硬质合金刀具涂层与否，对切削力的影响

1 引言

硬质合金刀具物理气相沉积涂层技术(PVD)是20世纪80年代发展起来的刀具涂层技术。由于PVD与化学气相沉积相比，涂层硬质合金刀具(CVD)涂层硬质合金刀具耐磨性好，刀具耐久性高，不易损坏，因此PVD行业高度重视涂层硬质合金刀具技术的发展。国外PVD经过十年的发展，高速钢刀涂层技术已经完善，硬质合金复合涂层技术的研究已经在20世纪80年代中期开始，并已经开发出来TiN、TiCN 和TiAlN 采用涂层技术，开发了自动化水平较高的专用涂层设备，保证了产品质量的稳定性和可靠性PVD涂层硬质合金刀具投入使用，占领市场。近年来，随着国内汽车、石油、冶金行业的发展和数控机床性能的不断提高，对硬质合金刀具的需求日益增加，尤其是涂层硬质合金刀具。因此，有必要加强对涂层硬质合金刀具切削性能的研究。目前，我国对涂层硬质合金刀具的研究主要集中在CVD涂层硬质合金刀具对PVD涂层刀具的研究报道不多。本文将通过PVD涂层硬质合金刀具切割42CrMo研究钢工件对比试验的切削力。表1 刀具工作时的几何角前角go后角ao副后角a'o主偏角Kr副偏角K'r刃倾角lS刀尖弧半径rZ12°3°3°90°35°7°0.8mm表2 工件材料的化学成分(%)CMnSiSPCrMo0.450.660.250.0120.0171.060.18表3 工件材料的机械性能屈服于强度N/mm²抗拉强度N/mm²伸长率%收缩率%硬度HRC.06230

2 三种刀具型号用于切削试验条件试验DNMG150608-25:一是自贡硬质合金厂生产的品牌ZP25硬质合金刀具，另外两种是ZP25为基体，分别采用PVD方法涂复TiN 和TiCN 涂层硬质合金刀具；刀具几何参数见表1。工件材料为42CrMo钢、调质处理、硬度2C&M，化学成分和机械性能见表2、表3。试验在CA6140普通车床。试验方法采用单因素法，每次试验时分别改变切削速度、进给量和深度KISTLER每次试验时，三向切削力采集和测量FX、FY、FZ(如图1)；使用PC386微机扩展槽PCL-818L将切割过程中产生的模拟电压信号采集转换为数字信号输入计算机，然后通过计算机显示、保存、处理，在不同的切削条件下获得切削力数据文件和三向切削力的平均值。每次三次，以确保数据的可靠性。每次三次，以确保数据的可靠性。在切割过程中使用JCL820074工具显微镜观察和分析不同工具的不同磨损形状。

图1 切削合力和三向切削力方向示意图

图2 麦钱特切削机械模型

3 结果及分析

根据切削试验，当切削条件为时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、 4.7N，单位切削力分别为3093.36N/mm²、2726.51N/mm²、2686.4N/mm²(单位切削力是指单位面积的主切削力)，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还表明，涂层硬质合金刀具的切削力小于未涂层硬质合金刀具。国外研究人员的试验结果还得出结论，涂层硬质合金刀具的切削力小于未涂层硬质合金刀具。涂层硬质合金刀具的切削力小于硬质合金。主要原因是涂层材料与工件材料的摩擦系数小于硬质合金与工件材料的摩擦系数，可以从以下推导中证明。

根据麦钱特的切削力学模型，摩擦力在刀具的前面发挥作用Ff与法向力Fn，其合力为Fr；剪切力作用于切割剪切面FS及法向力Fns；FS和Fns二力与Fr平衡(如图2所示)FX=tan(b-go)FZ(1)

本试验已知刀具前角go，再通过三向测力仪测得FX和FZ，可用型(1)比较三种刀具摩擦角b的大小。试验中求得FX和FZ平均比值：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0.34.根据型(1)，三种刀具与工件的摩擦角由大到小依次为硬质合金刀具，TiCN涂层刀具、TiN 涂层刀具。这与试验中测定的材料摩擦系数相同。由李和谢弗(Lee and Shaffer)公式，有f b-go=p4(2)

因为型(2)刀具的前角go它是一定的值，从公式（2）知道，当刀具摩擦角B变小时，剪切角F变大。根据上述讨论，可以得出三种刀具的剪切角从大到小是：TiN 涂层刀具、TiCN涂层工具，硬合金工具。对于同一种材料，其剪切强度T是一定值，因此剪切角大，剪切面小，所需的切割力小。

采用单因素法进行切削试验，进一步处理试验中测量的切削力数据，得到刀具切削力的变化曲线（见图3、图4、图5）。从图3~图5可以看出，涂层硬质合金刀具的切削力在切削过程中随进给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的切削力基本相同，即进给量f、切削深度ap切削力增加；切削速度增加，切削力降低。由于当进给量f和切削深度的分析ap当切削面积增加时，总切削力增加；随着切削速度V的增加，切削温度、摩擦系数和剪切角度的增加，中山一雄切削力理论可以推导出三向切削力的降低。

图3 随着切削深度的变化，三种刀具的切削力对比

图4 随进给量变化对比三种刀具的切削力

图5 与各种刀具的切削力随速度变化的比较

从图3~图5也可以看出，涂层硬质合金刀具的切削力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的切削力小于未涂层硬质合金刀具。

4 结论

切削试验证明，物理气相沉积涂层技术应用于切削过程中(PVD)硬质合金刀具的切削力随进给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的切削力相同，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；根据切削试验结果，牌号为ZP25硬质合金刀具和ZP25为基体，分别采用PVD方法涂复TiN和TiCN涂层硬质合金刀具的三向切削力按大小排序：FZP25>FTiCN>FTiN，主要原因是这三种刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同。

来源：刀具信息

http://www.dennm.com