一种降低断续切削成本的涂层刀具处理方法与流程

本发明涉及一种降低断续切削成本的涂层刀具处理方法，具体地说是一种通过对表面完整性与刀具磨损分析，进行针对性表面处理，进而延长刀具继续使用时间，降低加工成本的涂层刀具二次表面处理方法。

背景技术：

当前制造业中，金属切削作为最主要的成型手段之一占据了重要地位。涂层刀具作为金属切削的重要工具，以其高性能的优点成为机械加工行业的重要组成部分。由于金属加工行业成本受到涂层刀具寿命的影响，而涂层刀具的稳定切削阶段是涂层刀具寿命的主要阶段。涂层刀具表面完整性是影响涂层刀具切削的重要参数，表面完整性的变化影响着稳定切削阶段的变化以及加工表面质量，所以进行表面处理改善刀具表面完整性不可或缺。正常生产加工中，零件的加工往往是多次、断续、反复切削，一个刀具需要加工数个零件，工件-刀具需要进行多次分离，这就为加工过程中刀具的二次处理提供了可能。

许多研究发现，涂层刀具的表面完整性与刀具磨损具有紧密的联系，在断续切削过程中，氧化物的生成可以有效地起到隔热、减摩、防扩散的作用；粘结物的生成增加，会导致涂层的剥落以及摩擦磨损增大；硬度的提高影响着涂层刀具的耐磨性，残余压应力影响着涂层刀具表面结合强度以及表面裂纹等现象。在磨损阶段中期，涂层刀具在中期磨损开始加剧，表面完整性开始恶化，涂层刀具磨损率逐渐增大，开始走向急剧磨损阶段，加工表面质量逐渐下降。由于涂层刀具的特殊性，很难进行二次修磨等操作，现在的主要方式为涂层刀具制备完成后只进行一次表面处理直至刀具报废。

为此，本发明针对涂层刀具磨损中期进行表面完整性-磨损机理分析，对断续切削过程中，磨损开始加剧，表面完整性开始恶化阶段进行有效的二次处理，实现表面完整性的再优化，减缓刀具磨损，延长刀具寿命，同时提高了加工表面质量。实现了断续切削的间歇处理，不占用总加工时间，延长了刀具寿命，降低了刀具更换成本，具有普遍的科学意义与应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种提高断续切削时涂层刀具切削寿命，降低加工成本的方法，可解决刀具加工过程中的刀具磨损过快、加工表面质量降低、加工成本高的问题为达成上述目的本发明的解决方案是：

1.一种降低断续切削成本的涂层刀具处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)确定与加工材料相匹配刀具，优选最佳性能刀具；在相同切削参数下，进行等距离切削，刀具磨损量为标准，选择最佳刀具，实现工件与刀具之间的性能匹配；

2)选取1)中刀具进行刀具高速切削试验，确定最佳高速加工参数(包括切削速度、切削深度、进给量)；

3)选取1)，2)参数进行等距离、多次高速切削试验，获取断续切削时不同磨损阶段的刀具，以vb＝0.3mm为刀具失效标准，记录涂层刀具各阶段切削时间、磨损量以及磨损形式；

4)对各阶段的涂层刀具进行相应表面完整性参数的测试，分析刀具表面的完整性(表面形貌、表面粗糙度、硬度、表面残余应力)演变；寻找稳定切削阶段内刀具表面完整性开始恶化与刀具磨损开始快速上升的时间阶段，分析刀具表面完整性与刀具磨损的关系；

5)选取稳定切削阶段内即将达到或已经达到磨损快速上升阶段的刀具，针对开始恶化的各项表面完整性，选取快速高效的表面处理工艺，进行表面处理，并根据涂层刀具各项表面完整性参数进行处理参数的优化组合；

6)对优化参数处理后的涂层刀具进行实际切削试验，步骤如下：多次、断续切削达到刀具磨损快速上升阶段-更换其他刀具继续进行加工-将换下的刀具进行表面处理-正在加工的刀具完成一次切削刀具磨损快速上升阶段-达到换上处理完刀具继续加工的实际生产加工试验，验证涂层刀具切削寿命的提升。

进一步地，步骤3)所述的断续切削实验主要对应实际生产加工中一个刀具对应加工多个工件的大批量生产，需要多次的工件-刀具分离，在进行切削时进行多次等距离切削，模拟实际加工时的条件。

进一步地，步骤3)所述的不同磨损阶段刀具的获取，主要包括三阶段：初期阶段、稳定磨损阶段、急剧磨损阶段，在断续切削中便于获得。

进一步地，步骤4)所述的表面完整性参数主要有影响刀具与工件表面摩擦磨损的涂层刀具表面形貌与表面粗糙度；影响刀具-工件切削速度与温度的硬度；影响抗冲击性能和涂层结合强度的表面残余应力。

进一步地，步骤5)所述的针对的表面完整性恶化主要包括，起到隔热保护作用的氧化膜的生成；影响表面粗糙度的粘结物的生成；刀具表面形貌的破坏；刀具残余压应力释放，拉应力产生；刀具表面硬度的降低等现象。这些现象得到改善后，刀具性能上升，切削寿命得到提高。

进一步地，步骤5)所述的相应快速且成本较低的表面处理方法的特点为可重复利用、价格低廉、处理时间短、处理批量大、处理效果好，主要选择为自动化程度较高的微喷砂。

本发明具有如下优点和效果：

本发明提出了将切削稳定磨损阶段刀具磨损机理与表面完整性演变相结合，在断续切削间隙，对涂层刀具稳定磨损阶段的表面完整性进行针对表面处理，延长了稳定磨损阶段，提高了刀具寿命，降低了刀具失效率，减少了成本支出。该方法首先通过切削试验选定刀具，在保证加工效率情况下制定切削参数；之后进行切削试验，分析稳定磨损阶段刀具磨损变化与表面完整性演变；之后根据表面完整性变化趋势与刀具磨损量，制定快速高效不影响生产加工的表面处理方法，对稳定磨损阶段内进入快速磨损阶段的刀具进行处理，提高表面完整性，延长刀具寿命；最后进行刀具切削试验验证刀具寿命。

在实际生产加工中，由于是短切削路径，多次断续切削，刀具进入快速磨损阶段的时间范围已由试验进行了确定，只需在相应时间段内进行刀具更换，不影响继续加工，产生的换刀时间成本很低。且将换下刀具进行针对性快速表面处理，之后进行二次使用，对整体加工效率影响较小，但是刀具的寿命上升，使更换刀具成本更低。针对短切削路径，多次断续切削，不同材料与刀具，均可采用上述方法进行试验与处理。在对加工效率影响较小的前提下，最大限度延长了刀具寿命，减少了刀具失效成本，降低了总加工成本，还可应用于大范围批量生产。

附图说明

图1是本发明的实施流程图。

具体实施方式

所用切削刀具为硬质合金涂层刀具kc5010(tialn单层pvd涂层，肯纳公司生产)，工件材料为航空航天常用钛合金tc4(ti6al4v)，在数控车床ckd6136i(大连机床厂)上进行试验，选用光学显微镜(usb2000)测量刀具磨损量，扫描电镜(quata250)观察表面形貌，光学轮廓仪测量刀具表面粗糙度，x-stress3000残余应力仪测量残余应力，压痕硬度仪测量刀具硬度。

1)进行不同刀具的切削实验，选用tialn硬质合金涂层刀具。之后进行高速切削试验，选取切削速度v＝90-120m/min，切削深度ap＝0.1-0.2mm，进给量f＝0.1-0.3mm/r的参数范围下，进行切削，在保证加工效率前提下，以刀具寿命为判断标准，选取最佳切削参数；

2)采用最佳参数切削速度v＝110m/min，切削深度ap＝0.2mm，进给量f＝0.2mm/r进行高速切削试验，进行每次进给20mm的断续、多次切削实验，获取不同磨损阶段刀具，以vb＝0.3mm为刀具失效标准，记录涂层刀具各阶段磨损量与切削时间；

3)测试稳定切削阶段的表面完整性参数，绘制表面完整性中硬度、表面粗糙度、表面残余应力的参数演变曲线，观察刀具表面形貌。发现刀具稳定磨损切削阶段的磨损变化与涂层硬度、残余应力以表面粗糙度、以及表面形貌之间具有紧密联系，表面完整性越好，刀具磨损越小，刀具寿命越长；

4)根据不同表面完整性对稳定切削阶段刀具磨损的影响，选定稳定切削阶段刀具，进行微喷砂处理。经过微喷砂试验测试，根据不同参数下的表面完整性参数变化，进行最优参数组合，选择喷砂参数为：压强0.3mpa，时间7s，颗粒al2o3。此参数下，刀具表面形貌进一步改善，表面粘结物、大的不平度消失，刀具表面粗糙度值下降，刀具硬度上升，刀具表面残余压应力得到强化；

5)进行达到刀具磨损快速上升阶段-换刀继续进行加工-换下刀具进行表面处理-换上处理完刀具继续加工的实际生产加工试验，验证涂层刀具切削寿命的提升。

进行成本核算，每件加工总成本(c)是劳动和机器成本、刀具更换成本及工件成本的和:

c＝xtc+(xtd·tc)/t+(y·tc)/t

x：机器和操作员的成本(元/分钟)；

y：单刃平均值(元)；

t：单刃刀具寿命(min)；

td：更换刀具和工件的停机时间(min)；

tc：每个工件的加工时间(min)；

xtc：零件加工成本(元)；

(xtd·tc)/t：换刀成本(元)；

(y·tc)/t：刀具成本(元)；

在进行加工时，由于加工参数相同，其各成本参数相同，此处取同一值tc＝10min，td＝0.5min，只有处理前后单刃刀具寿命不同，进行表面处理时增加一次换刀，未处理刀具寿命3.6min了，处理后刀具寿命7.7min。切削参数取高速切削时参数：v＝110m/min，n＝320r/min，f＝0.2mm/r，ap＝0.2mm。

通过上述过程得到的硬质合金涂层刀具kc5010在进行钛合金tc4切削时，相比于未处理刀具，处理刀具涂层稳定切削阶段延长，刀具整体寿命翻倍，节省了刀具换刀成本，总加工成本降低45％以上。