PVD涂層與未涂層硬質(zhì)合金刀具切削力的對(duì)比試驗(yàn)研究

1、PVD涂層與未涂層硬質(zhì)合金刀具切削力的對(duì)比試驗(yàn)研究奚維斌 張弘弢 朱英臣1 引言 硬質(zhì)合金刀具物理氣相沉積涂層技術(shù)(PVD)是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的刀具涂層技術(shù)。由于PVD涂層的硬質(zhì)合金刀具比化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層硬質(zhì)合金刀具有更好的抗耐磨性和更高的刀具耐用度，且不易破損，因而PVD涂層硬質(zhì)合金刀具技術(shù)的發(fā)展受到業(yè)界的高度重視。國外PVD高速鋼刀具涂層技術(shù)經(jīng)過十年的發(fā)展，已趨完善，并在八十年代中期開始了硬質(zhì)合金復(fù)合涂層技術(shù)的研究工作，先后開發(fā)了TiN、TiCN 和TiAlN 等涂層工藝技術(shù)，并研制了自動(dòng)化水平較高的專用涂層設(shè)備，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，使PVD涂層硬質(zhì)合金刀

2、具大量投入了使用，占領(lǐng)市場。近年來，國內(nèi)汽車、石油、冶金工業(yè)的發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床性能的不斷提高，對(duì)硬質(zhì)合金刀具尤其是涂層硬質(zhì)合金刀具的需求日趨增加，因而有必要對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具的切削性能加強(qiáng)研究。目前，國內(nèi)對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具的研究的主要集中在CVD涂層硬質(zhì)合金刀具上，對(duì)PVD涂層刀具的研究還少有報(bào)道。本文將通過PVD涂層硬質(zhì)合金刀具與未涂層硬質(zhì)合金刀具切削42CrMo鋼工件的對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行切削力方面的研究。 2 切削試驗(yàn) 1）試驗(yàn)條件 試驗(yàn)所用三種刀具型號(hào)均為DNMG150608-25：一種是自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)為ZP25的硬質(zhì)合金刀具，另兩種是以ZP25為基體、分別采用PVD方法涂復(fù)TiN

3、和TiCN 涂層的硬質(zhì)合金刀具；刀具幾何參數(shù)見表1。工件材料為42CrMo鋼，調(diào)質(zhì)處理，材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能見表2、表3。試驗(yàn)在CA6140普通車床上進(jìn)行。 表1 刀具工作時(shí)的幾何角度 前角go 后角ao 副后角ao 主偏角Kr 副偏角Kr 刃傾角lS 刀尖圓弧半徑rZ 12 3 3 90 35 7 0.8mm表2 工件材料的化學(xué)成份(%) C Mn Si S P Cr Mo 0.45 0.66 0.25 0.012 0.017 1.06 0.18表3 工件材料的機(jī)械性能 屈服強(qiáng)度N/mm 抗拉強(qiáng)度N/mm 伸長率% 收縮率% 硬度HRC 1050 920 16.0 62 302) 試驗(yàn)方

4、法 試驗(yàn)采用單因素法，每次切削試驗(yàn)時(shí)分別改變切削速度、進(jìn)給量、切削深度，用KISTLER三向測力儀采集、測量每次試驗(yàn)時(shí)的三向切削力FX、FY、FZ(如圖1)；用PC386微機(jī)擴(kuò)展槽中PCL-818L板把切削中產(chǎn)生的模擬電壓信號(hào)采集轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，再通過計(jì)算機(jī)顯示、保存、處理，得到不同切削條件下的切削力數(shù)據(jù)文件及三向切削力的各個(gè)平均值。每一種試驗(yàn)均做三次，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。在切削過程中，采用JCL820074工具顯微鏡對(duì)刀具的磨損進(jìn)行觀察并分析不同刀具不同的磨損形貌。 圖1 切削合力和三向切削力方向示意圖3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 由切削試驗(yàn)可知，當(dāng)切削條件為ap=0.8mm、f=0.3mm

5、/r、v=135m/min時(shí)，ZP25、TiCN涂層和TiN涂層三種刀具的主切削力分別為742.4N、654N、644.7N，單位切削力分別是3093.36N/mm、2726.51N/mm、2686.4N/mm(單位切削力是指單位面積上的主切削力)，可見涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力明顯低于未涂層刀具。國外研究人員的試驗(yàn)結(jié)果也得出涂層硬質(zhì)合金刀具與未涂層硬質(zhì)合金刀具相比具有較小的切削力。涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力比硬質(zhì)合金的切削力小，主要原因是涂層刀具的涂層材料與工件材料的摩擦系數(shù)比硬質(zhì)合金與工件材料的摩擦系數(shù)要小，這可以從下列推導(dǎo)中得到證明。 圖2 麥錢特切削力學(xué)模型根據(jù)麥錢特的切削力學(xué)模型，刀具前

6、刀面上作用著摩擦力Ff與法向力Fn，其合力為Fr；在切削剪切面上作用著剪切力FS及法向力Fns；FS和Fns二力與Fr平衡(如圖2所示)。由圖2可得 FX =tan(b-go) FZ(1)在本試驗(yàn)中已知刀具前角go，再通過三向測力儀測得FX和FZ，則可利用式(1)比較三種刀具摩擦角b的大小。試驗(yàn)中求得FX和FZ比值的平均值：硬質(zhì)合金刀具為0.48、TiCN涂層刀具為0.04、TiN涂層硬質(zhì)合金刀具為0.34，根據(jù)式(1)，三種刀具與工件的摩擦角由大到小依次是硬質(zhì)合金刀具、TiCN涂層刀具、TiN 涂層刀具。這與試驗(yàn)中測定的材料摩擦系數(shù)是相同的。由李和謝弗(Lee and Shaffer)公式，

7、有 f+b-go= p 4(2)由于式(2)中刀具前角go是一定值，由式(2)知，當(dāng)?shù)毒吣Σ两莃變小時(shí)，剪切角f就變大。根據(jù)以上討論，可以得出三種刀具在切削時(shí)的剪切角由大到小依次是：TiN 涂層刀具、TiCN涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具。對(duì)于同一種材料來說，其剪切強(qiáng)度t是一定值，因此剪切角大，剪切面反而小，所需切削力就小。 采用單因素法進(jìn)行切削試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)中測得的切削力數(shù)據(jù)做進(jìn)一步地處理，得到采用不同切削參數(shù)時(shí)刀具切削力的變化曲線(見圖3、圖4、圖5)。從圖3圖5中可以看出：在切削加工中，涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力隨進(jìn)給量f、切削深度ap及切削速度v的變化規(guī)律與未涂層硬質(zhì)合金刀具切削力的變化趨勢基本相

8、同，即隨著進(jìn)給量f、切削深度ap的增加，切削力增大；隨著切削速度的增加，切削力降低。分析其原因，是由于當(dāng)進(jìn)給量f和切削深度ap增加時(shí)，切削面積相應(yīng)增加，因此總的切削力增加；而隨著切削速度v的增加，切削溫度增高，摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，由中山一雄切削力理論可推導(dǎo)出三向切削力減小。 圖3 三種刀具的切削力隨切削深度變化的對(duì)比圖4 三種刀具的切削力隨進(jìn)給量變化的對(duì)比圖5 種刀具的切削力隨速度變化的對(duì)比由圖3圖5還可以看出，無論在何種切削條件下，涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力都低于未涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力，證明涂層硬質(zhì)合金刀具在切削中所需切削力比未涂層硬質(zhì)合金刀具在切削中所需切削力小。 4 結(jié)論 切削試驗(yàn)證明：在切削加工過程中，應(yīng)用物理氣相沉積涂層技術(shù)(PVD)的硬質(zhì)合金刀具的切削力隨進(jìn)給量f、切削深度ap、切削速度v的變化規(guī)律與未涂層硬質(zhì)合金刀具切削力的變化規(guī)律是相同的，但涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力明顯小于未涂層硬