PVD涂層刀具銑削天然砂巖的表面形貌分析*

張嘯飛，陸　峰

(沈陽建筑大學 機械工程學院，沈陽　110168)

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PVD涂層刀具銑削天然砂巖的表面形貌分析*

張嘯飛，陸峰

(沈陽建筑大學 機械工程學院，沈陽110168)

為了研究砂巖材料的切削機理及其已加工表面形貌，通過PVD刀具對干式切削和乳化劑冷卻液澆注冷卻的濕式切削兩種切削條件下的高速銑削實驗進行分析。實驗結果表明，當對石英顆粒密度較大的砂巖材料表面進行高速銑削時，濕式切削在已加工表面形貌和切屑形成及形貌上，都可以比干式切削獲得更佳的表面質量。

PVD涂層刀具；砂巖；高速銑削；表面形貌

0　引言

天然砂巖屬于沉積巖，主要由沙粒膠結而成，結構穩定，通常呈淡褐色或紅色，主要化學成分含硅、鈣、粘土和氧化鐵。砂巖是使用最廣泛的一種建筑用石材。幾百年前用砂巖裝飾而成的建筑至今風韻猶存，如巴黎圣母院，羅浮宮，英倫皇宮，美國國會，哈佛大學等，砂巖的高貴典雅的氣質以及其堅硬的質地成就了世界建筑史上一朵朵奇葩。最近幾年砂巖作為一種天然建筑材料，被追隨時尚和自然的建筑設計師所推崇，廣泛地應用在商業和家庭裝潢上。

PVD涂層刀具是一種新型刀具，以硬質合金刀具為基體，通過物理氣相沉積的方法，在刀具表面鍍上一層薄膜，以提高刀具表面的硬度和耐磨性。刀具表面的涂層材料具有很高的硬度、較低摩擦系數、以及較低的熱導率等優良的切削性能，PVD涂層可以明顯提高刀具的加工精度和加工效率,相對延長刀具的使用壽命,因此對于加工天然花崗巖這種難切削材料，PVD涂層刀具當之無愧的排在了前列。

由于砂巖自身特殊的物理性質，以及其致密性的不穩定，極易造成石材成品的表面形貌參差不齊的現象，基于砂巖特殊的結構成分組成，在切削的過程中，由于加工參數和外界因素的影響，會導致有部分含金屬礦物顆粒和大塊顆粒物雜質被整體的切除下去，而有的部分則會有砂巖顆粒被延切削軌跡切斷出現截面的現象發生。本實驗基于對PVD涂層刀具切削天然砂巖的研究，針對加工參數和冷卻方式對于涂層刀具切削砂巖表面形貌質量的影響，分析不同加工條件與砂巖表面形貌的相關性規律，及對已加工砂巖表面形貌的影響研究。

1　實驗部分

1.1加工設備及實驗材料

圖1　異性石材車銑加工中心(HTM50200)

加工設備：異性石材車銑加工中心(HTM50200)，如圖1所示，加工中心能方便、準確地設定工藝參數，容易實現不同工藝參數組合下的銑削加工。加工中心加工精度高，整體結構強度高，震動小，能保證實驗結果的準確性。

實驗刀具：實驗使用直徑為6mm的PVD涂層銑刀，如圖2所示，切削部分已鍍有TiN涂層。

實驗試件：采用天然樹紋黃砂巖，巖石密度為2.27g/cm3、吸水率：3.39%、抗壓強度：71.3MPa、抗彎強度：4.55MPa、肖氏硬度：52。材料成分如表1所示。

圖2　PVD涂層刀具

成分質量分數石英65%粘土12%針鐵礦13%其他物質10%

1.2切削實驗方案

圖3　銑削示意圖

所有切削實驗在HTM50200異性石材車銑加工中心進行，切削方式為順銑。在累積行程的情況下，按照干式和濕式兩種切削方案對砂巖進行切削實驗，切削參數為：v=1800m/min,切削深度ap=1.0mm,進給量=0.5mm。切削過程中采用含油乳化劑作為冷卻液，每進行一組切削實驗后，將各組砂巖樣品編號，其中濕式切削的砂巖試件要進行烘干處理，為后續觀測其表面形貌做準備(見圖3)。

2　實驗數據處理

圖4　日立S4800掃描電鏡

首先用清水清洗已加工表面冷卻液和砂巖粉末的混合液，隨后放入干燥機中把砂巖中的水分去除掉，再用抽真空機對樣件進行抽真空處理，除盡砂巖內部的空氣殘余，由于砂巖不導電，需進行噴金導電處理，然后用銀導電膠將試件粘在樣品拖上，經真空轉換后方可放入檢測設備中。利用日立S4800掃描電子顯微鏡(如圖4所示)對各組切削后的砂巖樣件進行觀測，在顯微鏡下對切削后的砂巖表面逐次放大倍數，觀察其切削表面形貌顆粒脫落等情況。

3　實驗結果與分析

3.1加工表面形貌及其形成機理

砂巖材料的主要成分是石英，粘土和針鐵礦的總含量比石英要小很多，前者和后兩者在物理性能和力學性能上有著很大的區別，石英具有較高的硬度和耐磨性，而針鐵礦具有可塑性和較高的脆性。因此，在切削力和切削熱的作用下，存在著兩種不同物質相互影響的變形問題，可能產生特殊的已加工表面結構。在切削的過程中，砂巖的材質不均勻性使得在切削至具有高硬度和耐磨性的石英處時，容易在已加工表面出現顆粒凸起和凹陷等現象。凸起的顆粒部分會導致對經過該加工表面的切削刃造成微小的崩刃。

圖5為干式切削和濕式切削時砂巖已加工表面形貌的低倍SEM照片。砂巖濕式切削的表面形貌(圖5b)要好于干式切削的表面形貌(圖5a)。這是因為干式切削時，刀具切削產生的高切削熱量會使針鐵礦變軟，使其硬度降低，隨著刀刃在待加工表面的運動，會發生金屬氧化物的塑性流動，致使其對石英顆粒的緊固作用減弱，會有更多的石英顆粒凸起和位移，導致刀刃劃擦和崩刃的現象愈發嚴重，從而給切削帶來更大的難度。濕式切削時，PVD刀具切削的過程中，有冷卻液不斷的對切削表面進行澆注冷卻，由于有石英顆粒的凸起，冷卻液可以沿著刀刃與石英的間隙流入到切削表面，對加工表面進行冷卻，使得針鐵礦在將要發生滑移時能夠迅速的冷卻下來，從而對于石英顆粒不發生滑移、旋轉等現象提供了重要的保證，同時有效減少了PVD刀具由于切削熱帶來的刃切部分的變形現象。冷卻液使加工時脫落和破碎的針鐵礦和石英顆粒大部分從切削表面脫離出去，不會由于切削熱和摩擦力的作用留在加工表面，對已加工的表面形貌造成二次破壞。

(a)干式切削　　　　　　　　　(b)濕式切削

圖6為砂巖已加工表面的形貌的高倍SEM照片。從照片中不難看出，砂巖的已加工表面存在著各種表面缺陷，例如刀刃切削時在已加工表面形成的切痕、石英顆粒破碎和脫落留下的不規則凸起和凹坑等。實際加工中，有些針鐵礦由于其成分特殊，在切削熱的影響下，有一部分會殘留在切斷的石英顆粒表面上，同時還會有一些雜質和石英小顆粒隨著刀刃的擠壓在石英顆粒的切斷面(圖6a)上留下犁溝。在PVD刀具高速銑削的情況下，干式切削狀態下的已加工表面存在較多由于石英顆粒脫落和針鐵礦滑移現象(圖6b)造成的表面缺陷，缺陷數量比較多，對整體的加工形貌造成很差的影響。原因在于，在沒有切削液的情況下，切削時的高溫使作為連接石英顆粒的針鐵礦變軟，使石英顆粒更容易從加工表面脫落和位移，從而造成對已加工表面質量的影響。

石英顆粒的大小和形狀，尤其是顆粒大小對于砂巖的表面形貌影響非常大，石英顆粒大的砂巖表面質量粗糙。石英顆粒的表面去除方式主要有脫落、破碎和切斷等，石英顆粒的含量越多，平均顆粒尺寸越大，其脫落和破碎現象就越明顯，砂巖獲得的已加工的表面質量也越差，當在切削過程中，石英顆粒主要以切斷的方式被去除時，有較大可能得到含顆粒凸起和凹陷等其他缺陷較少的已加工表面。此外，由于針鐵礦對于石英顆粒的連帶作用，所以在刀刃切削石英顆粒時的切削過程有著很大的影響，石英的含量越多，顆粒間的連接作用就越小，隨之暴露在切削過程中的缺陷增多，致使已加工表面的質量變差。

(a)石英顆粒切斷面　　　　　　　(b)表面缺陷

3.2切屑形成機理及切屑形貌分析

砂巖顆粒主要由二氧化硅和金屬氧化物構成，其中二氧化硅的含量比較高，致使其內部組織具有不均勻性，在切削的過程中，與一般金屬有著很大的不同，切削特征有其自身的特點。由于兩種主要組成材料在物理和化學性質上的極大不同，導致在加工的過程中，砂巖內部各處的應力和應變分布呈現出不均勻的現象，石英顆粒由于堅硬、耐磨的物理特性，通常會承受較大的應力，而針鐵礦的主要組成成分是水合鐵氧化物，硬度較低，脆性較大，因此在切削的過程中，會承受較大的應變，針鐵礦處于塑性狀態時，石英顆粒則可能出現脫落和破碎的現象。當PVD刀具剛切入砂巖待加工表面時，可能會遇到石英小顆粒和針鐵礦的粘結物，刀刃的切削力會轉化為石英顆粒間的集中應力，當集中應力大于顆粒間的粘結力時，石英顆粒會隨著刀刃的運動而脫落，而針鐵礦會在切削刃經過的時候產生彈性形變，在刀刃切入處產生裂口，當裂口貫穿整個切削厚度時，隨之產生針鐵礦的不規則顆粒。如遇到較大的石英顆粒時，石英顆粒與切削刃接觸的地方會發生彈性形變，并產生細小的裂紋，隨后裂紋迅速擴展至整個切削截面，截面以上的部分變為崩碎的切屑。有的石英顆粒形狀十分的不規則，在切削平面以上凸起的體積非常大，而在平面以下的部分非常小，當切削刃與顆粒接觸產生應力時，在沒有達到顆粒的剪切極限力時已經達到石英顆粒與針鐵礦間的粘結力，顆粒在沒有切斷的情況下直接隨著刀刃運動而從待加工表面脫落下來。這種現象也是影響表面形貌質量的主要因素。

在切削砂巖材料時，一般產生的切屑多為粉末狀和細小顆粒狀，粉末狀切屑主要成分多為針鐵礦和其他雜質，顆粒狀切屑主要成分多為石英顆粒和部分硬度高難切削的雜質，而砂巖中石英顆粒的大小和體積含量也對切屑的形成和形態起著重要的影響，當待加工表面的顆粒密度較小時，相鄰石英顆粒間的空隙較大，切削時產生的切屑會隨著刀刃的運動帶入到顆粒間的空隙中，而后對相鄰的顆粒進行切削，這樣既減小了切削刀刃面的磨損，對于刀具連續切削石英顆粒也有一定的緩沖作用。同時對已加工的表面質量也是有益的。當顆粒的密度較大時，相鄰顆粒間的空隙變小，有些顆粒甚至緊密的挨在一起，在進行表面加工時，刀刃在切削完一個顆粒后馬上就對下一個顆粒進行切削，靠在一起的顆粒由于剪切應力使顆粒間的壓迫力變的更大，在刀具高轉速的條件下，對于刀刃和顆粒的沖擊力都非常大，由于同時受剪切應力和壓應力作用，易造成顆粒的切斷面非常粗糙，同時由于連續切削，刀刃處的應力比較集中，得不到釋放，容易導致出現崩刃的現象，而起伏不平的石英顆粒切斷面凸起會在靠近切削表面一側的刀刃面上形成劃擦和犁溝。

從圖7可以看出，濕式切削砂巖材料時獲得的切屑(圖7b)比干式切削時(圖7a)的體積更小，在石英顆粒表面留下的犁溝也更加的均勻平順，原因在于砂巖顆粒切屑是伴隨著石英顆粒破碎和切斷在已加工表面形成的。干式切削時，在刀刃切斷石英顆后，包裹在顆粒周邊和顆粒間隙中的針鐵礦及一些其他雜質在切削熱高溫下發生變形，而后被靠近加工表面的刀刃面熨壓在顆粒表面，其中難熔的切屑在顆粒表面形成較深的犁溝，待冷卻后，這些切屑就粘結在顆粒的表面，從而惡化加工表面的質量。濕式切削時，當刀刃切斷石英顆粒時，冷卻液的澆注使刀刃周圍的針鐵礦及其他雜質能夠迅速的冷卻下來，形成小顆粒切屑，伴隨著刀刃的運動在顆粒表面形成較細小的劃痕，其中有較軟的切屑被靠近加工表面的刀刃面熨壓在劃痕處，間接的提高了石英顆粒的表面質量。綜合比較兩種產生切屑的已加工表面質量，濕式加工的表面質量比干式加工要好一些。

(a)干式切削　　　　　　(b)濕式切削

4　結論

(1)與干式銑削相比，濕式銑削更可以獲得表面相對完整性較好的已加工表面形貌，砂巖材料在濕式切削時，存在較高的切削熱，有乳化劑不斷的對正在加工的表面進行冷卻，由于有石英顆粒的凸起，冷卻液可以沿著刀刃與石英的間隙，及時的對加工表面進行冷卻，能夠迅速冷卻將要發生滑移的針鐵礦，進而確保石英顆粒不發生相對滑移、旋轉等現象。干式切削時，刀具切削產生的高熱量會首先達到針鐵礦的熔點，使其變軟，導致其硬度降低，隨著刀刃在待加工表面的運動，會發生金屬氧化物的塑性流動，致使其對石英顆粒的束縛力變小，從而會有更多的石英顆粒凸起和位移，造成更多的加工缺陷。

(2)濕式切削可以比干式切削獲得更好的表面質量，濕式切削時，冷卻液能促使切削溫度迅速的降下來，從而使表面切屑形成細小顆粒，在表面形成較細小的劃痕，其中較軟切屑被熨壓在劃痕處，還可以間接提高顆粒的表面質量。干式切削時，在刀刃切削后的已加工表面，有較大和難熔的切屑在顆[參考文獻]

粒表面形成較深的犁溝，待表面冷卻后，有些熔點低的粗大切屑就粘結在顆粒的表面，從而惡化加工表面的質量。

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(編輯趙蓉)

Analyze on the Surface Topography of PVD Coating Tools Milling Natural Sandstone

ZHANG Xiao-fei,LU Feng

(School of Mechanical Engineering,Shenyang Construction University,Shenyang 110168,China)

In order to research the cutting mechanism and machined surface topography of sandstone material, analyzing on the high-speed milling experiments under the two conditions of Dry-cutting and Wet-cutting by PVD coating tools. The results show that,when milling the surface of sandstone materials in a large grain density of quartz at a high-speed,on the machined surface morphology and chip formation and its topography of Wet-cutting,it can get better surface quality than Dry-cutting.

PVD coating tools; sandstone; high-speed milling; surface topography

1001-2265(2016)04-0143-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.038

2015-06-03；

2015-07-05

遼寧省高校創新團隊支持計劃(LT2014011);遼寧省自然科學基金項目(2014020069)

張嘯飛(1990—)，男，沈陽人，沈陽建筑大學碩士研究生，研究方向為硬脆性材料加工技術，(E-mail)oliverjustdoit@sina.com。

TH140;TG506

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