PVD涂层刀具的切削性能研究

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目前，可转位涂层硬质合金刀具在机械加工中，特别是在数控机床(NC)、加工中心(MC)及柔性制造系统(FMS)中得到了广泛的应用。由于涂层刀片具有较高硬度和耐磨性、耐热性好、化学稳定性好和磨擦系数低等优点，所以不仅解决了许多难加工材料的切削问题，有效提高了刀具耐用度，而且大大提高了切削效率。

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1  PVD涂层技术

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采用等离子体增强磁控溅射离子镀涂层技术，对硬质合金刀片进行涂层，涂层材料为氮化钛(TiN)，涂层厚度为3～4μm。

1. TiN的性质
   TiN颜色为金色，面心立方晶格，熔点为2950℃，其静磨擦系数为0.13～0.15,动磨擦系数为0.05～0.10,热膨胀系数为9.35×10-6/℃。在大多数酸、碱中不溶解，在350～400℃空气中不氧化，TiN无毒性。
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2. TiN涂层工艺
   利用CLDA-700磁控溅射离子镀设备在硬质合金刀片上沉积TiN，保持其它参数不变，只改变氮分压。具体工艺为：硬质合金刀片在镀膜室内溅射清洗5min后开始沉积TiN,活化源功率2.5kW,靶功率10kW,基片负偏压200V,极间距240mm,镀膜室温度500℃。保持其它参数不变，使氮分压值分别为0.9×10-2、2.4×10-2、4.5×10-2、6.0×10-2和8.6×10-2Pa沉积时间,60min。其结果，随着氮分压增加，膜层相组成朝着富氮相方向发展，变化趋势为：aTi→(aTi+Ti2N)→(Ti2N+TiN)→TiN.由Ti2N和TiN两相组成的膜硬度最高，为HK2500kg/mm2。氮分压对膜层硬度的影响，主要是由氮分压不同使膜层的相组成不同而引起的。

2 试验分析

1. PVD涂层对硬质合金刀具的切削力影响
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   1. 刀具的选择
      选用A、V和H型断屑槽(GB2076-87)的可转位刀片(参见图1所示)，精磨周边和底面后，将一部分进行PVD涂层，刀片材料YT15,U级精度。
      ) i; _ C |9 u8 h9 A) \: G9 o( t5 f+ c H9 {( `- t) m: P& |, J9 s) J0 X8 V" I5 I2 y* d# W+ \3 x# ~1 D) `

      (a)SNUM150608-A4	(b)SNUM150608-V4	(c)SNUM150608-H4
      图1正方形A、V、H形槽刀片

   2. 试验方法及结果
      试验在大连机床厂生产的C620-3型普通车床上进行，外圆干式切削，工件材料为45钢，退火状态。根据主偏角的要求，选择可转位车刀刀杆符合GB5343.2-85标准。切削力的测量选用瑞士产的新型Kistler压电式测力仪(型号为9257B)以及配套的电荷放大器，SC16光线示波器记录仪。对试验用三种断屑槽形，分别改变切削深度ap,切削速度v,进给量f,用接触图形法测量切削区的刀-屑接触长度，对切削力进行测量，试验结果如图2所示。
      0 K. j$ U8 ]. D" E" u+ U8 `" p! q( o+ O" j! J9 S6 Q' o$ ]/ Y: J+ h/ {' A! E- ]! p2 a0 G! H' @: B" _

      (a)kr=75°，SNUM150608-A4刀片

      (b)kr=75°，SNUM150608-V4刀片

      (c)kr=75°，SNUM150608-H4刀片 (工件材料：45钢，—未涂层，----PVD涂层) 图2PVD涂层与未涂层刀具的切削力比较

   3. 试验结果分析 0 t! F9 F' k% f) R! i" b+ d0 D2 a9 p
      1. PVD涂层刀具的切屑变形系数x与未涂层刀具相比明显减小，减小幅度约为10～25%。x减小，切屑厚度减小，切屑自然卷曲半径增大，这一点对切屑的折断是不利的。
      2. PVD涂层后刀-屑接触长度lf与未涂层刀具相比也有明显缩短，说明涂层以后刀具和切屑之间的磨擦系数减小。 , u6 U, A! _% t7 n. P3 U7 }
      3. 加工时切屑呈浅棕色，变形区薄，这表明涂层刀具的切削温度低于未涂层刀具，刀具耐用度提高。 2 }! J8 K0 \# T: F
      4. PVD涂层刀具的切削力比未涂层刀具切削力略有下降，其中进给方向的切削力下降比较明显。
      5. 选择不同的二维槽形(直线圆弧形，全圆弧形，折线形)，其切削力基本没有变化。
   * [$ l, b7 g' }2 Z0 B$ J
2. PVD涂层对刀具断屑性能的影响
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   1. 试验条件与方法
      断屑试验方法符合专业规范要求。工件材料直径大于70mm,采用的切削速度为：未涂层刀片切削45钢，v=130m/min,PVD涂层刀具切削45钢，v=180m/min,其他条件同上。试验得到的断屑范围曲线如图3所示。
      $ c" \5 ^& q) {8 N. [) h" p1 v- W! Z; x1 _+ F$ w$ J7 n( a% i7 o8 S* l b% O' P* E! G1 H; k; U# B7 s% L1 L# O

      (a)SNUM150608-A4	(b)SNUM150608-V4	(c)SNUM150608-H4
      —未涂层，v=130m/min;----PVD涂层，v=180m/min;—.—PVD涂层，v=130m/min 6 x: @1 ^0 R4 B6 V' g 图3 PVD涂层与未涂层刀片断屑范围的比较(45钢)

   2. 试验结果分析 2 r; }# n) Z4 l+ G8 l' i
      PVD涂层以后，尽管切削速度明显提高，但断屑范围并没有明显变化。这与通常人们认为无断屑槽刀具随着切削速度提高会使切屑难以折断，断屑范围明显减小的观点是不一致的。的有以下几方面的原因可解释这一问题： ' j, Y0 q. |/ o: {0 i, r! Z2 }# B; s- v
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      1. 当切削速度较高时(v>100m/min)，切削力的变化幅度较小，不能引起切屑折断方式及屑形的变化，切屑的折断方式主要是由断屑槽形状及尺寸、切深、进给量以及工件材料特性所确定的。后刀面障碍型折断方式的最大应力εmax为
         * y- c2 `) p4 }; J* a l( q# B- B& c5 p2 z

         & O+ p5 W$ M. A7 \$ M* O! N" @% a& _/ S/ j+ v! L+ {: F4 q* s& |; r& P8 }8 q9 t; S* a" H2 [/ z4 R" f* D" ? T* o) |! B4 h1 {* {8 K% V: F5 |2 I. v' z( z3 } R- _( D7 t% {4 m' Q2 {2 Y# `) D% U- N9 @# v) e; p2 t5 z5 @ W5 U% l/ w' y7 @; M5 o# U5 K& F. K6 H0 d0 e0 ^3 n6 e emax= ach ( 1 - 1 ) 2 R0 RL

         (1)

         式中 ach为切屑厚度;R0为切屑的初始曲率半径;RL为折断前的最大曲率半径。 6 W$ Z# g! O7 F4 C- u) S ?" \7 Y
      2. 切削温度升高使切屑截面温度梯度增大，底层温度及热应变明显高于表层使切屑容易弯曲。
      3. 切削速度提高致使流屑速度提高，使卷曲的切屑碰撞障碍的冲击力明显增大；对于失稳甩断的切屑，流屑速度提高使失稳的切屑振动频率提高，振幅增大而容易甩断。计算切屑失稳的临界长度公式
         : e& |* |5 {- k' D5 V4 j+ [* L) p9 M0 r0 C) c

         . k! @. T4 e! f. t4 u4 K5 I+ z- J' E$ x4 S4 C @- C& j% l. E# |8 r' ]2 P ` J6 T' [( p8 r2 g' P- `; ^- I I3 A0 _$ X$ ~ U$ `2 @- s8 S/ r5 }6 [$ c; j8 @ L0=1.568( c )? rw2

         (2)

         式中c为螺旋屑的抗弯刚度；r为单位长度的切屑质量；w为螺旋屑的旋转角速度 & e7 Z6 n; E6 U& M
         高速切削产生的热塑剪切失稳使切屑易于在热塑剪切带折断。
      4. 对于二维平行槽刀片，其切屑折断的极限切深ad与刀尖圆弧半径re相当。当断屑槽型反屑壁一侧为直线形时，切屑屑型也为逐步过渡形成，即在一定切削深度下，随着进给量由小变大，切屑由不折断向折断过渡。
      5. A型断屑槽的断屑范围较大，在进给量f、切削深度ap较小时，应选择直线形断屑槽。

3 结论

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1. 采用磁控溅射离子镀技术沉积的Ti2N涂层硬度达HK2500kg/mm2,和TiN复合相，可提高硬质合金刀具耐用度1～4倍。 9 ]; g- G8 r M i& o. y
2. PVD涂层刀片切削45钢使切削力下降，特别是进给方向切削力下降较明显。 $ y8 u( B& ^8 F: t9 z. j
3. 选用PVD涂层，尽管切削速度明显提高(130～180m/min)但断屑范围并没有明显变化。
4. 可用未涂层刀片的断屑范围曲线指导涂层刀片的断屑槽型的合理选用，涂层刀片的槽型设计基本可依据未涂层刀片的有关规律。