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PVD涂层与未涂层硬质合金刀具切削力的对比研究 摘要：应用同型号未涂层、TiN涂层和TiCN涂层硬质合金刀具进行切削试验，用KISTLER三向测力仪、电荷放大器和PC机组成的切削力数据采集系统进行三向切削力采集。试验表明在切削过程中PVD涂层硬质合金刀具的切削力随刀具进给量、切削深度、切削速度的变化规律与未涂层硬质合金刀具相同，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的切削力。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。 表1 刀具工作时的几何角度前角 γ0后角 α0副后角 α’0主偏角 κγr副偏角 κ’r刃倾角 λS刀尖圆 弧半径 rZ12°3°3°90°35°7°0.8mm表2 工件材料的化学成份(%)CMnSiSPCrMo0.450.660.250.0120.0171.060.18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 HRC105092016.06230 图1 切削合力和三向切削力方向示意图 2 切削试验(1)试验条件试验所用三种刀具型号均为DNMG150608225：一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，硬度HRC34，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。 (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。 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、2686.41N/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。 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 FX=tan(β-γ0)FZ(1) 图2 麦钱特切削力学模型 在本试验中已知刀具前角γ0，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β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0.40、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 Oslash;+β-γ0=π4(2)由于式(2)中刀具前角γ0是一定值，由式(2)知，当刀具摩