不同涂层刀具切削淬硬H13钢加工性能研究

　　H13钢可以作为热作模具钢，能够用于制造载荷较大的锻模、热挤压模、合金材料的压铸模、有色金属压铸模和要求较精密的塑料模等。从切削角度看，H13钢导热系数较小，工件散热性较差，在切削中会产生热量，引起刀具切削时温度快速升高，较高的工作温度会导致刀具工作时强度明显下降，进而缩短刀具使用寿命。

　　硬态切削是把淬火钢零件车削过程作为最后工序进行加工处理，且在切削加工中不添加使用任何切削液，涂层材料被涂覆在刀具基体上并与基体紧密结合在一起，有效提高刀具耐磨性和切削性能，并保持刀具基体自身的韧性，改善刀—屑之间的摩擦，有效延长刀具寿命。

　　PVD(物理气相沉积)和CVD(化学气相沉积)两种方法是常用的涂层刀具制造工艺。TiAlN、TiN、Al2O3等涂层刀具常用来切削淬硬模具钢，它们虽然较PCBN和陶瓷硬度较低、热稳定性较差，但硬质合金的强度和断裂韧性很高，适用于淬硬H13钢的切削加工。Sasahara等使用涂层刀具进行了硬切削45钢的表面完整性的研究，分析了切削参数对加工表面磨损、残余应力的影响。侯志刚等对TP1000涂层刀片车削淬硬45钢和淬硬T10A钢进行了切削试验，得出TP1000车削淬硬45钢时主要磨损机理为磨料磨损以及氧化磨损，而破损机理主要是涂层的剥落。

　　为研究不同涂层刀具切削H13钢的切削性能，进行三种涂层刀具车削加工淬硬H13钢的试验，通过对三种刀具涂层材料切削力、切削温度、刀具磨损以及刀具寿命的对比研究分析，揭示不同种涂层材料刀具车削淬硬H13钢的特性，为实践生产中涂层刀具切削加工H13钢提供理论基础和试验依据。

　　1 试验方案

　　切削试验所用涂层刀具分别是多层Ti化合物涂层、TiAlN涂层以及MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层。三种刀具的型号均为SNMG120408，其几何参数相同。试验用机床为普通车床CA6140(最大转速1400r/min，功率7.5kW)。试件材料为淬硬H13钢(硬度47-52HRC，主要成分见表1)，室温下的力学性能如表2所示。

　　表1 淬硬H13钢的主要化学成分(%)

　　表2 室温下H13钢的物理力学性能

　　图1为切削示意图，采用Kistler9129AA三向动态测力仪测量切削力，刚度高、采样频率高、受温度影响较小。采用FLIR红外热像仪测量切削温度，装置感温性能好，能进行非接触测量，携带使用方便。用FLIR热像仪测量并记录每次试验的切削温度，并对试验数据进行分析。试验后采用超景深显微镜进行观察分析磨损的三种涂层刀具。

　　图1 切削试验示意图

　　分别采用5种不同的切削速度进行干切削试验。切削参数为：切削速度v=30.8m/min、61.2m/min、96.4m/min、124.1m/min、154.2m/min，切削深度ap=0.2mm，进给量f=0.102mm/r。采用Kistler 9129AA三向动态测力仪和FLIR红外热像仪测量切削中稳定切削时的切削力以及切削温度。

　　2 试验结果分析

　　(1)切削力分析

　　分别用MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层、TiAlN涂层以及多层Ti化合物涂层材料刀具对淬硬H13钢进行干切削，三向切削力的变化如图2所示。

　　(a)主切削力的变化

　　(b)径向力的变化

　　(c)轴向力的变化

　　1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层 2.TiAlN涂层 3.Ti化合物涂层

　　图2 涂层材料对切削力的影响

　　在整个切削过程中，三个方向上的切削力都呈上升趋势，主切削力随切削速度的变化趋势先减小后增大。这是由于低速干切削时，刀具刀尖部分会产生积屑瘤，导致涂层刀具实际工作前角增大，切削变形减小从而切削力减小;当提高切削速度时，积屑瘤逐渐磨灭消失，切削力开始逐渐增大。轴向力的变化趋势是先增大后减小，原因是当切削速度较低时，工件表面粗糙度较高，残留的金属对刀具后刀面产生挤压，抵消了一部分的受力，使轴向力开始的时候较小。切削速度逐渐增大后，工件表面质量会慢慢变好，表面逐渐光滑，残留的金属减小了刀具后刀面的挤压力，轴向力逐渐增大。

　　三种涂层刀具的径向力随速度增大上升趋势很明显，多层Ti化合物涂层刀具增大最为突出。不同涂层刀具切削时受到的切削力不同，多层Ti化合物涂层刀具受到三个方向的切削力比其它两种涂层的刀具都大，而TiAlN涂层刀具受到的切削力相对较小。这是因为TiAlN涂层刀具表面的涂层材料的减磨和润滑作用优于其它两种涂层刀具。MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具与TiAlN涂层刀具主切削力和径向力这两个方向的力相差不大，但MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具大于TiAlN涂层刀具的轴向力。

　　(2)切削温度分析

　　切削试验中，采用FLIR红外热像仪测量切削温度(见图3)，获取稳定切削时的切削温度场，但测量效果会受到粉尘、切屑等因素的影响。设置红外热像仪的红外发射率为0.85。

　　图3 热像仪图像

　　切削速度v对三种涂层刀具切削温度的影响规律如图4所示。由于切削速度的提高，切削温度逐渐上升。切削速度增大了，刀—屑间接触面的摩擦就会增加，大量的摩擦热会随之产生，热量在短时间内难以扩散出去使切削温度升高。切削速度变大，温度随之升高，但不同涂层刀具的切削温度也有所区别，相同切削速度时多层Ti化合物涂层刀具的切削温度最高，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具次之，而且随着切削速度增大切削温度上升的趋势稳定，用TiAlN涂层刀具切削工件时切削温度最低。

　　TiAlN涂层刀具表面的涂层材料的减磨和润滑作用优于其它两种涂层刀具。TiAlN涂层材料明显降低了刀具与切屑接触面间的摩擦，使刀—屑间接触面和后刀面与工件间的摩擦系数较小，摩擦热产生相对较少，使刀具切削温度较低。

　　1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层 2.TiAlN涂层 3.Ti化合物涂层

　　图4 涂层材料对切削温度的影响

　　(3)刀具磨损分析

　　淬硬H13钢工件材料较难加工，切削过程中刀具后刀面会产生磨损。采用三种不同的涂层刀具，切削用量v=96.4m/min、ap=0.2mm、fz=0.102mm/r，切削H13 钢200m、500m、700m时的刀具后刀面的磨损形貌见图5。其中，图5a、图5b、图5c是多层Ti化合物涂层刀具切削200m、500m、700m刀具后刀面的磨损形貌;图5d、图5e、图5f是TiAlN涂层刀具切削200m、500m、700m刀具后刀面的磨损形貌;图5g、图5h、图5i是MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具切削200m、500m、700m刀具后刀面的磨损形貌。

　　超景深三维显微系统下观察的三种涂层刀具后刀面磨损形貌对比

　　涂层刀具后刀面与加工表面接触，在接触区发生严重摩擦，刀尖部位出现微崩刃和后刀面出现磨粒磨损是由于后刀面接触区的较高接触压力和摩擦温度。涂层刀具切削刃附近涂层出现剥落，磨损从涂层破坏开始，涂层在机械应力和热应力的共同作用下就会开始剥落。涂层剥落后切屑和工件与基体材料直接接触，温度迅速升高，刀具表面硬度明显降低，刀具磨损加快。在相同的切削参数和切削路程下，多层Ti化合物涂层刀具受到的切削力、切削温度最高，磨损也最严重。MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具和TiAlN涂层刀具磨损主要是涂层剥落。从刀具寿命趋势明显可以看出，涂层刀具涂层剥落后刀具的磨损明显加快。

　　MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层材料刀具比多层Ti化合物涂层刀具寿命提高了30%。TiAlN涂层刀具切削寿命最长，比多层Ti化合物涂层刀具寿命提高了45%。相比其它两种涂层刀具，TiAlN涂层刀具更适合切削淬硬H13钢。三种涂层刀具后刀面磨损量随切削路程的变化见图6。

　　1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层 2.TiAlN涂层 3.Ti化合物涂层

　　三种涂层刀具后刀面磨损量随切削路程的变化

　　小结

　　(1)不同涂层刀具切削时所受切削力不同，变化趋势也有所区别。多层Ti化合物涂层刀具受到三个方向的切削力都大于其它两种涂层刀具，而TiAlN涂层刀具受到的切削力相对较小。

　　(2)随着切削速度增大，切削温度明显升高，不同涂层刀具的切削温度也有所区别，多层Ti化合物涂层刀具切削时的温度最高，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具受到的切削温度低于多层Ti化合物涂层刀具，用TiAlN涂层刀具切削时温度最低。

　　(3)在相同的切削参数和切削条件下，多层Ti化合物涂层刀具的磨损最为严重，刀尖处出现微崩刃，后刀面有明显的磨粒磨损。MT-TiCN厚Al2O3 TiN涂层刀具和TiAlN涂层刀具出现了后刀面的磨粒磨损和涂层脱落。

　　(4)多层Ti化合物涂层刀具磨损最为严重，在三种刀具中寿命最短，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层材料刀具比多层Ti化合物涂层刀具寿命提高30%。TiAlN涂层刀具切削寿命最长，比多层Ti化合物寿命高45%，三种涂层刀具中，TiAlN涂层刀具最适合切削淬硬H13钢。