H13鋼可作為熱模鋼，可用于制造負荷大的鍛造模具、熱擠壓模具、合金材料壓鑄模具、有色金屬壓鑄模具和精密塑料模具。從切割的角度來看，H13鋼導熱系數小，工件散熱性差，切割過程中會產生熱量，導致切割過程中溫度快速升高，工作溫度高會導致工具工作時強度明顯降低，從而縮短工具的使用壽命。
硬切削是將淬火鋼零件的切削過程作為最后一道工序，切削過程中不添加任何切削液。涂層材料涂在刀具基體上，與基體緊密結合，有效提高刀具的耐磨性和切削性能，保持刀具基體本身的韌性，改善刀屑之間的摩擦，有效延長刀具的使用壽命。
PVD(物理氣相沉積)和CVD(化學氣相沉積)兩種方法是常用的涂層工具制造工藝。TiAlN、TiN、Al2O3.涂層工具常用于切割淬硬模具鋼，雖然它們相對較好PCBN和陶瓷硬度較低、熱穩定性較差，但硬質合金的強度和斷裂韌性很高，適用于淬硬H13鋼的切割加工。Sasahara對45鋼表面完整性進行了研究，分析了切割參數對加工表面磨損和殘余應力的影響。侯志剛等對TP1000涂層刀片車削淬硬45鋼T10A鋼的切削試驗得出結論TP45鋼的主要磨損機制是磨料磨損和氧化磨損，損壞機制主要是涂層剝落。
研究不同涂層刀具的切割H13鋼的切削性能，三種涂層刀具的車削和硬化H通過對切削力、切削溫度、切削力、切削溫度、磨損和使用壽命的比較研究和分析，揭示了不同涂層材料的工具切削硬度H13鋼的特點是實際生產中涂層刀具的切割加工H13鋼提供理論基礎和試驗基礎。
1 試驗方案
用于切割試驗的涂層工具分別是多層Ti化合物涂層，TiAlN涂層以及MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層。三種刀具的型號都是SNMG，幾何參數相同。試驗機床是普通車床CA6140(最大轉速1400r/min，功率7.5kW)。硬化試件材料H13鋼(硬度47-52HRC，主要成分見表1)，室溫下的力學性能如表2所示。
表1 淬硬H13鋼的主要化學成分(%)
表2 室溫下H13鋼的物理力學性能
圖1為切削示意圖Kistler9129AA三向動態測力儀測量切削力，剛度高，采樣頻率高，受溫度影響小。FLIR紅外熱像儀測量切削溫度，裝置感溫性能好，能進行非接觸測量，攜帶使用方便。用FLIR熱像儀測量并記錄每次試驗的切割溫度，并分析試驗數據。試驗結束后，三種涂層工具用超景深顯微鏡觀察和分析磨損情況。
圖1 切削試驗示意圖
干切削試驗分別采用5種不同的切削速度。切削參數為：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，進給量f=0.102mm/r。采用Kistler 9129AA三向動態測力儀和FLIR在切削過程中，紅外熱像儀測量削力和切削溫度。
2 試驗結果分析
(1)切削力分析
分別用MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層、TiAlN涂層及多層Ti化合物涂層材料刀具用于淬硬H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，三個方向的切削力呈上升趨勢，隨著切削速度的變化，主切削力首先降低，然后增加。這是因為在低速干切削過程中，刀尖部分會產生碎屑腫瘤，導致涂層刀具實際工作前角增加，切削變形減小，切削力減小；當切削速度提高時，碎屑腫瘤逐漸消失，切削力開始逐漸增加。軸向力的變化趨勢是先增加后減少，因為當切削速度較低時，工件表面粗糙度較高，殘留金屬擠壓刀具后面的刀面，抵消部分力，使軸向力開始時較小。切削速度逐漸增加后，工件表面質量逐漸改善，表面逐漸光滑，殘留金屬減少刀具后面的擠壓力，軸向力逐漸增加。
隨著速度的增加，三種涂層工具的徑向力明顯上升，多層Ti化合物涂層工具的增加最為突出。不同涂層工具的切削力不同，多層Ti化合物涂層刀具比其他兩種涂層刀具有三個方向的切削力TiAlN涂層刀具受到的切削力相對較小。這是因為TiAlN涂層工具表面涂層材料的減磨和潤滑效果優于其他兩種涂層工具。MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具與TiAlN涂層刀具的主切削力和徑向力差別不大，但MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層工具大于TiAlN涂層工具的軸向力。
(2)切割溫度分析
采用切削試驗FLIR紅外熱像儀測量切割溫度（見圖3），以獲得穩定切割時的切割溫度場，但測量效果會受到粉塵、切屑等因素的影響。紅外熱像儀的紅外發射率為0.85。
圖3 熱像儀圖像
切削速度v對三種涂層工具切割溫度的影響規律如圖4所示。由于切割速度的提高，切割溫度逐漸上升。隨著切割速度的增加，刀片與芯片之間接觸面的摩擦會增加，產生大量的摩擦熱，熱量難以在短時間內擴散，提高切割溫度。切割速度增加，溫度升高，但不同涂層刀具的切割溫度也不同，多層切割速度相同Ti化合物涂層刀具切削溫度最高，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具次之，切削溫度上升趨勢穩定，切削速度增加TiAlN切割工件時，切割溫度最低。
TiAlN涂層工具表面涂層材料的減磨和潤滑效果優于其他兩種涂層工具。TiAlN涂層材料顯著減少了刀具與芯片接觸面之間的摩擦，使刀片與工件之間的摩擦系數較小，摩擦熱相對較少，使刀具的切割溫度較低。
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鋼工件材料難以加工，刀具后面的刀面在切割過程中會磨損。使用三種不同的涂層工具，切割量v=96.4m/min、ap=0.2mm、fz=0.102mm/r，切削H13 鋼200m、500m、700m刀具后面的磨損形狀見圖5。其中，圖5a、圖5b、圖5c是多層Ti化合物涂層刀具切割2000m、500m、700m刀具后面的磨損形狀；圖5d、圖5e、圖5f是TiAlN切割200個涂層刀具m、500m、700m刀具后面的磨損形狀；圖5g、圖5h、圖5i是MT-TiCN厚Al2O3TiN切割200個涂層刀具m、500m、700m刀具后面的磨損形狀。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
圖5 在超景深三維顯微系統下觀察的三種涂層工具后刀面磨損形狀對比
由于后刀面接觸面的高接觸壓力和摩擦溫度，涂層刀具后刀面與加工表面接觸時摩擦嚴重摩擦嚴重。涂層刀具切割刃附近的涂層剝落，磨損從涂層損壞開始，涂層在機械應力和熱應力的共同作用下開始剝落。涂層剝落后，切屑與工件與基材直接接觸，溫度迅速升高，刀具表面硬度明顯降低，刀具磨損加快。在相同的切割參數和切割距離下，多層Ti化合物涂層刀具的切削力和溫度最高，磨損最嚴重。MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具和TiAlN涂層工具的磨損主要是涂層剝落。從工具壽命趨勢可以看出，涂層工具涂層剝落后工具磨損明顯加快。
MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層材料刀具比多層Ti化合物涂層刀具的使用壽命提高了30%。TiAlN涂層刀具的切削壽命最長，比多層刀具長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涂層工具更適合切削淬硬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 三種涂層工具后刀面的磨損量隨切割距離的變化而變化
小結
(1)不同涂層刀具在切削力不同，變化趨勢也不同。Ti化合物涂層刀具在三個方向上的切削力大于其他兩種涂層刀具，TiAlN涂層刀具受到的切削力相對較小。
(2)隨著切削速度的增加，切削溫度明顯升高，不同涂層刀具的切削溫度也不同，多層Ti切割化合物涂層刀具時溫度最高，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層刀具的切割溫度低于多層Ti使用化合物涂層刀具TiAlN切割涂層刀具時溫度最低。
(3)在相同的切削參數和切削條件下，多層Ti化合物涂層刀具的磨損最為嚴重，刀尖出現微崩刃，后刀面有明顯的磨粒磨損。MT-TiCN厚Al2O3 TiN涂層刀具和TiAlN涂層刀具磨損后刀面，涂層脫落。
(4)多層Ti化合物涂層刀具磨損最嚴重，三種刀具壽命最短，MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層材料刀具比多層Ti化合物涂層刀具的使用壽命提高了30%。TiAlN涂層刀具的切削壽命最長，比多層刀具長Ti三種涂層工具中，化合物壽命高45%，TiAlN涂層工具最適合切削淬硬H13鋼。
工具技術原載 作者：王立國
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