不同涂層刀具銑削退火H13鋼加工性能研究

王 琰，趙中華，胡天宇

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600）

0 引言

H13鋼（4Cr5MoSiV1鋼）是一種綜合性能優(yōu)良且應(yīng)用廣泛的熱作模具鋼，具有高的淬透性和韌性、優(yōu)良抗熱裂能力和中等的抗磨損能力，在高溫下具有抗軟化能力，經(jīng)過熱處理后變形較小，廣泛應(yīng)用于制作各種熱鍛模、熱擠壓模、有色金屬壓鑄模和塑料模等[1]。退火后的H13鋼硬度為22～23HRC左右，退火能夠使材料有較好的高溫強(qiáng)度和韌性，作為熱作模具鋼，需要與高溫金屬溶液接觸，H13鋼應(yīng)有較高的抗熱裂紋、抗整體開裂能力[2,3]。長期以來，人們一直采用銑削-磨削或者銑削-EDM（Electrical Discharge Machining）的方法實(shí)現(xiàn)對模具的加工，較低的材料去除率以及相對較差的表面完整性使磨削或EDM的應(yīng)用范圍受到限制[4]。隨著超硬刀具材料、涂層技術(shù)、高性能機(jī)床和CAD/CAM技術(shù)的快速發(fā)展，高速切削技術(shù)從最初的航空領(lǐng)域擴(kuò)展到了模具行業(yè)，并逐步發(fā)展成為硬態(tài)銑削技術(shù)，基本是對處于淬硬狀態(tài)的模具鋼進(jìn)行高速切削加工。刀具材料從最初的PCBN發(fā)展到超細(xì)硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、金屬陶瓷刀具、CBN刀具等[5,6]。目前，國內(nèi)外圍繞微細(xì)機(jī)械加工的切削機(jī)理，在尺度效應(yīng)、最小切削厚度、微切屑形態(tài)生成及切削力建模、表面質(zhì)量方面展開了大量的研究，并取得了一定的進(jìn)展[7,8]。試驗(yàn)采用不加任何冷卻液的干銑削方式[9]，采用涂層硬質(zhì)合金刀具，有利于提高刀具本體的耐高溫能力，減少刀具的磨損，提高刀具的切削能力。

為了研究不同涂層刀具對于退火H13鋼的銑削加工性能，對三種Ti化物涂層刀具進(jìn)行試驗(yàn)，通過分析在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的三向切削力、切屑形態(tài)以及刀具磨損情況，得到不同涂層刀具對銑削退火H13鋼的特性，為實(shí)際加工生產(chǎn)中，涂層刀具銑削H13鋼提供理論的基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用的刀具涂層分別為TiC涂層、TiN涂層以及TiAlN涂層。三種刀具均為直徑10mm的標(biāo)準(zhǔn)刀具，試驗(yàn)采用的機(jī)床為精湛機(jī)具（上海）有限公司生產(chǎn)的PMC-10V20立式加工中心，該加工中心配有FANUC-21M系統(tǒng)。試驗(yàn)材料為退火H13鋼，主要成分如表1所示，H13鋼材料屬性如表2所示。

表1 H13鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 H13鋼材料屬性

試驗(yàn)中采用的測力系統(tǒng)主要包括三個部分，分別是KISTLER9272測力儀（采樣頻率100Hz～10KHz）、電荷放大器以及數(shù)據(jù)采集器。服務(wù)器裝有ManuWare和HRsoft_DW軟件，分別對測力儀進(jìn)行配置和在試驗(yàn)過程中對切削力采集與分析，主要進(jìn)行單因素試驗(yàn)，采用的切削參數(shù)為：n=800rpm，fz=0.025mm/z，ap=0.6mm。對試驗(yàn)后產(chǎn)生的切屑進(jìn)行采集，最后將切屑與各涂層刀具放在顯微鏡下進(jìn)行觀察分析。測力系統(tǒng)與機(jī)床和服務(wù)器的連接使用順序如圖1所示。

圖1 測力系統(tǒng)流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 切削力分析

使用TiC涂層、TiN涂層以及TiAlN涂層刀具對退火后的H13鋼進(jìn)行銑削加工，在銑削過程中不加入任何類型的冷卻液，使用KISTLER9272測力儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，直接將待加工的工件材料裝夾在測力儀上，在銑削過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，選取切削過程較為平穩(wěn)的階段，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同涂層刀具對應(yīng)的三向切削力變化如圖2所示。

圖2 主切削力圖

圖3 徑向力圖

圖4 軸向力圖

在整個銑削過程中，每種涂層的主切削力都是最大的，其次是徑向力，軸向力最小。三種涂層在同一切削參數(shù)下的銑削過程中，TiAlN涂層刀具的主切削力、徑向力以及軸向力都是最小的，TiN涂層的軸向力比TiC涂層的軸向力稍大一些，但對結(jié)果分析并沒有太大影響。從切削力來看，TiAlN涂層刀具的切削性能是最好的，其次是TiN涂層刀具，切削力最大的是TiC涂層刀具。

2.2 切屑分析

采用同一組切削參數(shù)，一把刀具完成一次走刀以后，對切屑進(jìn)行收集。采用睿鴻電子目鏡RR500，在電腦上安裝看圖軟件，顯微鏡中觀察到的圖像便能在電腦屏幕上進(jìn)行顯示，根據(jù)切屑的大小不同，為了將其在整個視野內(nèi)清晰地顯示出來，對每種切屑的放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。其中，圖6放大倍數(shù)最大，其次是圖7，放大倍數(shù)最小的是圖5。

圖5 TiAlN涂層刀具切屑

圖6 TiC涂層刀具切屑

圖7 TiN涂層刀具切屑

TiAlN涂層刀具切屑多數(shù)呈現(xiàn)細(xì)長的卷曲形狀，而且?guī)钋行嫉拈L度適中，有較好切削加工性能，加工后的表面質(zhì)量良好，切屑內(nèi)表面相對光滑，外表面呈現(xiàn)毛茸狀。切削過程較為平穩(wěn)，切削力總體來說比較平穩(wěn)。TiC涂層刀具切屑整體較細(xì)碎，外表面有明顯的擠壓堆積的紋路，切屑邊緣有裂口，內(nèi)表面呈現(xiàn)出細(xì)微的裂紋。TiN涂層刀具切屑相較于TiC涂層刀具切屑較長一些，并呈現(xiàn)半圓狀態(tài)，切屑內(nèi)表面較為光亮，外表面有明顯的堆積紋路，切屑的邊緣部分有毛刺，加工性能比TiAlN涂層刀具略次一些。

2.3 刀具磨損分析

金屬的切削過程實(shí)質(zhì)是金屬材料受到刀具的擠壓和切割后發(fā)生彈性和塑性變形，從而使金屬材料發(fā)生脫離的過程。刀具高速旋轉(zhuǎn)且相對工件運(yùn)動，產(chǎn)生機(jī)械力與大量的切削熱。退火后H13鋼工件材料相比于淬火后的硬度小，切削加工較為容易些，在切削的過程中刀尖和刀具的后刀面仍有不同程度的磨損，實(shí)驗(yàn)參數(shù)采用：切削用量n=800rpm，fz=0.025mm/z，ap=0.6mm，切削退火后H13鋼的三種涂層刀具的刀尖與后刀面磨損形貌如圖8～圖10所示。

圖8 TiAlN涂層刀具

圖9 TiC涂層刀具

圖10 TiN涂層刀具

涂層刀具的后刀面與加工工件表面直接接觸，在高速旋轉(zhuǎn)摩擦過程中，刀尖會出現(xiàn)崩刃的現(xiàn)象，同時(shí)后刀面會出現(xiàn)不用程度的磨損。由上圖可以看出，由于涂層在切削機(jī)械應(yīng)力與摩擦產(chǎn)生的熱應(yīng)力的共同作用下，都產(chǎn)生了剝落。刀具本體失去涂層的保護(hù)，硬度明顯下降，刀具磨損就會加劇。盡管單一的TiC涂層刀具硬度很高，但其與基體的結(jié)合力較弱[10]，脆性大而且容易脫落，在切削過程中后刀面大面積出現(xiàn)磨損，涂層劃傷嚴(yán)重，直接影響切削加工性能；TiN涂層刀具硬度比TiC涂層硬度低一些，由于TiN與基體的結(jié)合力較大，涂層大面積剝落的現(xiàn)象較少，由于硬度較低，后刀面有點(diǎn)狀凹坑，刀尖出現(xiàn)嚴(yán)重的崩刃現(xiàn)象；TiAlN涂層刀具是結(jié)合了上述兩種涂層刀具的優(yōu)勢，既具有TiC涂層刀具的高硬度和高耐磨性，又具有TiN涂層與基體的強(qiáng)結(jié)合力，其抗氧化能力以及化學(xué)穩(wěn)定性好，雖然刀尖和后刀面涂層也出現(xiàn)崩刃和磨損，相較于單涂層的兩種刀具來說，損傷是最小的，該涂層比較適合用于高速切削以及干切削。

3 結(jié)束語

1）不同涂層刀具在切削過程中受到的三向切削力一般是不同的，在三向切削力中，F(xiàn)y方向的力是最大的，其次是Fx方向的力，軸向力在切削整個過程中基本屬于穩(wěn)定持平的狀態(tài)，對切削性能與工件加工質(zhì)量影響較小，TiAlN涂層刀具相比于另外兩種單涂層刀具，三向切削力都是最小的。

2）在相同的切削參數(shù)下，不同涂層刀具切削退火H13鋼產(chǎn)生不同形態(tài)的切屑，TiAlN涂層刀具產(chǎn)生的切屑大多為長度適中的卷曲切屑，內(nèi)表面較為光滑，切削性能較好，TiC涂層刀具切屑比TiN涂層刀具切削細(xì)碎，且內(nèi)表面有細(xì)微的裂痕出現(xiàn)，外表面堆積紋路較多。

3）銑削過程中沒有加入任何冷卻液，采用相同切削參數(shù)，TiAlN涂層刀具刀尖崩刃，但涂層表面整體較為完整，少有大面積涂層磨損和劃傷，后刀面未產(chǎn)生大量的點(diǎn)狀凹坑，刀具磨損量相對較小。

4）TiC涂層硬度較大，但由于涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度不夠，在切削過程中容易剝落，且后刀面出現(xiàn)大面積的損傷，TiN涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較大，但其硬度不夠，涂層表面出現(xiàn)大面積的點(diǎn)狀凹坑，且刀尖崩刃嚴(yán)重，TiAlN涂層刀具結(jié)合上述兩種涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)，刀具壽命最長，約為TiN涂層刀具壽命的3～4倍，在這三種涂層道具中，TiAlN涂層刀具最適合銑削退火H13鋼。