應用同型號未涂層、TiN涂層和TiCN涂層硬質合金刀具進行切削試驗，用KISTLER三向測力儀、電荷放大器和PC機組成的切削力數據采集系統進行三向切削力采集。試驗表明在切削過程中PVD涂層硬質合金刀具的切削力隨刀具進給量、切削深度、切削速度的變化規律與未涂層硬質合金刀具相同，但涂層硬質合金刀具的切削力明顯小于未涂層硬質合金刀具的切削力。
一引言
硬質合金刀具物理氣相沉積涂層技術(PVD)是二十世紀八十年代發展起來的刀具涂層技術。由于PVD涂層的硬質合金刀具比化學氣相沉積(CVD)涂層硬質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涂層硬質合金刀具技術的發展受到業界的高度重視。國外PVD高速鋼刀具涂層技術經過十年的發展，已趨完善，并在八十年代中期開始了硬質合金復合涂層技術的研究工作，先后開發了TiN、TiCN和TiAlN等涂層工藝技術，并研制了自動化水平較高的專用涂層設備，從而保證了產品質量的穩定性和可靠性，使PVD涂層硬質合金刀具大量投進了使用，占領市場。近年來，國內汽車、石油、冶金產業的發展以及數控機床性能的不斷進步，對硬質合金刀具尤其是涂層硬質合金刀具的需求日趨增加，因而有必要對涂層硬質合金刀具的切削性能加強研究。目前，國內對涂層硬質合金刀具的研究的主要集中在CVD涂層硬質合金刀具上，對PVD涂層刀具的研究還少有報道。本文將通過PVD涂層硬質合金刀具與未涂層硬質合金刀具切削42CrMo鋼工件的對比試驗進行切削力方面的研究。
表1 刀具工作時的幾何角度
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 工件材料的機械性能
屈服強度
N/mm2 抗拉強度
N/mm2 伸長率
% 收縮率
% 硬度
HRC
1050 920 16.0 62 30
二 切削試驗
(1)試驗條件
試驗所用三種刀具型號均為DNMG150608225：一種是自貢硬質合金廠生產的牌號為ZP25的硬質合金刀具，另兩種是以ZP25為基體、分別采用PVD方法涂復TiN和TiCN涂層的硬質合金刀具；刀具幾何參數見表1。工件材料為42CrMo鋼，調質處理，硬度HRC34，材料的化學成分和機械性能見表2、表3。試驗在CA6140普通車床上進行。
(2)試驗方法
試驗采用單因素法，每次切削試驗時分別改變切削速度、進給量、切削深度，用KISTLER三向測力儀采集、丈量每次試驗時的三向切削力Fx、Fy、Fz(如圖1)；用PC386微機擴展槽中PCL-818L板把切削中產生的模擬電壓信號采集轉化成數字信號輸進計算機，再通過計算機顯示、保存、處理，得到不同切削條件下的切削力數據文件及三向切削力的各個均勻值。每一種試驗均做三次，以保證數據的可靠性。在切削過程中，采用JCL820074工具顯微鏡對刀具的磨損進行觀察并分析不同刀具不同的磨損形貌。
三 試驗結果與分析
由切削試驗可知，當切削條件為ap=0.8mm、f=0.3mm/r、v=135m/min時，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)，可見涂層硬質合金刀具的切削力明顯低于未涂層刀具。國外研究職員的試驗結果也得出涂層硬質合金刀具與未涂層硬質合金刀具相比具有較小的切削力。涂層硬質合金刀具的切削力比硬質合金的切削力小，主要原因是涂層刀具的涂層材料與工件材料的摩擦系數比硬質合金與工件材料的摩擦系數要小，這可以從下列推導中得到證實。
根據麥錢特的切削力學模型，刀具前刀面上作用著摩擦力Ff與法向力Fn，其協力為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
在本試驗中已知刀具前角γ0，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β的大小。試驗中求得FX和FZ比值的均勻值:硬質合金刀具為0.48、TiCN涂層刀具為0.40、TiN涂層硬質合金刀具為0.34，根據式(1)，三種刀具與工件的摩擦角由大到小依次是硬質合金刀具、TiCN涂層刀具、TiN涂層刀具。這與試驗中測定的材料摩擦系數是相同的。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，當刀具摩擦角β變小時，剪切角?就變大。根據以上討論，可以得出三種刀具在切削時的剪切角由大到小依次是:TiN涂層刀具、TiCN涂層刀具、硬質合金刀具。對于同一種材料來說，其剪切強度τ是一定值，因此剪切角大，剪切面反而小，所需切削力就小。
采用單因素法進行切削試驗并對試驗中測得的切削力數據做進一步地處理，得到采用不同切削參數時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，涂層硬質合金刀具的切削力隨進給量f、切削深度ap及切削速度v的變化規律與未涂層硬質合金刀具切削力的變化趨勢基本相同，即隨著進給量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，是由于當進給量f和切削深度ap增加時，切削面積相應增加，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，摩擦系數減小，剪切角增大，由中山一雄切削力理論可推導出三向切削力減小。
無論在何種切削條件下，涂層硬質合金刀具的切削力都低于未涂層硬質合金刀具的切削力，證實涂層硬質合金刀具在切削中所需切削力比未涂層硬質合金刀具在切削中所需切削力小。
五結論
切削試驗證實:在切削加工過程中，應用物理氣相沉積涂層技術(PVD)的硬質合金刀具的切削力隨進給量f、切削深度ap、切削速度v的變化規律與未涂層硬質合金刀具切削力的變化規律是相同的，但涂層硬質合金刀具的切削力明顯小于未涂層硬質合金刀具的切削力：根據切削試驗的結果，牌號為ZP25的硬質合金刀具和以ZP25為基體、分別采用PVD方法涂復TiN和TiCN涂層的硬質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不同。
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