H13钢可作为热模钢,可用于制造负荷大的锻造模具、热挤压模具、合金材料压铸模具、有色金属压铸模具和精密塑料模具。从切割的角度来看,H13钢导热系数小,工件散热性差,切割过程中会产生热量,导致切割过程中温度快速升高,工作温度高会导致工具工作时强度明显降低,从而缩短工具的使用寿命。
硬切削是将淬火钢零件的切削过程作为最后一道工序,切削过程中不添加任何切削液。涂层材料涂在刀具基体上,与基体紧密结合,有效提高刀具的耐磨性和切削性能,保持刀具基体本身的韧性,改善刀屑之间的摩擦,有效延长刀具的使用寿命。
PVD(物理气相沉积)和CVD(化学气相沉积)两种方法是常用的涂层工具制造工艺。TiAlN、TiN、Al2O3.涂层工具常用于切割淬硬模具钢,虽然它们相对较好PCBN和陶瓷硬度较低、热稳定性较差,但硬质合金的强度和断裂韧性很高,适用于淬硬H13钢的切割加工。Sasahara对45钢表面完整性进行了研究,分析了切割参数对加工表面磨损和残余应力的影响。侯志刚等对TP1000涂层刀片车削淬硬45钢T10A钢的切削试验得出结论TP45钢的主要磨损机制是磨料磨损和氧化磨损,损坏机制主要是涂层剥落。
研究不同涂层刀具的切割H13钢的切削性能,三种涂层刀具的车削和硬化H通过对切削力、切削温度、切削力、切削温度、磨损和使用寿命的比较研究和分析,揭示了不同涂层材料的工具切削硬度H13钢的特点是实际生产中涂层刀具的切割加工H13钢提供理论基础和试验基础。
1 试验方案
用于切割试验的涂层工具分别是多层Ti化合物涂层,TiAlN涂层以及MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层。三种刀具的型号都是SNMG,几何参数相同。试验机床是普通车床CA6140(最大转速1400r/min,功率7.5kW)。硬化试件材料H13钢(硬度47-52HRC,主要成分见表1),室温下的力学性能如表2所示。
表1 淬硬H13钢的主要化学成分(%)
表2 室温下H13钢的物理力学性能
图1为切削示意图Kistler9129AA三向动态测力仪测量切削力,刚度高,采样频率高,受温度影响小。FLIR红外热像仪测量切削温度,装置感温性能好,能进行非接触测量,携带使用方便。用FLIR热像仪测量并记录每次试验的切割温度,并分析试验数据。试验结束后,三种涂层工具用超景深显微镜观察和分析磨损情况。
图1 切削试验示意图
干切削试验分别采用5种不同的切削速度。切削参数为: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,进给量f=0.102mm/r。采用Kistler 9129AA三向动态测力仪和FLIR在切削过程中,红外热像仪测量削力和切削温度。
2 试验结果分析
(1)切削力分析
分别用MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层、TiAlN涂层及多层Ti化合物涂层材料刀具用于淬硬H三向切削力的变化如图2所示。
(a)主切削力的变化
(b)径向力的变化
(c)轴向力的变化
1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层 2.TiAlN涂层 3.Ti化合物涂层
图2 涂层材料对切削力的影响
在整个切削过程中,三个方向的切削力呈上升趋势,随着切削速度的变化,主切削力首先降低,然后增加。这是因为在低速干切削过程中,刀尖部分会产生碎屑肿瘤,导致涂层刀具实际工作前角增加,切削变形减小,切削力减小;当切削速度提高时,碎屑肿瘤逐渐消失,切削力开始逐渐增加。轴向力的变化趋势是先增加后减少,因为当切削速度较低时,工件表面粗糙度较高,残留金属挤压刀具后面的刀面,抵消部分力,使轴向力开始时较小。切削速度逐渐增加后,工件表面质量逐渐改善,表面逐渐光滑,残留金属减少刀具后面的挤压力,轴向力逐渐增加。
随着速度的增加,三种涂层工具的径向力明显上升,多层Ti化合物涂层工具的增加最为突出。不同涂层工具的切削力不同,多层Ti化合物涂层刀具比其他两种涂层刀具有三个方向的切削力TiAlN涂层刀具受到的切削力相对较小。这是因为TiAlN涂层工具表面涂层材料的减磨和润滑效果优于其他两种涂层工具。MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具与TiAlN涂层刀具的主切削力和径向力差别不大,但MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层工具大于TiAlN涂层工具的轴向力。
(2)切割温度分析
采用切削试验FLIR红外热像仪测量切割温度(见图3),以获得稳定切割时的切割温度场,但测量效果会受到粉尘、切屑等因素的影响。红外热像仪的红外发射率为0.85。
图3 热像仪图像
切削速度v对三种涂层工具切割温度的影响规律如图4所示。由于切割速度的提高,切割温度逐渐上升。随着切割速度的增加,刀片与芯片之间接触面的摩擦会增加,产生大量的摩擦热,热量难以在短时间内扩散,提高切割温度。切割速度增加,温度升高,但不同涂层刀具的切割温度也不同,多层切割速度相同Ti化合物涂层刀具切削温度最高,MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具次之,切削温度上升趋势稳定,切削速度增加TiAlN切割工件时,切割温度最低。
TiAlN涂层工具表面涂层材料的减磨和润滑效果优于其他两种涂层工具。TiAlN涂层材料显著减少了刀具与芯片接触面之间的摩擦,使刀片与工件之间的摩擦系数较小,摩擦热相对较少,使刀具的切割温度较低。
1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层 2.TiAlN涂层 3.Ti化合物涂层
图4 涂层材料对切削温度的影响
(3)刀具磨损分析
淬硬H13钢工件材料难以加工,刀具后面的刀面在切割过程中会磨损。使用三种不同的涂层工具,切割量v=96.4m/min、ap=0.2mm、fz=0.102mm/r,切削H13 钢200m、500m、700m刀具后面的磨损形状见图5。其中,图5a、图5b、图5c是多层Ti化合物涂层刀具切割2000m、500m、700m刀具后面的磨损形状;图5d、图5e、图5f是TiAlN切割200个涂层刀具m、500m、700m刀具后面的磨损形状;图5g、图5h、图5i是MT-TiCN厚Al2O3TiN切割200个涂层刀具m、500m、700m刀具后面的磨损形状。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
图5 在超景深三维显微系统下观察的三种涂层工具后刀面磨损形状对比
由于后刀面接触面的高接触压力和摩擦温度,涂层刀具后刀面与加工表面接触时摩擦严重摩擦严重。涂层刀具切割刃附近的涂层剥落,磨损从涂层损坏开始,涂层在机械应力和热应力的共同作用下开始剥落。涂层剥落后,切屑与工件与基材直接接触,温度迅速升高,刀具表面硬度明显降低,刀具磨损加快。在相同的切割参数和切割距离下,多层Ti化合物涂层刀具的切削力和温度最高,磨损最严重。MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具和TiAlN涂层工具的磨损主要是涂层剥落。从工具寿命趋势可以看出,涂层工具涂层剥落后工具磨损明显加快。
MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层材料刀具比多层Ti化合物涂层刀具的使用寿命提高了30%。TiAlN涂层刀具的切削寿命最长,比多层刀具长Ti化合物涂层刀具寿命提高了45%。相比其它两种涂层刀具,TiAlN涂层工具更适合切削淬硬H13钢。三种涂层刀具后刀面磨损量随切削路程变化见图6。
1.MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层 2.TiAlN涂层 3.Ti化合物涂层
图6 三种涂层工具后刀面的磨损量随切割距离的变化而变化
小结
(1)不同涂层刀具在切削力不同,变化趋势也不同。Ti化合物涂层刀具在三个方向上的切削力大于其他两种涂层刀具,TiAlN涂层刀具受到的切削力相对较小。
(2)随着切削速度的增加,切削温度明显升高,不同涂层刀具的切削温度也不同,多层Ti切割化合物涂层刀具时温度最高,MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层刀具的切割温度低于多层Ti使用化合物涂层刀具TiAlN切割涂层刀具时温度最低。
(3)在相同的切削参数和切削条件下,多层Ti化合物涂层刀具的磨损最为严重,刀尖出现微崩刃,后刀面有明显的磨粒磨损。MT-TiCN厚Al2O3 TiN涂层刀具和TiAlN涂层刀具磨损后刀面,涂层脱落。
(4)多层Ti化合物涂层刀具磨损最严重,三种刀具寿命最短,MT-TiCN厚Al2O3TiN涂层材料刀具比多层Ti化合物涂层刀具的使用寿命提高了30%。TiAlN涂层刀具的切削寿命最长,比多层刀具长Ti三种涂层工具中,化合物寿命高45%,TiAlN涂层工具最适合切削淬硬H13钢。
工具技术原载 作者:王立国
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