H13鋼可以作為熱作模具鋼，能夠用于制造載荷較大的鍛模、熱擠壓模、合金材料的壓鑄模、有色金屬壓鑄模和要求較精密的塑料模等。從切削角度看，H13鋼導(dǎo)熱系數(shù)較小，工件散熱性較差，在切削中會產(chǎn)生熱量，引起刀具切削時溫度快速升高，較高的工作溫度會導(dǎo)致刀具工作時強(qiáng)度明顯下降，進(jìn)而縮短刀具使用壽命。
硬態(tài)切削是把淬火鋼零件車削過程作為最后工序進(jìn)行加工處理，且在切削加工中不添加使用任何切削液，涂層材料被涂覆在刀具基體上并與基體緊密結(jié)合在一起，有效提高刀具耐磨性和切削性能，并保持刀具基體自身的韌性，改善刀—屑之間的摩擦，有效延長刀具壽命。
PVD(物理氣相沉積)和CVD(化學(xué)氣相沉積)兩種方法是常用的涂層刀具制造工藝。TiAlN、TiN、Al2O3等涂層刀具常用來切削淬硬模具鋼，它們雖然較PCBN和陶瓷硬度較低、熱穩(wěn)定性較差，但硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和斷裂韌性很高，適用于淬硬H13鋼的切削加工。Sasahara等使用涂層刀具進(jìn)行了硬切削45鋼的表面完整性的研究，分析了切削參數(shù)對加工表面磨損、殘余應(yīng)力的影響。侯志剛等對TP1000涂層刀片車削淬硬45鋼和淬硬T10A鋼進(jìn)行了切削試驗(yàn)，得出TP1000車削淬硬45鋼時主要磨損機(jī)理為磨料磨損以及氧化磨損，而破損機(jī)理主要是涂層的剝落。
為研究不同涂層刀具切削H13鋼的切削性能，進(jìn)行三種涂層刀具車削加工淬硬H13鋼的試驗(yàn)，通過對三種刀具涂層材料切削力、切削溫度、刀具磨損以及刀具壽命的對比研究分析，揭示不同種涂層材料刀具車削淬硬H13鋼的特性，為實(shí)踐生產(chǎn)中涂層刀具切削加工H13鋼提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。
1 試驗(yàn)方案
切削試驗(yàn)所用涂層刀具分別是多層Ti化合物涂層、TiAlN涂層以及MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層。三種刀具的型號均為SNMG，其幾何參數(shù)相同。試驗(yàn)用機(jī)床為普通車床CA6140(最大轉(zhuǎn)速1400r/min，功率7.5kW)。試件材料為淬硬H13鋼(硬度47-52HRC，主要成分見表1)，室溫下的力學(xué)性能如表2所示。
表1 淬硬H13鋼的主要化學(xué)成分(%)
表2 室溫下H13鋼的物理力學(xué)性能
圖1為切削示意圖，采用Kistler9129AA三向動態(tài)測力儀測量切削力，剛度高、采樣頻率高、受溫度影響較小。采用FLIR紅外熱像儀測量切削溫度，裝置感溫性能好，能進(jìn)行非接觸測量，攜帶使用方便。用FLIR熱像儀測量并記錄每次試驗(yàn)的切削溫度，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)后采用超景深顯微鏡進(jìn)行觀察分析磨損的三種涂層刀具。
圖1 切削試驗(yàn)示意圖
分別采用5種不同的切削速度進(jìn)行干切削試驗(yàn)。切削參數(shù)為：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，進(jìn)給量f=0.102mm/r。采用Kistler 9129AA三向動態(tài)測力儀和FLIR紅外熱像儀測量切削中穩(wěn)定切削時的切削力以及切削溫度。
2 試驗(yàn)結(jié)果分析
(1)切削力分析
分別用MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層、TiAlN涂層以及多層Ti化合物涂層材料刀具對淬硬H13鋼進(jìn)行干切削，三向切削力的變化如圖2所示。
(a)主切削力的變化
(b)徑向力的變化
(c)軸向力的變化
1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層 2.TiAlN涂層 3.Ti化合物涂層
圖2 涂層材料對切削力的影響
在整個切削過程中，三個方向上的切削力都呈上升趨勢，主切削力隨切削速度的變化趨勢先減小后增大。這是由于低速干切削時，刀具刀尖部分會產(chǎn)生積屑瘤，導(dǎo)致涂層刀具實(shí)際工作前角增大，切削變形減小從而切削力減??；當(dāng)提高切削速度時，積屑瘤逐漸磨滅消失，切削力開始逐漸增大。軸向力的變化趨勢是先增大后減小，原因是當(dāng)切削速度較低時，工件表面粗糙度較高，殘留的金屬對刀具后刀面產(chǎn)生擠壓，抵消了一部分的受力，使軸向力開始的時候較小。切削速度逐漸增大后，工件表面質(zhì)量會慢慢變好，表面逐漸光滑，殘留的金屬減小了刀具后刀面的擠壓力，軸向力逐漸增大。
三種涂層刀具的徑向力隨速度增大上升趨勢很明顯，多層Ti化合物涂層刀具增大最為突出。不同涂層刀具切削時受到的切削力不同，多層Ti化合物涂層刀具受到三個方向的切削力比其它兩種涂層的刀具都大，而TiAlN涂層刀具受到的切削力相對較小。這是因?yàn)門iAlN涂層刀具表面的涂層材料的減磨和潤滑作用優(yōu)于其它兩種涂層刀具。MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具與TiAlN涂層刀具主切削力和徑向力這兩個方向的力相差不大，但MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具大于TiAlN涂層刀具的軸向力。
(2)切削溫度分析
切削試驗(yàn)中，采用FLIR紅外熱像儀測量切削溫度(見圖3)，獲取穩(wěn)定切削時的切削溫度場，但測量效果會受到粉塵、切屑等因素的影響。設(shè)置紅外熱像儀的紅外發(fā)射率為0.85。
圖3 熱像儀圖像
切削速度v對三種涂層刀具切削溫度的影響規(guī)律如圖4所示。由于切削速度的提高，切削溫度逐漸上升。切削速度增大了，刀—屑間接觸面的摩擦就會增加，大量的摩擦熱會隨之產(chǎn)生，熱量在短時間內(nèi)難以擴(kuò)散出去使切削溫度升高。切削速度變大，溫度隨之升高，但不同涂層刀具的切削溫度也有所區(qū)別，相同切削速度時多層Ti化合物涂層刀具的切削溫度最高，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具次之，而且隨著切削速度增大切削溫度上升的趨勢穩(wěn)定，用TiAlN涂層刀具切削工件時切削溫度最低。
TiAlN涂層刀具表面的涂層材料的減磨和潤滑作用優(yōu)于其它兩種涂層刀具。TiAlN涂層材料明顯降低了刀具與切屑接觸面間的摩擦，使刀—屑間接觸面和后刀面與工件間的摩擦系數(shù)較小，摩擦熱產(chǎn)生相對較少，使刀具切削溫度較低。
1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層 2.TiAlN涂層 3.Ti化合物涂層
圖4 涂層材料對切削溫度的影響
(3)刀具磨損分析
淬硬H13鋼工件材料較難加工，切削過程中刀具后刀面會產(chǎn)生磨損。采用三種不同的涂層刀具，切削用量v=96.4m/min、ap=0.2mm、fz=0.102mm/r，切削H13 鋼200m、500m、700m時的刀具后刀面的磨損形貌見圖5。其中，圖5a、圖5b、圖5c是多層Ti化合物涂層刀具切削200m、500m、700m刀具后刀面的磨損形貌；圖5d、圖5e、圖5f是TiAlN涂層刀具切削200m、500m、700m刀具后刀面的磨損形貌；圖5g、圖5h、圖5i是MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具切削200m、500m、700m刀具后刀面的磨損形貌。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
圖5 超景深三維顯微系統(tǒng)下觀察的三種涂層刀具后刀面磨損形貌對比
涂層刀具后刀面與加工表面接觸，在接觸區(qū)發(fā)生嚴(yán)重摩擦，刀尖部位出現(xiàn)微崩刃和后刀面出現(xiàn)磨粒磨損是由于后刀面接觸區(qū)的較高接觸壓力和摩擦溫度。涂層刀具切削刃附近涂層出現(xiàn)剝落，磨損從涂層破壞開始，涂層在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用下就會開始剝落。涂層剝落后切屑和工件與基體材料直接接觸，溫度迅速升高，刀具表面硬度明顯降低，刀具磨損加快。在相同的切削參數(shù)和切削路程下，多層Ti化合物涂層刀具受到的切削力、切削溫度最高，磨損也最嚴(yán)重。MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具和TiAlN涂層刀具磨損主要是涂層剝落。從刀具壽命趨勢明顯可以看出，涂層刀具涂層剝落后刀具的磨損明顯加快。
MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層材料刀具比多層Ti化合物涂層刀具壽命提高了30%。TiAlN涂層刀具切削壽命最長，比多層Ti化合物涂層刀具壽命提高了45%。相比其它兩種涂層刀具，TiAlN涂層刀具更適合切削淬硬H13鋼。三種涂層刀具后刀面磨損量隨切削路程的變化見圖6。
1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層 2.TiAlN涂層 3.Ti化合物涂層
圖6 三種涂層刀具后刀面磨損量隨切削路程的變化
小結(jié)
(1)不同涂層刀具切削時所受切削力不同，變化趨勢也有所區(qū)別。多層Ti化合物涂層刀具受到三個方向的切削力都大于其它兩種涂層刀具，而TiAlN涂層刀具受到的切削力相對較小。
(2)隨著切削速度增大，切削溫度明顯升高，不同涂層刀具的切削溫度也有所區(qū)別，多層Ti化合物涂層刀具切削時的溫度最高，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具受到的切削溫度低于多層Ti化合物涂層刀具，用TiAlN涂層刀具切削時溫度最低。
(3)在相同的切削參數(shù)和切削條件下，多層Ti化合物涂層刀具的磨損最為嚴(yán)重，刀尖處出現(xiàn)微崩刃，后刀面有明顯的磨粒磨損。MT-TiCN厚Al2O3 TiN涂層刀具和TiAlN涂層刀具出現(xiàn)了后刀面的磨粒磨損和涂層脫落。
(4)多層Ti化合物涂層刀具磨損最為嚴(yán)重，在三種刀具中壽命最短，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層材料刀具比多層Ti化合物涂層刀具壽命提高30%。TiAlN涂層刀具切削壽命最長，比多層Ti化合物壽命高45%，三種涂層刀具中，TiAlN涂層刀具最適合切削淬硬H13鋼。
