由于切削工件時(shí)刀具與工件加工表面摩擦引起的。通過測(cè)量不同組別沉積氮化膜刀具，得出加工工件后主后刀面最小磨損量為39.2 μm、相對(duì)應(yīng)的信號(hào)噪聲比為-31.85 dB。由變異數(shù)分析得出影響刀具磨損的主要因子為氬氮比例(39.26%)，其次為鉻靶材功率(34.66%)。圖2為沉積氮化膜刀具磨損因子回應(yīng)圖。

圖2 刀具磨損率因子回應(yīng)圖

2.3 多重質(zhì)量灰關(guān)聯(lián)分析

經(jīng)過灰關(guān)聯(lián)-田口分析，得出最大灰關(guān)聯(lián)度為0.927 7。通過直交表序列鍍膜參數(shù)(P3Q2K1T3)與灰關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)因子鍍膜參數(shù)(P2Q3K1T3)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)比較，顯示車削工件表面粗糙度從0.81 μm降低至0.75 μm，改善率約7.41%，刀具磨損從39.2 μm降低至28.3 μm，改善率約27.81%。因此，灰關(guān)聯(lián)分析可獲得多重質(zhì)量最佳鍍膜參數(shù)。圖3為多重質(zhì)量灰關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)因子回應(yīng)圖。

圖3 灰關(guān)聯(lián)度因子回應(yīng)圖

圖4為刀具磨損和工件表面的SEM圖，圖4(a)、(d)分別為未鍍膜刀具磨損量與工件表面粗糙度;圖4(b)、(e)分別為直交表序列鍍膜參數(shù)(P3Q2K1T3)刀具磨損量與工件表面粗糙度;圖4(c)、(f)分別為田口-灰關(guān)聯(lián)參數(shù)(P2Q3K1T3)刀具磨損量與工件表面粗糙度。從電鏡圖可知(P2Q3K1T3)為最佳鍍膜參數(shù)組合。

圖4 工件與刀具不同方式的SEM表面形態(tài)

3 結(jié)論

本項(xiàng)目運(yùn)用田氏實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，探討沉積在刀具上氮化物薄膜對(duì)車削加工特性的影響，結(jié)合多重特性灰關(guān)聯(lián)分析，獲得最佳鍍膜參數(shù)組合，經(jīng)過車削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，工件表面粗糙度最好和車刀磨損量最小。

［1］陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］Lu Jiangzhong，Sun Jianing.Metal Cutting Theory and Cutting Tools［M］.Beijing:Mechanical Industry Press，2011.

［3］Cselle T，Barimani A.Today's Applications and Future Developments of Coatings for Drills and Rotating Cutting Tools［J］.Surface and Coatings Technology，1995:712-718.

［4］Klocke F，Krieg T.Coated Tools for Metal Cutting-Features and Applications［J］.Annals of the CIRP，1999:48(2):515-525.

［5］Ezugwu E O，Bonney J，Yamane Y.An Overview of the Machinability of Aeroengine Alloys［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，134:233-253.

［6］Subramanian C，Strafford K N.Review of Multicomponent and Multilayer Coatings for Tribological Applications［J］.Wear，1993，165:85-95.

［7］劉楚明，林高用，鄧運(yùn)來，等.有色金屬材料加工［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2011.

［8］Liu Chuming，Lin Gaoyong，Deng Yunlai，et al.Non-ferrous Metal Materials Processing［M］.Changsha:Central South University press，2011.

［9］Su Y L，Liu T H，Su C T，et al.Wear of CrC-coated Carbide Tools in Dry Machining［J］.Journal of Materials Processing Technology ，2006，171:108-117.

［10］Kopac J，Krajnik P.Robust Design of Flank milling Parameters Based on Grey-Taguchi Method［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，191:400-403.

［11］Ross P J.Taguchi Techniques for Quality Engineering［M］.New York:Mcgraw-Hill，1988.

［12］Lu H S，Chang C K，Hwang N C，et al.Grey Relational A-nalysis Coupled with Principal Component Analysis for Optimization Design of the Cutting Parameters in High-speed end Milling［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(8):3808-3817.