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鋼導熱系數較小，工件散熱性較差，在切削中會產生熱量，引起刀具切削時溫度快速升高，較高的工作溫度會導致刀具工作時強度明顯下降，進而縮短刀具使用壽命。
硬態切削是把淬火鋼零件車削過程作為最后工序進行加工處理，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鋼的切削加工。Sasahara等使用涂層刀具進行了硬切削45鋼的表面完整性的研究，分析了切削參數對加工表面磨損、殘余應力的影響。侯志剛等對TP1000涂層刀片車削淬硬45鋼和淬硬T10A鋼進行了切削試驗，得出TP1000車削淬硬45鋼時主要磨損機理為磨料磨損以及氧化磨損，而破損機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，進行三種涂層刀具車削加工淬硬H13鋼的試驗，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，為實踐生產中涂層刀具切削加工H13鋼提供理論基礎和試驗依據。
1 試驗方案
切削試驗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，其幾何參數相同。試驗用機床為普通車床CA6140(最大轉速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，采用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削溫度，并對試驗數據進行分析。試驗后采用超景深顯微鏡進行觀察分析磨損的三種涂層刀具。
圖1 切削試驗示意圖
分別采用5種不同的切削速度進行干切削試驗。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紅外熱像儀測量切削中穩定切削時的切削力以及切削溫度。
2 試驗結果分析
(1)切削力分析
分別用MT-TiCN厚Al2O3TiN涂層、TiAlN涂層以及多層Ti化合物涂層材料刀具對淬硬H13鋼進行干切削，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，刀具刀尖部分會產生積屑瘤，導致涂層刀具實際工作前角增大，切削變形減小從而切削力減小；當提高切削速度時，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。這是因為TiAlN涂層刀具表面的涂層材料的減磨和潤滑作用優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
切削試驗中，采用FLIR紅外熱像儀測量切削溫度(見圖3)，獲取穩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。設置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對三種涂層刀具切削溫度的影響規律如圖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生，熱量在短時間內難以擴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較小，摩擦熱產生相對較少，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，在接觸區發生嚴重摩擦，刀尖部位出現微崩刃和后刀面出現磨粒磨損是由于后刀面接觸區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剝落，磨損從涂層破壞開始，涂層在機械應力和熱應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
(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，刀尖處出現微崩刃，后刀面有明顯的磨粒磨損。MT-TiCN厚Al2O3 TiN涂層刀具和TiAlN涂層刀具出現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。
