吳振宇 鄭光明 顏 培 楊先海 趙光喜 李學(xué)偉

1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淄博，255000 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京，100081

0 引言

表面處理技術(shù)能夠改善涂層刀具表面完整性，提高涂層刀具耐磨性，從而延長(zhǎng)涂層刀具使用壽命，降低加工成本，實(shí)現(xiàn)高效和高質(zhì)量加工[1]。在眾多表面處理技術(shù)中，微噴砂處理和深冷處理因操作簡(jiǎn)單、工藝成本低、改善效果顯著和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。

微噴砂處理通過(guò)壓縮空氣將噴料顆粒高速?lài)娚涞酵繉拥毒弑砻?，在噴料的沖擊作用下刀具表面得到清潔[2]，能改善涂層刀具的表面缺陷，提高刀具硬度和耐磨性[3-4]。合適的微噴砂工藝參數(shù)能對(duì)刀具進(jìn)行表面清潔、平滑處理和刃口鈍化[5]，延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高加工效率，降低加工成本[6-7]。噴砂壓強(qiáng)過(guò)大或噴砂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致涂層厚度減小，使得基體在局部區(qū)域外露，破壞涂層的熱障功能，對(duì)切削過(guò)程中的刀具磨損產(chǎn)生顯著影響[8]。因此，上述缺點(diǎn)導(dǎo)致微噴砂處理對(duì)涂層刀具性能的提升有限。

深冷處理是傳統(tǒng)熱處理工藝的一種拓展和延伸，是通過(guò)液氮等制冷劑將材料在低溫下進(jìn)行處理的一種方法[9]。深冷處理主要作用于材料內(nèi)部，通過(guò)改變刀具材料的微觀組織來(lái)提高刀具的硬度、耐磨性，從而提高刀具壽命[10-11]。對(duì)涂層-基體的復(fù)合體系進(jìn)行深冷處理，能一定程度上改善體系的性能和組織結(jié)構(gòu)。研究表明，深冷處理能使涂層硬質(zhì)合金在高速切削時(shí)擁有良好的散熱能力，刀具的切削壽命與切削精度均有所提升[12-13]。也有研究表明，過(guò)低溫度的深冷處理會(huì)降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，使涂層出現(xiàn)塊狀剝落[14]。

鈦合金因具有強(qiáng)度高、抗腐蝕性好和耐高溫性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工和醫(yī)療等領(lǐng)域[15-16]。然而鈦合金同時(shí)具有熱導(dǎo)率小、彈性模量低和高溫下化學(xué)活性大等特性，導(dǎo)致其切削特別是高速干式切削中出現(xiàn)切削溫度高、切削力大以及刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題[17-18]。目前加工鈦合金主要采用以硬質(zhì)合金為基體的涂層刀具，TiAlN、Al2O3/TiCN、AlTiN/AlCrN等單涂層或多涂層刀具在鈦合金低速和濕式切削中均有所應(yīng)用[19-21]。近年來(lái)，隨著高速切削和干式切削技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)涂層刀具已無(wú)法滿(mǎn)足更高的加工要求。研究發(fā)現(xiàn)，將Si元素加入TiAlN涂層中不僅可以改善涂層的硬度與耐磨性，還能顯著提高涂層的抗高溫和抗氧化性，因此TiAlSiN涂層刀具在鈦合金高速干切削中具有廣泛的應(yīng)用前景[22-23]。對(duì)TiAlSiN涂層刀具的表面處理進(jìn)行研究，對(duì)提高鈦合金的加工質(zhì)量和加工效率有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在單獨(dú)的微噴砂處理或深冷處理，而針對(duì)微噴砂處理和深冷處理組合后對(duì)涂層刀具切削性能提升的研究較少。本文采用TiAlSiN涂層硬質(zhì)合金刀具，分別進(jìn)行微噴砂處理、深冷處理和深冷+微噴砂處理，通過(guò)鈦合金高速干車(chē)削試驗(yàn)，分析不同處理前后刀具表面完整性與切削性能的變化，探究不同處理方法對(duì)刀具磨損與刀具壽命的影響，為涂層刀具表面處理技術(shù)與鈦合金高效加工提供理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)刀具和工件材料

刀具選用株洲鉆石切削刀具有限公司生產(chǎn)的TiAlSiN涂層硬質(zhì)合金刀具，牌號(hào)YBG105，型號(hào)CNMG120408-NM，基體為WC-Co類(lèi)硬質(zhì)合金。采用臺(tái)灣亞肯刀具公司生產(chǎn)的刀桿，刀桿型號(hào)為T(mén)CLNR2020K12。工件材料為一種α+β型鈦合金，國(guó)內(nèi)牌號(hào)TC4，其組成為T(mén)i-6Al-4V。工件為直徑110 mm、長(zhǎng)300 mm的圓柱形棒料，其主要力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 TC4的主要力學(xué)性能Tab.1 Main mechanical properties of TC4

1.2 表面處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)

微噴砂處理采用江蘇瞬潔科技有限公司生產(chǎn)的微噴砂處理機(jī)，型號(hào)SJK9070。噴砂機(jī)的壓強(qiáng)范圍為0～0.5 MPa，噴砂角度70°，刀具固定在專(zhuān)用夾具上，在噴砂過(guò)程中隨夾具旋轉(zhuǎn)。噴砂方式為濕式微噴砂，噴砂顆粒選用多角狀A(yù)l2O3。根據(jù)本課題組前期的研究成果，選用最佳刀具壽命對(duì)應(yīng)的微噴砂參數(shù)。具體參數(shù)為噴砂時(shí)間3 s，噴砂壓強(qiáng)0.3 MPa。

深冷處理使用北京中科法威普科技有限公司生產(chǎn)的程序控制深冷箱，型號(hào)SLX-6R。制冷劑采用液氮，滿(mǎn)足降溫環(huán)保要求。程序控制深冷箱溫度控制范圍為180～-190 ℃，降溫、升溫速率范圍均為1～10 ℃/min，低溫控溫精度±5 ℃。將刀具放入深冷箱降溫至深冷溫度，經(jīng)保溫時(shí)間tp之后隨爐緩慢升溫至室溫將刀具取出。根據(jù)本課題組前期的研究成果，選用最佳刀具壽命對(duì)應(yīng)的深冷處理參數(shù)，具體參數(shù)為深冷溫度-190 ℃，保溫時(shí)間tp=18 h，降溫速率5 ℃/min。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)涂層刀具進(jìn)行深冷+微噴砂處理試驗(yàn)。具體試驗(yàn)參數(shù)為深冷處理溫度-190 ℃，保溫時(shí)間tp=18 h，微噴砂處理噴砂時(shí)間3 s，噴砂壓強(qiáng)0.3 MPa。

1.3 涂層刀具表面完整性檢測(cè)

刀具表面處理后，使用酒精溶液進(jìn)行10min的超聲波清洗，去除表面雜質(zhì)。采用白光干涉表面輪廓儀(型號(hào)Veeco NT9300，美國(guó)維易科精密儀器有限公司)檢測(cè)刀具表面粗糙度，每個(gè)刀具檢測(cè)5次取平均值。采用Quanta250掃描電子顯微鏡觀察刀具表面形貌。采用X射線(xiàn)衍射儀(型號(hào)D8-Advance，德國(guó)布魯克公司)分析刀具物相結(jié)構(gòu)，靶材為銅靶，衍射角測(cè)量范圍30°～90°，掃描速度8° /min。采用顯微維氏硬度計(jì)(型號(hào)HVS-1000A，萊州華煜眾信試驗(yàn)儀器有限公司)測(cè)量刀具表面的顯微硬度，每個(gè)刀具測(cè)量5次取平均值。采用X射線(xiàn)殘余應(yīng)力測(cè)試儀(型號(hào)X-stress 3000，芬蘭應(yīng)力技術(shù)有限公司)測(cè)試刀具表面殘余應(yīng)力，每個(gè)刀具測(cè)量3次取平均值。

1.4 鈦合金高速干切削試驗(yàn)

采用表面處理后的刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，切削試驗(yàn)在大連機(jī)床廠(chǎng)CDK6136i數(shù)控車(chē)床(主軸最大轉(zhuǎn)速為3000 r/min)上進(jìn)行，切削方式為連續(xù)外圓干車(chē)削，切削速度v=120 m/min，進(jìn)給量f=0.2 mm /r，背吃刀量ap=0.3 mm。切削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 切削試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Cutting test design

高速干切削試驗(yàn)使用USB200便攜式數(shù)字顯微鏡觀察后刀面磨損量，測(cè)量5次取平均值，以后刀面磨損量VB=0.3 mm為刀具失效標(biāo)準(zhǔn)，記錄刀具磨損與刀具壽命。采用瑞士Kistler9257B三向測(cè)力儀進(jìn)行切削力的檢測(cè)。采用FLIRA615紅外線(xiàn)熱像儀記錄刀具不同磨損階段的瞬時(shí)切削溫度。切削試驗(yàn)結(jié)束后，采用Quanta250掃描電子顯微鏡觀察刀具前后刀面磨損。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層刀具表面完整性

2.1.1表面形貌和表面粗糙度

刀具的表面形貌和表面粗糙度對(duì)刀具的切削性能有重大影響，刀具表面形貌越好，表面粗糙度就越小，切削時(shí)產(chǎn)生的摩擦力就越小，切削效果越好。圖2所示是不同處理方法下刀具的表面粗糙度Ra。從圖2中可以看出，深冷處理刀具和微噴砂處理刀具表面粗糙度Ra均有所減小，深冷+微噴砂處理后刀具表面粗糙度Ra最小，與未處理刀具表面粗糙度Ra相比降低17%。

圖2 表面處理方法對(duì)刀具表面形貌和表面粗糙度Ra的影響Fig.2 Influence of surface treatment method on the surface morphology and surface roughness Ra of cutting tools

圖2還展示了不同處理方法下刀具的表面形貌，可以看出，未處理涂層刀具表面不平坦，存在大量尺寸不均勻的球形大顆粒和圓形凹坑、孔洞等表面缺陷，這些是利用多弧離子鍍所制備涂層的典型特征。深冷處理后涂層刀具表面凹坑、孔洞等缺陷減少，但仍然存在大量球形顆粒。深冷處理主要影響刀具內(nèi)部組織，引起涂層體積收縮，使晶粒之間的缺陷彌合[12]，從而提高涂層的致密度，減少凹坑等表面缺陷。微噴砂處理后刀具表面大顆粒減少，但仍存在部分凹坑、孔洞等缺陷。微噴砂處理對(duì)涂層表面有去除作用，具有尖銳棱角的Al2O3噴料在較大噴砂壓強(qiáng)的作用下能有效去除表面雜質(zhì)和大顆粒等缺陷，表面變得平緩，表面形貌得到改善，但微噴砂處理對(duì)涂層表面去除效果過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致已經(jīng)平整的表面在顆粒的沖擊下會(huì)出現(xiàn)裂紋、凹坑和破損等缺陷。深冷+微噴砂處理后，涂層刀具表面大顆粒、凹坑等缺陷均顯著減少，涂層更加致密，表面更加平坦，表面形貌最好。涂層刀具先經(jīng)過(guò)深冷處理消除了部分缺陷，涂層表面質(zhì)量得到強(qiáng)化，之后再進(jìn)行微噴砂處理，強(qiáng)化后的涂層表面能有效緩和噴砂顆粒的去除作用，抵制裂紋、凹坑等缺陷的再次出現(xiàn)，所以深冷+微噴砂處理得到的刀具表面形貌最好。

2.1.2表面物相分析

圖3所示為不同表面處理后刀具的XRD衍射圖譜。從圖中可以看出，不同處理后刀具的物相結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有變化，均為WC、(Ti，Al)N相和TiN相。其中WC衍射峰來(lái)源于硬質(zhì)合金基體，涂層中主要相結(jié)構(gòu)為(Ti，Al)N固溶相和TiN相，在(111)和(200)晶面出現(xiàn)衍射峰。沒(méi)有出現(xiàn)AlN相的原因可能是由于Ti/Al比值較高，Al元素很可能以Ti3AlN化合物的形式存在，形成NaCl型晶體結(jié)構(gòu)[22]。由于涂層中Si元素以非晶態(tài)存在，所以在XRD圖譜中未出現(xiàn)Si3N4或Si單質(zhì)的衍射峰。

圖3 表面處理方法對(duì)刀具表面物相的影響Fig.3 Influence of surface treatment methods on the surface phases of cutting tools

微噴砂處理后刀具表面部分涂層被去除導(dǎo)致涂層元素含量降低，因此微噴砂處理刀具與其他刀具相比，在(111)和(200)晶面衍射峰強(qiáng)度較低。深冷處理刀具的XRD圖譜與未處理刀具相比沒(méi)有明顯變化。深冷+微噴砂處理刀具在(111)和(200)晶面衍射峰強(qiáng)度高于微噴砂處理刀具，說(shuō)明深冷+微噴砂處理能一定程度上抵抗微噴砂對(duì)刀具表面的去除作用。與未處理刀具相比，深冷+微噴砂處理刀具在(111)晶面的衍射峰出現(xiàn)偏移，原因是宏觀殘余應(yīng)力引起晶格畸變導(dǎo)致晶面間距發(fā)生變化，說(shuō)明經(jīng)深冷+微噴砂處理的刀具涂層組織內(nèi)部出現(xiàn)殘余應(yīng)力[24]。綜上所述，不同處理方法對(duì)刀具相結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，主要是影響涂層物相的含量和內(nèi)部組織的晶格畸變。

2.1.3表面殘余應(yīng)力和顯微硬度

圖4所示為不同處理方法涂層刀具的表面殘余應(yīng)力，可以看出，與未處理刀具相比，深冷處理刀具、微噴砂處理刀具和深冷+微噴砂處理刀具表面殘余壓應(yīng)力均有提高，其中微噴砂處理后刀具表面殘余壓應(yīng)力提高幅度最大。表面殘余壓應(yīng)力的增大有利于抑制刀具表面微裂紋的產(chǎn)生，可減緩刀具在切削過(guò)程中涂層脫落的情況發(fā)生。深冷處理能使硬質(zhì)合金基體表層產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，這能緩和或部分抵消涂層與基體結(jié)合處由于涂層沉積而產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，使得涂層表面殘余壓應(yīng)力增大。微噴砂使涂層表面在Al2O3顆粒的沖擊作用下產(chǎn)生塑性變形，發(fā)生加工硬化并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，然而新產(chǎn)生的凹坑、孔洞等缺陷導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，從而使表面應(yīng)力進(jìn)一步增大，所以微噴砂處理后刀具表面殘余壓應(yīng)力提升最大。深冷+微噴砂處理同時(shí)擁有深冷處理對(duì)基體的強(qiáng)化和微噴砂處理對(duì)涂層表面的強(qiáng)化，同時(shí)減少了微噴砂處理引入的凹坑等缺陷，因此處理后刀具表面殘余壓應(yīng)力提升適中。

圖4 表面處理方法對(duì)刀具表面殘余應(yīng)力的影響Fig.4 Influence of surface treatment methods on surface residual stress of cutting tools

圖5所示為不同處理方法下涂層刀具的顯微硬度。深冷處理刀具硬度的變化受到基體硬度的提高以及涂層硬度提高兩方面的影響。宏觀殘余應(yīng)力的增大使得涂層內(nèi)部組織發(fā)生晶格畸變和位錯(cuò)，涂層硬度上升。深冷條件下體積的收縮還能使晶體內(nèi)缺陷(如微孔、凹坑和微裂紋等)彌合，提高涂層致密度，從而提高涂層硬度[12]。微噴砂處理使涂層表面產(chǎn)生塑性變形，涂層內(nèi)部產(chǎn)生大量孿晶和位錯(cuò)，涂層表面發(fā)生加工硬化，顯微硬度得到提高，然而噴砂顆粒的沖擊導(dǎo)致涂層材料的去除，使刀具表面部分涂層厚度減小并產(chǎn)生新的凹坑等表面缺陷，缺陷區(qū)域易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)壓痕的面積增大，所以微噴砂處理刀具的顯微硬度低于深冷處理刀具的顯微硬度。深冷+微噴砂處理刀具既擁有深冷處理對(duì)刀具內(nèi)部的強(qiáng)化和微噴砂處理對(duì)刀具表面硬度的強(qiáng)化，又一定程度上削弱了微噴砂對(duì)涂層材料的去除，減少了凹坑等缺陷的產(chǎn)生，因此顯微硬度最高。

圖5 表面處理方法對(duì)刀具顯微硬度的影響Fig.5 Influence of surface treatment methods on the microhardness of cutting tools

2.2 涂層刀具切削性能

2.2.1切削力

圖6所示為不同表面處理刀具在不同磨損階段的切削力變化曲線(xiàn)。從圖中看出，在初始磨損階段至穩(wěn)定磨損階段的前期，各刀具的切削力相差不大，其中深冷處理刀具因其較高的硬度帶來(lái)了較高耐磨性，有效降低了刀具磨損，保持較小的切削力。微噴砂處理刀具因其較低的表面粗糙度和較好的初始表面形貌，在初始磨損階段切削時(shí)摩擦因數(shù)較小，所以切削力較小且平穩(wěn)。深冷+微噴砂處理刀具表面粗糙度Ra最小，初始表面形貌最好，同時(shí)其硬度也較高，所以其切削力也比較小且整體變化平穩(wěn)。

圖6 不同表面處理的涂層刀具切削力曲線(xiàn)Fig.6 Cutting force curves of coated tools with different surface treatments

穩(wěn)定磨損階段至急劇磨損階段時(shí)，深冷處理刀具仍保持較高的表面硬度和表面殘余應(yīng)力，抑制了內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，使刀具切削時(shí)切削狀態(tài)更穩(wěn)定，所以切削力變化幅度穩(wěn)定。微噴砂處理主要是強(qiáng)化涂層表面，而隨著切削的進(jìn)行，刀具與工件接觸處的初始表面基本被磨去，較低表面粗糙度與較好表面形貌帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)已逐漸消失，其整體切削力變化趨勢(shì)已接近未處理刀具,所以微噴砂處理刀具的切削力出現(xiàn)了明顯上升。深冷+微噴砂處理刀具也存在相同問(wèn)題，但因同時(shí)具有深冷處理帶來(lái)的刀具內(nèi)部良好的硬度和殘余應(yīng)力，使得其在失去表面質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)后仍能保持較穩(wěn)定的切削狀態(tài)，切削力在四種刀具中保持在最小水平。

2.2.2切削溫度

圖7所示為不同表面處理刀具在不同磨損階段的切削溫度變化曲線(xiàn)。切削溫度為每次測(cè)量過(guò)程中的最高溫度，是刀屑接觸區(qū)域的最高溫度。切削溫度測(cè)量位置一致。切削熱是不斷累積的，刀具初始表面粗糙度Ra與表面形貌越好，切削時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱越少，整個(gè)切削過(guò)程中切削溫度就越低。從圖7中看出，深冷處理刀具雖然能減小表面粗糙度Ra，但整體上對(duì)刀具表面的影響較小，因此其各階段切削溫度均低于未處理刀具但總體變化趨勢(shì)相似。微噴砂處理刀具表面粗糙度Ra與表面形貌比未處理刀具和深冷處理刀具更好，因此在初始磨損階段切削溫度更低且上升更慢，在刀具磨損后期，即使初始表面質(zhì)量較好的涂層已被磨去，因其前期積累的切削熱較少，所以整個(gè)切削過(guò)程的切削溫度仍然較低。深冷+微噴砂處理刀具擁有最佳表面粗糙度Ra和表面形貌，但其切削時(shí)間更長(zhǎng)，切削熱積聚時(shí)間更長(zhǎng)，所以深冷+微噴砂處理刀具在切削后期積累了大量的切削熱，一定程度上導(dǎo)致深冷+微噴砂處理刀具在磨損前中期的切削溫度最低，而在磨損后期出現(xiàn)較高的切削溫度。

圖7 不同表面處理的涂層刀具切削溫度曲線(xiàn)Fig.7 Cutting temperature curves of coated tools with different surface treatments

2.2.3刀具壽命

圖8所示為不同表面處理涂層刀具的切削壽命變化曲線(xiàn)。未處理刀具的切削壽命為18 min。經(jīng)表面處理后，刀具的切削壽命均有所延長(zhǎng)。深冷處理刀具切削壽命為20.3 min，微噴砂處理刀具切削壽命為21.6 min。深冷+微噴砂處理刀具表現(xiàn)出良好的切削性能，切削壽命達(dá)到25.4 min，比深冷處理刀具和微噴砂處理刀具分別提高25%和18%，相比未處理刀具提高41%。

圖8 不同表面處理的涂層刀具切削壽命曲線(xiàn)Fig.8 Cutting life curves of coated tools with different surface treatments

從壽命曲線(xiàn)可以看出，不同表面處理的刀具在12 min前的磨損量大致相同。未處理刀具在12 min左右進(jìn)入急劇磨損階段，深冷處理刀具和微噴砂處理刀具分別在15 min和17 min左右進(jìn)入急劇磨損階段，而深冷+微噴砂處理刀具的穩(wěn)定磨損階段時(shí)間延長(zhǎng)，沒(méi)有明顯的急劇磨損階段，整個(gè)切削過(guò)程中磨損較為均勻和穩(wěn)定。深冷處理雖然能減小刀具表面粗糙度并使刀具獲得較高顯微硬度，但對(duì)硬質(zhì)合金基體以及涂層與基體的結(jié)合部位同樣有影響且不一定是有利影響，整體作用機(jī)理較復(fù)雜，因此刀具抗磨損性提高有限。微噴砂處理對(duì)刀具表面的強(qiáng)化作用更直觀，能改善刀具表面形貌，但處理后部分涂層材料被去除導(dǎo)致對(duì)顯微硬度的提升減弱，所以微噴砂處理對(duì)刀具性能的強(qiáng)化作用仍有待提高。深冷+微噴砂處理既對(duì)刀具內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)化，又對(duì)刀具表面進(jìn)行強(qiáng)化，使兩種處理方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，因此整體上刀具的切削壽命明顯提高。

2.2.4磨損機(jī)理

圖9所示為不同表面處理刀具的磨損量達(dá)到0.3 mm時(shí)前刀面的磨損形貌。從圖9a中可以看出，未處理刀具前刀面上出現(xiàn)月牙洼磨損，表面被大量黏結(jié)層覆蓋，在切削刃處還出現(xiàn)黏結(jié)層堆積。月牙洼出現(xiàn)的主要原因是鈦合金的低導(dǎo)熱性和高化學(xué)活性導(dǎo)致高速切削過(guò)程中刀具前刀面與切屑接觸后，在高溫高壓的環(huán)境下接觸區(qū)域發(fā)生熱軟化和化學(xué)擴(kuò)散等作用，刀具材料與切屑黏結(jié)并隨著切屑一起流出，從而導(dǎo)致月牙洼磨損的出現(xiàn)。月牙洼產(chǎn)生的范圍與切屑流過(guò)表面時(shí)產(chǎn)生的高溫和高壓有關(guān)。圖10所示為圖9a中磨損區(qū)域A的EDS圖譜，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域A出現(xiàn)屬于工件材料的V元素，表明刀具發(fā)生了黏結(jié)磨損。此外，還檢測(cè)到了O元素，證明前刀面出現(xiàn)TiO2、SiO2等氧化物，疏松的氧化物在高速下易被切屑帶走導(dǎo)致刀具發(fā)生氧化磨損。C、W和Co等元素的出現(xiàn)說(shuō)明部分硬質(zhì)合金基體出現(xiàn)裸露，刀具涂層發(fā)生剝落。未處理刀具表層組織中存在凹坑、裂紋等缺陷，高速切削過(guò)程中產(chǎn)生的冷熱沖擊和機(jī)械沖擊使刀具表面承受交變接觸應(yīng)力，從而導(dǎo)致未處理刀具前刀面涂層剝落的發(fā)生。

(a)未處理刀具

(b)深冷處理刀具

(c)微噴砂處理刀具

(d)深冷+微噴砂處理刀具圖9 不同表面處理刀具的前刀面磨損形貌Fig.9 Wear morphology of the rake face of cutting tools with different surface treatments

圖10 圖9a中磨損區(qū)域A的EDS圖譜Fig.10 EDS spectrum of worn surface of area A in fig. 9a

與未處理刀具相比，深冷處理刀具的月牙洼范圍不明顯(圖9b)，但表面出現(xiàn)了大片的黏結(jié)堆積，這是刀具磨損后期切削溫度高的體現(xiàn)。微噴砂處理刀具前刀面磨損形貌與未處理刀具近似，出現(xiàn)的牙洼和黏結(jié)堆積(圖9c)，原因是刀具磨損后期的切削區(qū)域處，微噴砂處理得到的較好刀具初始表面已被基本磨去，所以此時(shí)刀具的磨損情況與未處理刀具近似。深冷+微噴砂表面處理刀具硬度較高，耐磨性較好，且表面殘余應(yīng)力較高，有效抑制了刀具表面微裂紋的產(chǎn)生，提高刀具的抗磨損性能，所以與未處理刀具和兩種單一處理刀具相比，深冷+微噴砂表面處理刀具的前刀面月牙洼范圍減小且邊界不明顯(圖9d)，切削刃完好，表面黏結(jié)層少且集中。深冷+微噴砂處理刀具的前刀面還出現(xiàn)積屑瘤。切削過(guò)程中，在一定的壓力(圖6)和高溫(圖7)條件下，切屑不能完全隨著切削排出，而是黏結(jié)在前刀面切削刃處導(dǎo)致“冷焊”現(xiàn)象，從而形成積屑瘤。

圖11所示為不同表面處理刀具的磨損量達(dá)到0.3mm時(shí)后刀面的磨損形貌。從圖11a中可以看出，未處理刀具在切削刃處出現(xiàn)了微崩刃，在高速切削過(guò)程中，切削刃持續(xù)受到切削力的沖擊，切削過(guò)程不穩(wěn)定，TiAlSiN涂層刀具硬度高、脆性大，易出現(xiàn)微崩刃現(xiàn)象。圖12所示為圖11a中磨損區(qū)域B的EDS圖譜，其中V元素的出現(xiàn)表明后刀面出現(xiàn)黏結(jié)磨損。C、Co和大量W元素的出現(xiàn)則證明后刀面涂層磨損與剝落嚴(yán)重，硬質(zhì)合金基體出現(xiàn)大面積裸露。未檢測(cè)到O元素的原因可能是刀具后刀面與工件結(jié)合較為緊密，使得氧氣無(wú)法進(jìn)入。工件材料中的氧化物、碳化物和氮化物等硬質(zhì)點(diǎn)和已加工表面上的硬化層與黏附的積屑瘤殘片等，對(duì)刀具表面摩擦和刻劃作用致使刀具表面出現(xiàn)許多接近平行的劃痕和溝痕，造成磨粒磨損。

(a)未處理刀具

(b)深冷處理刀具

(c)微噴砂處理刀具

(d)深冷+微噴砂處理刀具圖11 不同表面處理刀具的后刀面磨損形貌Fig.11 Wear morphology of the flank face of cutting tools with different surface treatments

與未處理刀具相比，深冷處理后刀具微崩刃范圍變大(圖11b)，劃痕面積減小，磨粒磨損減弱，主要出現(xiàn)大范圍黏結(jié)。深冷處理后刀具硬度顯著上升，同時(shí)脆性也增大，更易出現(xiàn)微崩刃，但硬度上升的同時(shí)也有利于抵抗工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)或硬質(zhì)殘片對(duì)刀具表面的刻劃作用，減少磨粒磨損。微噴砂處理刀具的后刀面黏結(jié)堆積減少(圖11c)，靠近切削刃處仍有黏結(jié)，硬質(zhì)合金基體裸露面積增大，出現(xiàn)微崩刃和大范圍劃痕。原因可能是微噴砂處理時(shí)刀具后刀面的噴砂角度較小，磨料顆粒對(duì)后刀面主要起微切削作用，造成部分涂層厚度減小，導(dǎo)致基體裸露面積增大，破壞涂層的熱障功能。深冷+微噴砂處理刀具的后刀面出現(xiàn)黏結(jié)堆積(圖11d)，微崩刃現(xiàn)象減少，磨粒磨損范圍減小，硬質(zhì)合金基體裸露面積減少。深冷+微噴砂處理后刀具顯微硬度和表面殘余應(yīng)力增大，提高了刀具抗刻劃和抗崩刃能力，同時(shí)先進(jìn)行深冷處理，刀具后刀面表面質(zhì)量增強(qiáng)，一定程度上提高了抵抗噴砂顆粒微切削的能力，減少基體的裸露，保護(hù)了涂層的熱障能力。

圖12 圖11a中磨損區(qū)域B的EDS圖譜Fig.12 EDS spectrum of worn surface of area B in fig. 11a

3 結(jié)論

對(duì)TiAlSiN涂層硬質(zhì)合金刀具分別進(jìn)行深冷處理、微噴砂處理和深冷+微噴砂處理，之后進(jìn)行鈦合金高速干車(chē)削試驗(yàn)，分析了不同表面處理方法對(duì)刀具表面完整性和切削性能的影響，結(jié)果表明：

(1)深冷處理主要作用于涂層刀具內(nèi)部，微噴砂處理主要作用于涂層刀具表面，深冷+微噴砂處理對(duì)涂層刀具整體都有強(qiáng)化作用，因此深冷+微噴砂處理后刀具的表面粗糙度Ra最小，初始表面形貌最好，顯微硬度和表面殘余應(yīng)力相比未處理刀具有顯著改善。不同表面處理后涂層刀具的物相結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯改變。

(2)深冷+微噴砂處理能有效減小切削過(guò)程中的切削力、降低切削溫度。經(jīng)不同方法處理后的TiAlSiN涂層刀具切削壽命均有提升，其中深冷+微噴砂處理刀具提升最大，其壽命比未處理刀具提高41%，比深冷處理刀具和微噴砂處理刀具分別提高25%和18%。深冷+微噴砂處理刀具表現(xiàn)出最好的切削性能。

(3)深冷+微噴砂處理能更加有效地提高涂層刀具的耐磨性，減少前刀面的月牙洼磨損與后刀面的崩刃和磨粒磨損。