PVD涂层与未涂层硬质合金刀具切削力的对比试验研究

1 引言

硬质合金刀具物理气相沉积涂层技术(PVD)是二十世纪八十年代发展起来的刀具涂层技术。由于PVD涂层的硬质合金刀具比化学气相沉积(CVD)涂层硬质合金刀具有更好的抗耐磨性和更高的刀具耐用度，且不易破损，因而PVD涂层硬质合金刀具技术的发展受到业界的高度重视。国外PVD高速钢刀具涂层技术经过十年的发展，已趋完善，并在八十年代中期开始了硬质合金复合涂层技术的研究工作，先后开发了TiN、TiCN 和TiAlN 等涂层工艺技术，并研制了自动化水平较高的专用涂层设备，从而保证了产品质量的稳定性和可靠性，使PVD涂层硬质合金刀具大量投入了使用，占领市场。近年来，国内汽车、石油、冶金工业的发展以及数控机床性能的不断提高，对硬质合金刀具尤其是涂层硬质合金刀具的需求日趋增加，因而有必要对涂层硬质合金刀具的切削性能加强研究。目前，国内对涂层硬质合金刀具的研究的主要集中在CVD涂层硬质合金刀具上，对PVD涂层刀具的研究还少有报道。本文将通过PVD涂层硬质合金刀具与未涂层硬质合金刀具切削42CrMo钢工件的对比试验进行切削力方面的研究。

2 切削试验

1）试验条件

试验所用三种刀具型号均为DNMG150608-25：一种是自贡硬质合金厂生产的牌号为ZP25的硬质合金刀具，另两种是以ZP25为基体、分别采用PVD方法涂复TiN 和TiCN 涂层的硬质合金刀具；刀具几何参数见表1。工件材料为42CrMo钢，调质处理，材料的化学成分和机械性能见表2、表3。试验在CA6140普通车床上进行。

表1 刀具工作时的几何角度
前角
g_o 后角
a_o 副后角
a_o 主偏角
K_r 副偏角
K_r 刃倾角
l_S 刀尖圆弧半径
r_Z 12° 3° 3° 90° 35° 7° 0.8mm
表2 工件材料的化学成份(%)
C Mn Si S P Cr Mo 0.45 0.66 0.25 0.012 0.017 1.06 0.18
表3 工件材料的机械性能
屈服强度
N/mm² 抗拉强度
N/mm² 伸长率
% 收缩率
% 硬度
HRC 1050 920 16.0 62 30

2) 试验方法

试验采用单因素法，每次切削试验时分别改变切削速度、进给量、切削深度，用KISTLER三向测力仪采集、测量每次试验时的三向切削力FX、FY、FZ(如图1)；用PC386微机扩展槽中PCL-818L板把切削中产生的模拟电压信号采集转化成数字信号输入计算机，再通过计算机显示、保存、处理，得到不同切削条件下的切削力数据文件及三向切削力的各个平均值。每一种试验均做三次，以保证数据的可靠性。在切削过程中，采用JCL820074工具显微镜对刀具的磨损进行观察并分析不同刀具不同的磨损形貌。

图1 切削合力和三向切削力方向示意图

3 试验结果与分析

由切削试验可知，当切削条件为ap=0.8mm、f=0.3mm/r、v=135m/min时，ZP25、TiCN涂层和TiN涂层三种刀具的主切削力分别为742.4N、654N、644.7N，单位切削力分别是3093.36N/mm²、2726.51N/mm²、2686.4N/mm²(单位切削力是指单位面积上的主切削力)，可见涂层硬质合金刀具的切削力明显低于未涂层刀具。国外研究人员的试验结果也得出涂层硬质合金刀具与未涂层硬质合金刀具相比具有较小的切削力。涂层硬质合金刀具的切削力比硬质合金的切削力小，主要原因是涂层刀具的涂层材料与工件材料的摩擦系数比硬质合金与工件材料的摩擦系数要小，这可以从下列推导中得到证明。

图2 麦钱特切削力学模型

根据麦钱特的切削力学模型，刀具前刀面上作用着摩擦力Ff与法向力Fn，其合力为Fr；在切削剪切面上作用着剪切力FS及法向力Fns；FS和Fns二力与Fr平衡(如图2所示)。由图2可得

F_X =tan(b-g_o) F_Z(1)

在本试验中已知刀具前角go，再通过三向测力仪测得FX和FZ，则可利用式(1)比较三种刀具摩擦角b的大小。试验中求得FX和FZ比值的平均值：硬质合金刀具为0.48、TiCN涂层刀具为0.04、TiN涂层硬质合金刀具为0.34，根据式(1)，三种刀具与工件的摩擦角由大到小依次是硬质合金刀具、TiCN涂层刀具、TiN 涂层刀具。这与试验中测定的材料摩擦系数是相同的。由李和谢弗(Lee and Shaffer)公式，有

f+b-g_o= p 4(2)

由于式(2)中刀具前角go是一定值，由式(2)知，当刀具摩擦角b变小时，剪切角f就变大。根据以上讨论，可以得出三种刀具在切削时的剪切角由大到小依次是：TiN 涂层刀具、TiCN涂层刀具、硬质合金刀具。对于同一种材料来说，其剪切强度t是一定值，因此剪切角大，剪切面反而小，所需切削力就小。

采用单因素法进行切削试验并对试验中测得的切削力数据做进一步地处理，得到采用不同切削参数时刀具切削力的变化曲线(见图3、图4、图5)。从图3～图5中可以看出：在切削加工中，涂层硬质合金刀具的切削力随进给量f、切削深度ap及切削速度v的变化规律与未涂层硬质合金刀具切削力的变化趋势基本相同，即随着进给量f、切削深度ap的增加，切削力增大；随着切削速度的增加，切削力降低。分析其原因，是由于当进给量f和切削深度ap增加时，切削面积相应增加，因此总的切削力增加；而随着切削速度v的增加，切削温度增高，摩擦系数减小，剪切角增大，由中山一雄切削力理论可推导出三向切削力减小。

图3 三种刀具的切削力随切削深度变化的对比

图4 三种刀具的切削力随进给量变化的对比

图5 种刀具的切削力随速度变化的对比

由图3～图5还可以看出，无论在何种切削条件下，涂层硬质合金刀具的切削力都低于未涂层硬质合金刀具的切削力，证明涂层硬质合金刀具在切削中所需切削力比未涂层硬质合金刀具在切削中所需切削力小。

4 结论

切削试验证明：在切削加工过程中，应用物理气相沉积涂层技术(PVD)的硬质合金刀具的切削力随进给量f、切削深度ap、切削速度v的变化规律与未涂层硬质合金刀具切削力的变化规律是相同的，但涂层硬质合金刀具的切削力明显小于未涂层硬质合金刀具的切削力；根据切削试验的结果，牌号为ZP25的硬质合金刀具和以ZP25为基体、分别采用PVD方法涂复TiN和TiCN涂层的硬质合金刀具的三向切削力按大小排序依次为：FZP25>FTiCN>FTiN，其主要原因在于这三种刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同。