涂层钻头钻削钛合金加工质量的研究_陈国庆.pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言三台阶钻头在钻削钛合金时加工质量较好，有减小切削力、获得较好断屑的能力。由于结构特点，三台阶钻头磨损较大，在钻孔数量较大的情况下使用寿命低，极大增加了经济投入。本文在三台阶钻头上采用物理气相沉淀法1加入了 2 种涂层，即 TiN 单层涂层与 TiN/TiCN 多层涂层，镀制过程如图 1 所示。钻头材料采用硬质合金。进行单层涂层与多层涂层的钻头钻削钛合金仿真结果分析，以改善钻削过程中刀具的耐磨性，既能得到较好的加工质量，也能增加钻头的耐磨性，增加刀具寿命，降低加工成本2。多涂层比单层增加了涂层的抗剥落能力，进一步提高了钻头的使用寿命。三台阶刀具参数如表 1 所示。表 1 钻头几何形状参数。Tab.1 Drill bit geometry钻头直径/mm 顶角/()螺旋角/()横刃斜角/()刃带高度/mm3.611828520.2收稿日期：2022-02-05doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.029涂层钻头钻削钛合金加工质量的研究陈国庆，王大中（201600 上海市 上海工程技术大学）摘要 制造业的快速发展对加工速率要求越来越高，难加工材料应用越来越广泛，对刀具性能有着高要求。TiN 涂层由于可以降低磨损率和降低磨损系数，已经成功应用到金属切削上。以 TiN/TiCN 多层涂层钻头为例，研究多层涂层与单层涂层对钻头钛合金加工质量的影响。通过仿真实验,涂层结构提高了涂层硬度，增加了钻头耐磨性；同时，在涂层钻头钻削过程中，多层结构设计增加了涂层的抗剥落能力，进一步提高了钻头的使用寿命。关键词 刀具结构；涂层材料；Ti6Al4V；刀具寿命 中图分类号 TG713+.1 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0137-04引用格式：陈国庆,王大中.涂层钻头钻削钛合金加工质量的研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):137-140.Study on machining quality of titanium alloy drilling with coated bitCHEN Guoqing,WANG Dazhong(Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201600,China)Abstract With the rapid development of manufacturing industry,the requirement of machining speed is higher and higher,and the application of difficult machining materials is more and more extensive,which has high requirements for tool performance.Tin coating has been successfully applied to metal cutting because it can reduce wear rate and wear coefficient.Taking TiN/TiCN multi-layer coating bit as an example,the effects of multi-layer coating and single-layer coating on the machining quality of titanium alloy bit were studied.Through the simulation experiment,the coating structure improves the hardness and wear resistance of the coating;At the same time,in the drilling process of coated bit,the multi-layer structure design increases the anti-peeling ability of the coating and further improves the service life of the bit.Key words tool structure;coating materials;Ti6Al4V;tool life图 1 多层涂层镀制过程Fig.1 Multi-layer coating plating process基体表面研磨抛光并用丙醇和无水乙醇清洗后干燥安置预镀件试样抽取粗真空，预热，抽取高真空辉光清洗，弧光清洗镀纯 Ti 过渡膜，镀质 TiN/TiCN 多层膜取样138农业装备与车辆工程 2023 年1 涂层特点TiN 与 TiCN 结构相似，呈柱状形。在性能上，因为 TiCN 会有更细的晶粒析出3，TiN 与 TiCN 结合性很高。此外，有学者研究表明，TiN 涂层的热栅栏效果可以防止钻削加工时产生的热传递到钻头上，避免硬质合金钻头产生软化现象4。在导热系数上，TiCN 比 TiN 低，所以在钻削钛合金时，TiCN 可以阻隔一些热传到刀具上。如图 2 所示为TiN/TiCN 多涂层结构。2 磨损机理分析刀具的磨损是评估加工表面质量的标准之一。钻削中钻头的磨损主要来自 2 部分：一是切屑排出时钻头接触的磨损，主要集中在前刀面；二是钻头后刀面与工件接触的磨损。钻头主要磨损区域在前刀面上，即一般体现在主切削刃附近。磨损强度一般与切削速度和切削温度有关。钻头在工作一段时间后需要进行重磨，如果不及时重磨，会导致加工困难且工件表面质量差，更严重的会导致钻头崩坏。磨损过程会随切削时长的增加而扩大，如图 3 所示。目前刀具磨损已经有了标准，通常以 VB 作为磨钝标准。3 仿真实验采用改良的三台阶钻，在麻花钻基础上，对钻头结构进行了优化，实物如图 4 所示。在加工孔数增加的情况下，三台阶钻磨损会加剧，所以需要增加涂层材料来减小钻头磨损。在仿真实验中，除了要建立完整的三维模型外，还需要在钻头上增加涂层。涂层结构如图 5 所示。多涂层选择 TiN/TiCN相结合的涂层材料，单涂层则是 TiN 材料。由于钻头直径是 3.6 mm，选择涂层厚度为 5 m。多涂层施加顺序按照图 2 所示（WC-TiN-TiCN-TiN-TiCN-TiN）。4 结果与讨论4.1 扭矩的分析和切削力一样，扭矩也是金属加工过程中不可忽视的因素之一。扭矩一般受主切削刃的影响最大，由于主切削刃是钻削加工的主要区域，切屑由此产生，所以扭矩主要来自主切削刃区，扭矩过大，钻头容易崩坏5，所以在对比单涂层和多涂层钻头时有必要分析扭矩的大小。图 6 所示是单涂层和多涂层钻头钻削时扭矩的变化情况。很明显，两者扭矩都很稳定。比较纵轴数值可以看出，多涂层钻头图 2 多涂层结构示意图Fig.2 Schematic diagram of multi coating structureTiNTiCNTiNTiCNTiNWCN2+N2+N2+N2+N2+N2+N2+N2+N2+N2+图 3 刀具磨损示意图Fig.3 Schematic diagram of tool wearCBAO磨损深度 VB/mm切削时间 t/min初期磨损 正常磨损 急剧磨损图 4 改良三台阶钻头的结构Fig.4 Structure of improved three-step bit图 5 涂层刀具的仿真建模Fig.5 Simulation modeling of coated tool厚度/m涂层2-Coating-TiN2-Coating-TiCN2-Coating-TiN2-Coating-TiCN2-Coating-TiN27.5017.006.53-3.95-14.40-24.90进给方向三台阶钻工件139第 61 卷第 3 期产生的扭矩要小于单涂层，这也表明多涂层材料对钻头性能的优化。4.2 钻削中能量的分析钻头产生越低的能量，其加工表面质量越良好。能量的大小与钻削因素如温度、应力和应变都有关系。温度升高产生的热能与加工过程中的机械能都属于能量的一部分6。如图 7 所示是单涂层和多涂层材料钻头的能量变化情况。能量先是急速升高，在 t=0.255 s 左右时，能量达到顶峰，然后趋于平缓。这可能是钻出工件热量扩散更快导致的，最后趋于一个固定值。而纵坐标的数值很明显地表明了多涂层材料产生的能量更低于单涂层材料，这是多涂层材料更有利于导热所致。4.3 刀具磨损分析通过多组仿真对比研究发现，钻头磨损主要集中在横刃附近，而加多涂层的三台阶钻头磨损明显小于加单涂层的钻头。由于钻头结构特点，研究发现多涂层的三台阶钻磨损深度还是大于麻花钻，但是已经极大改善了磨损这一问题。如图 8 所示，这是仿真中加单涂层与加多涂层钻头的刀具磨损图。三台阶钻在横刃和主切削刃处的磨损得到了改善。（b）图 6 单层涂层与多层涂层扭矩对比Fig.6 Comparison of torque between single-layer coating and multi-layer coating（a）单涂层材料 （b）多涂层材料（a）1 0608466354232120扭矩/(Nmm)0.000 0.122 0.244 0.367 0.489 0.611时间/s(0.334，167)(0.334，0)7616094573051520扭矩/(Nmm)0.000 0.122 0.244 0.367 0.489 0.611时间/s(0.578，7.7)(0.578，0)（b）图 7 单层涂层与多层涂层刀具的能量生成比较Fig.7 Comparison of energy generation between single-layer coating and multi-layer coating tools（a）单涂层材料 （b）多涂层材料（a）255204153102510(0.579，215)(0.579，0)0.000 0.122 0.244 0.367 0.489 0.611时间/s能量/(Nmm)(0.578，165)(0.578，0)0.000 0.122 0.244 0.367 0.489 0.611时间/s能量/(Nmm)203.0162.0122.081.240.60陈国庆 等：涂层钻头钻削钛合金加工质量的研究（b）图 8 加单涂层与加多涂层的三台阶钻头的磨损情况Fig.8 Wear of three-step drill bit with single coating and multi coating（a）加单涂层三台阶钻 （b）加多涂层三台阶钻Tool wear-Wear depth(total)(mm)10-71.490.990.50（a）Tool wear-Wear depth(total)(mm)10-71.490.990.50140农业装备与车辆工程 2023 年最后进行了几组数据对比，分析增加进给量的情况下，加单涂层与加多涂层三台阶钻的磨损情况。如图 9 所示，在高进给量的情况下，加单涂层的三台阶钻磨损迅速增加，这说明三台阶钻头适用于中低速钻孔条件下。加多涂层的三台阶钻磨损降低了很多，说明涂层材料能够有助于改善刀具磨损，增加刀具耐磨性，从而增加刀具寿命。5 结论应力通常集中在钻头端部和切削刃周围和螺旋形凹槽上，其影响持续在切削刃端部的侧面和部分外拐角上。钻头磨损或损坏可能表现为钻头横刃周围的磨损或钝化，在其他情况下，钻头可能从横刃开始断裂。加入多涂层材料后，三台阶钻头磨损降低，刀具寿命增加。这样既节约了成本也保证了加工质量。参考文献1 MASOOTH P H S,JAYAKUMAR V.Experimental investigation on surface finish of drilled hole by TiAlN,TiN,AlCrN coated HSS drill under dry conditionsJ.Materials Today:Proceedings,2020,22(Part 3):315-321.2 XU J,JI M,DAVIM J P,et al.Comparative study of minimum quantity lubrication and dry drilling of CFRP/titanium stacks using TiAIN and diamond coated drillsJ.Composite Structures,2020,234(Feb.):111727.1-111727.13.3 RIE K T,GEBAUER A,WOHLE J,et al.Synthesis of TiN/TiCN/TiC layer systems on steel and cermet substrates by PACVDJ.Surface&Coatings Technology,1995,74-75(Part1):375-381.4 HEDENQVIST P,OLSSON M,WALLN P,et al.How TiN coatings improve the performance of high speed steel cutting toolsJ.Surface&Coatings Technology,1990,41(2):243-256.5 WANG C Y,CHEN Y H,AN Q L,et al.Drilling temperature and hole quality in drilling of CFRP/aluminum stacks using diamond coated drillJ.International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2015,16(8):1689-1697.6 TIMATA M,WISITSORAAT A,SAIKAEW C.A comparative performance analysis of uncoated and coated WC drills during forging brass drilling operationJ.Journal of Materials Engineering and Performance,2021,30(1):805-821.作者简介 陈国庆（1996-）,男,上海工程技术大学硕士研究生，研究方向：金属切削加工。E-mail：图 9 不同进给量对加单涂层与加多涂层钻头磨损深度的影响Fig.9 Effect of different feed rate on wear depth of single coated and multi coated bits0.2 0.3 0.4进给量/(mm/r)刀具磨损/mm10.07.55.02.50.010-7加单涂层的三台阶钻加多涂层的三台阶钻