應(yīng)用同型號(hào)未涂層、TiN涂層和TiCN涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，用KISTLER三向測(cè)力儀、電荷放大器和PC機(jī)組成的切削力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行三向切削力采集。試驗(yàn)表明在切削過程中PVD涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力隨刀具進(jìn)給量、切削深度、切削速度的變化規(guī)律與未涂層硬質(zhì)合金刀具相同，但涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力明顯小于未涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力。
一引言
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(guó)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)合金刀具大量投進(jìn)了使用，占領(lǐng)市場(chǎng)。近年來，國(guó)內(nèi)汽車、石油、冶金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床性能的不斷進(jìn)步，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(guó)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。
表1 刀具工作時(shí)的幾何角度
前角
γ0后角
α0副后角
α'0主偏角
κγr副偏角
κ'r刃傾角
λS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(%)
CMnSiSPCrMo
0.450.660.250.0120.0171.060.18
表3 工件材料的機(jī)械性能
屈服強(qiáng)度
N/mm2抗拉強(qiáng)度
N/mm2伸長(zhǎng)率
%收縮率
%硬度
HRC
105092016.06230
二 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DNMG150608225：一種是自貢硬質(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，硬度HRC34，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。
(2)試驗(yàn)方法
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(cè)力儀采集、丈量每次試驗(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)輸進(jìn)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)均勻值。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。
三 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/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/mm2、2726.51N/mm2、2686.41N/mm2(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(guó)外研究職員的試驗(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)中得到證實(shí)。
根據(jù)麥錢特的切削力學(xué)模型，刀具前刀面上作用著摩擦力Ff與法向力Fn，其協(xié)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(β-γ0)
FZ
在本試驗(yàn)中已知刀具前角γ0，再通過三向測(cè)力儀測(cè)得FX和FZ，則可利用式(1)比較三種刀具摩擦角β的大小。試驗(yàn)中求得FX和FZ比值的均勻值:硬質(zhì)合金刀具為0.48、TiCN涂層刀具為0.40、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(cè)定的材料摩擦系數(shù)是相同的。由李和謝弗(Lee and Shaffer)公式，有
?+β-γ0=π
四由于式(2)中刀具前角γ0是一定值，由式(2)知，當(dāng)?shù)毒吣Σ两铅伦冃r(shí)，剪切角?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τ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(cè)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(shì)基本相同，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。
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，證實(shí)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。
五結(jié)論
切削試驗(yàn)證實(shí):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質(zhì)合金刀具的切削力：根據(jù)切削試驗(yàn)的結(jié)果，牌號(hào)為ZP25的硬質(zhì)合金刀具和以ZP25為基體、分別采用PVD方法涂復(fù)TiN和TiCN涂層的硬質(zhì)合金刀具的三向切削力按大小排序依次為:Fzp25>：FTiCN>：FTiN，其主要原因在于這三種刀具材料與工件材料之間的摩擦系數(shù)不同。
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