CVD涂層刀具高速銑削大理石試驗*

閆海鵬 吳玉厚 宗宇鵬

(沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

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CVD涂層刀具高速銑削大理石試驗*

閆海鵬 吳玉厚 宗宇鵬

(沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

為了探索高速銑削大理石的切削特性，改善大理石加工表面質量，使用CVD氮化鈦涂層刀具進行高速銑削大理石試驗。通過顯微鏡觀測刀具磨損表面，并采用網格法計算出刀具磨損面積，探討切削參數的改變與刀具磨損情況的關系；利用粗糙度測試儀檢測大理石加工表面粗糙度，研究切削參數對大理石加工表面質量的影響。最終得到刀具磨損量和大理石表面粗糙度均與切削速度負相關，與進給速度和切削深度正相關。試驗結果表明：所建立的數學模型顯著性很高，能夠較準確地揭示刀具磨損量和大理石表面粗糙度與切削參數間的關系，為合理選擇切削參數以提高大理石加工表面質量提供了一定理論基礎。

CVD涂層刀具；大理石；切削特性；切削參數；表面質量

大理石是一種典型的脆性石材，因具有高強度、高硬度以及良好的耐磨性等優良性能而被廣泛應用于建筑業、家居裝飾、機械行業等多種領域。但因其韌性較差，極難加工，在加工過程中極易產生裂紋或破碎，且加工不同成分的大理石也會影響刀具使用壽命。因此，有必要在加工前準確地掌握影響刀具壽命與加工表面質量的因素，以及它們之間的量化關系，而表面粗糙度是評價加工表面質量的重要指標，其影響零件的可靠性、耐磨性、接觸剛度等多種性能[1]。

許多文獻利用不同的加工方法研究了大理石加工過程中刀具磨損與切削參數的關系[2-7]，分析了切削參數對加工表面質量的影響[8-9]。文獻[2]利用金剛石刀具對大理石進行切割試驗，建立刀具磨損的理論模型。文獻[5]給出了球頭銑刀磨損模型，并提出了誤差補償方法，保證了實際加工精度。文獻[7]利用激光技術對大理石進行銑削加工，研究了加工表面質量受不同石材類別的影響規律，分析了激光銑削參數對銑削量和銑削質量的影響情況。文獻[8]利用正交試驗建立了基于徑向基的精密車削表面粗糙度預測模型，預測精度較高。

本文利用CVD氮化鈦涂層刀具進行高速銑削漢白玉大理石試驗[10-11]，建立了刀具磨損面積和大理石加工表面質量與切削參數間的預測模型，分析了影響刀具使用壽命與加工表面質量的關鍵因素。本文的研究為延長刀具使用壽命，提高加工表面質量提供了一定實際指導意義。

1 試驗條件

1.1 試驗樣件

大理石主要化學成分是一種不溶于水的化合物——碳酸鈣。本文試驗采用應用較為廣泛的天然漢白玉石，其組成90%是方解石，6%是白云石，其他僅占4%。漢白玉石屬性如表1所示。

表1 漢白玉大理石屬性

屬性參數值吸水率0.16%體密度2800kg/m3抗彎強度10.3MPa抗壓強度1072MPa

1.2 試驗設備

機床：異型石材車銑加工中心(HTM50200)；粗糙度檢測設備：Taylor-Hobson粗糙度測試儀；掃描電子顯微鏡：蔡司顯微鏡；能譜分析儀：牛津能譜分析儀。試驗刀具：D6CVD球頭銑刀，其主要參數如表2所示。

表2 試驗刀具主要參數

基體材質涂層材料維氏硬度涂層厚度規格鎢鋼TiN103μmR3.0×L50

1.3 試驗方案

分析研究多因素變化對某一事物的影響常采用正交試驗方案。正交試驗是依據正交性從全面試驗中整理出部分具有代表性的點進行試驗，大大減少了試驗次數，實現了高效率、快速、經濟的試驗，并且試驗點擁有“均勻分散，齊整可比”的特性。本文研究切削參數的進給速度、切削速度、切削深度3個單因素對切削力、刀具磨損面積以及大理石加工表面粗糙度的影響，綜合考慮機床功率、刀具強度及耐磨性等因素，每個因素選取4個水平，故采用L16(43)正交表進行試驗，如表3所示。

表3 正交試驗表及試驗結果

試驗號切削速度vc/(m/min)進給速度vf/(mm/min)切削深度ap/mm刀具磨損面積S/μm2表面粗糙度Ra/μm13810001962.0237238200021253.1843338300031684.0678438400042024.888457610002972.8985676200011101.8868776300041524.4986876400031753.77269114100031103.576410114200041584.30471111430001951.800412114400021062.791713152100041094.151514152200031003.49561515230002962.68941615240001821.6986

2 試驗結果分析

2.1 高速銑削大理石刀具磨損分析

2.1.1 刀具磨損面積計算

利用高倍電子顯微鏡觀測刀具磨損表面，然后通過劃分網格的方法求得刀具磨損面積S值。各組試驗的刀具磨損面積如表3所示。

2.1.2 刀具磨損面積與切削參數相關性

根據表4中的刀具磨損面積值，利用EXCEL軟件的統計分析、數據處理功能分析刀具磨損面積與切削參數之間的關系。令刀具磨損面積為因變量，切削速度、進給速度和切削深度三個切削參數均為自變量，研究確定各個自變量對因變量的具體影響關系，如圖1所示。

圖1中分別繪出了刀具磨損面積與切削速度、進給速度和切削深度的線性、二次、指數以及乘冪擬合曲線。從圖1a能夠看出，切削速度的增加可以減小磨損面積，各擬合曲線都能較好地給出磨損面積與切削速度的關系，但二次擬合曲線效果最佳，與試驗點數據折線重合度最高，能夠更好體現切削速度對刀具磨損的影響。由于切削速度增加，將縮短切削刃與工件表面的單次接觸時間，致使刀具磨損面積趨于線性減小。從圖1b和圖1c可以看出，進給速度和切削深度的增加均使刀具磨損面積增大，各曲線擬合效果均能很好地反映進給速度和切削深度對刀具磨損的變化規律，但對于圖1b乘冪擬合效果更好些，對于圖1c乘冪擬合卻較其他曲線擬合效果較差些。當進給速度達到2 000 mm/min時，再增加進給速度將減緩刀具磨損面積的增大，因為在此進給速度下加工已經導致刀具表面整體磨損現象，再提高進給速度也不會明顯增加磨損面積，但是仍然會使磨損面積增大。切削深度的增加導致刀具與工件接觸面積增加，從而增大了刀具摩擦表面，加劇了刀具表面磨損情況。

為了更好體現擬合曲線的好壞，對各擬合曲線的擬合優度進行分析，各曲線參數值和擬合程度值如表4所示。根據試驗數據，又建立了切削參數與刀具磨損面積的皮爾遜相關系數如表5所示。

表4 擬合曲線及相應擬合優度

切削參數方程參數估計值常數b1b2擬合優度R2切削速度線性166.12-0.44540.99305二次158.31-0.2398-1.08×10-30.99982指數173.56-0.00370.97885乘冪435.35-0.28650.88872進給速度線性94.0000.01190.94420二次85.5630.0204-2×10-60.95933指數96.2140.00010.92838乘冪23.3070.21600.97139切削深度線性71.12521.0750.96491二次79.56212.6381.68750.96986指數79.1180.17160.96734乘冪91.4630.35730.90997

表5 切削參數與磨損面積皮爾遜相關性

切削參數切削速度進給速度切削深度切削面積-0.996520.971700.98230

擬合優度R2為0～1的數，其值越接近1，擬合效果越好，可靠性越高，若R2=1則表明試驗數據點全部在擬合曲線上，擬合程度最高，也最可靠。表5中切削速度與切削深度對磨損面積影響的各擬合曲線的擬合優度均接近1，說明擬合效果均較好。但比較R2值可知，切削速度與切削深度對刀具磨損面積影響的擬合曲線中，都是二次多項式R2值最大，擬合效果更佳，更可靠。而進給速度對刀具磨損面積影響的擬合曲線中，乘冪擬合的R2值最大，擬合程度更高。并且表5分析得出的結果與圖1中觀測結果一致。

表5中切削參數與磨損面積相關性的皮爾遜系數的絕對值均接近1，表明切削參數與磨損面積之間有著極強的相關性。切削速度與磨損面積間的系數值為負數，表明它們之間具有負相關性，即磨損面積隨切削速度的增大而減小，而進給速度與切削深度與磨損面積的系數值均為正數，表明它們之間具有正相關性，即磨損面積隨進給速度和切削深度的增加也變大。

為了更加形象描述切削參數對刀具磨損面積的綜合影響，根據經驗公式[12]，建立刀具磨損面積與切削參數關系模型如式(1)所示。

(1)

式中：b1、b2、b3是各項指數；k是與工件材料、刀具材料、切削條件等有關的系數。

將式(1)兩端取對數，有

lnS=lnk+b1lnvc+b2lnvf+b3lnap

(2)

令b0=lnk，x1=lnvc，x2=lnvf，x3=lnap，y=lnS，并代入式(2)有

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

(3)

利用EXCEL軟件中的LINEST函數對式(3)參數估計，并對擬合結果作回歸分析，檢驗其顯著性。計算后得到數學模型如式(4)所示，擬合優度與顯著性值如表6所示。

(4)

表6 刀具磨損面積公式顯著性分析結果

磨損面積S擬合優度R2F檢驗S0.8547228.26

表6中擬合優度R2=0.854 72，較接近1，顯著性檢驗值F=28.26>F0.01(3,12)=5.95，表明顯著性很高，擬合效果較好，即利用式(4)作為刀具磨損面積計算公式有很高的可信度。式(4)的給出不僅驗證了以上分析的正確性，同時還可以判斷出影響刀具磨損面積最大的因素是切削深度，切削速度次之，進給速度對刀具磨損面積的影響最小。同時還可以分析出刀具磨損面積與進給速度和切削深度正相關，與切削速度負相關。

由以上分析可知，提高切削速度可以減小刀具磨損面積，有利于延長刀具的使用壽命。提高進給速度與切削深度并不能改善刀具磨損情況，增加切削深度反而會使刀具磨損面積明顯增大。因此要改善刀具磨損狀況，提高刀具使用壽命，在高速銑削大理石過程中應根據加工需要合理選擇進給速度和切削深度，在允許條件下盡量提高切削速度。

2.1.3 刀具磨損形態分析

利用高倍顯微鏡觀測各組試驗刀具磨損表面形態，其形貌特征主要表現為各種磨損、犁溝、崩刃以及涂層與基體剝離，此外還有加工過程中刀具前刀面殘留的積屑瘤。采用能譜分析儀檢測刀具磨損區域元素成分，其主要有氧、鈣、碳、硅、鎂等元素，它們均為天然大理石的基本化學成分。由于加工過程中溫度非常高，使切削下來的材料粘結在前刀面上從而形成積屑瘤。積屑瘤的形成會增大刀具前角，使刀具變得較鋒利，但如果加工環境不穩定，在加工過程中積屑瘤將會破裂，致使刀具表面顆粒剝落，從而導致刀具磨損狀況加劇，也影響加工表面質量。

2.2 高速銑削大理石表面粗糙度分析

2.2.1 大理石表面粗糙度測量

清洗加工試件并風干，利用粗糙度檢測儀在加工表面隨機選取5個測點進行測量，每個測點取長度50 mm檢測，用5個測點平均值Ra表示表面粗糙度。最終得到大理石表面粗糙度值如表3所示。

2.2.2 切削參數對表面粗糙度影響分析

圖2給出了不同切削參數試驗條件下的4組試驗結果表面質量比較。從圖2a～d的切削參數變化可以看出，加工大理石表面質量逐漸得到改善。隨著切削速度的提高，切削區域溫度將不斷上升，導致切屑底層軟化，使已加工表面顆粒不易脫落，切屑不被粘著在加工表面，同時加工表面塑性變形程度也會減小，使顆粒迅速被切斷而脫落，抑制了凹坑與裂紋的生成。圖2a中能夠明顯看出刀具切削刃劃過加工表面產生的犁溝，也能看到顆粒脫落產生的凹坑，圖2d在切削速度較大，進給速度與切削深度相對較小的加工條件下，得到了較好的加工表面質量。

圖3給出了各切削用量對表面粗糙度的影響關系。由圖3可知，在試驗設定切削參數范圍內，高速銑削大理石過程中，隨著切削速度的提高，工件表面粗糙度有所減小，隨著進給速度與切削深度的增加，表面粗糙度不斷增大。提高切削速度，可抑制積屑瘤的產生，得到較小表面粗糙度，從而改善表面質量；增加進給速度，將加大切削振動，導致表面粗糙度變大，表面質量下降；增加切削深度加大了刀具與工件接觸面積，增大了切削力，進而加劇了刀具與加工表面的摩擦，容易產生凹坑或裂紋，降低了表面光潔度，加大了表面粗糙度。

2.2.3 表面粗糙度預測模型

表面粗糙度是評價加工質量的重要指標，若在加工前能夠根據加工參數準確預測加工表面粗糙度，便可根據調節加工參數更好地實現所要求的加工質量。這樣可以降低加工勞動強度，減少粗糙度檢測環節，有效控制粗糙度值，從而提高對大理石加工的表面質量。

仿照刀具磨損面積與切削參數之間函數關系的建模方法，最終得到大理石加工表面粗糙度預測模型如式(5)所示。

(5)

計算式(5)擬合優度得R2=0.999 77，接近1，顯著性檢驗F=17 625.04>F0.01(3,12)=5.95，表明擬合效果極佳。由式(5)可知，切削深度值與進給速度指數均為正，表明其值若增大，表面粗糙度值也會增大，切削速度指數為負，說明其值若增大，表面粗糙度值會減小。切削深度指數最大，是對表面粗糙度影響最大的因素，進給速度指數非常小，其值變化對表面粗糙度影響不明顯。

式(5)揭示了切削參數對大理石加工表面粗糙度的影響規律，能夠較準確地預測CVD涂層刀具加工漢白玉大理石的加工表面粗糙度，為提高大理石加工表面質量提供了一定參考價值。

3 結語

(1)利用CVD氮化鈦涂層刀具進行高速銑削天然大理石試驗，得到刀具磨損面積與大理石加工表面粗糙度均隨切削速度的增大而呈減小趨勢，均隨進給速度與切削深度的增加而呈變大趨勢。

(2)分析試驗所測數據，利用EXCEL分別建立了刀具磨損面積和大理石加工表面粗糙度與切削參數間的預測模型，并對模型進行檢測均有很高的顯著性與較強的擬合優度。進一步分析模型各項指數得到刀具磨損面積和大理石加工表面粗糙度受切削深度改變的影響最大，受切削速度改變的影響較小，受進給速度改變的影響最小。因此，控制好切削深度是提高大理石加工表面質量的關鍵。

(3)在利用CVD涂層刀具加工大理石時，根據所建模型能夠較準確地揭示刀具磨損面積和大理石表面粗糙度與切削參數間的關系，可以通過調解切削參數來控制刀具磨損，減小加工表面粗糙度值。因此，所建預測模型可以為提高大理石加工表面質量提供了一定參考價值。

(4)提高切削速度可以避免積屑瘤的產生，降低刀具磨損量，增加刀具使用壽命，改善大理石加工表面質量。適當選擇較小的進給速度與切削深度可以減小加工表面粗糙度值，有利于獲得較好的表面質量。

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Experiment on high speed milling marble using CVD coating tools

YAN Haipeng, WU Yuhou, ZONG Yupeng

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

The paper aims to explore the cutting characteristics of high speed milling marble and to improve the surface quality of marble processing. A high speed milling marble test using CVD titanium nitride coating was carried out. To study the relationship between the cutting parameters and the tool wear conditions, the tool wear surfaces were observed through the microscope and the tool wear areas were calculated by the grid method. The machined marble surface roughnesses were detected by the roughness tester to probe the influence of the cutting parameters on the marble surface quality. It’s found that the tool wear losses and the marble surface roughness have negative correlation with the cutting speed, but positive correlation with the feed rate and the cutting depth. The experimental results show that the established mathematical models are significant in revealing the relationships between the cutting parameters and the tool wear losses and the marble surface roughness. Therefore it provides a theoretical basis for the proper selection of cutting parameters to improve the surface quality of marble processing.

CVD coating tools;marble; cutting characteristics; cutting parameters; surface quality

* 國家自然科學基金資助項目( 51375317) ; 遼寧省自然科學基金項目( 2014020069) ; 教育部創新團隊計劃( ITR1160)

TH161+.1;TG711;TG506.1

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.018

閆海鵬，男，1987年生，在讀博士，研究方向為脆性材料加工、工藝參數優化。

(編輯 高 揚)

2016-04-26)

161125