可转位刀片上的涂层在控制切削过程中的作用

可转位刀片上的涂层在控制切削过程中的作用

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摘要

本文使用TiC、TiC/TiN和TiC/Al2O3/TiN三种涂层刀具分别切削中碳钢和奥氏体不锈钢，研究了其切削比压和刀-屑界面温度的不同。通过大量的试验对切削力和接触温度进行了测量。切削温度是通过在工件上嵌入标准热电偶进行测量的。引进2个新参数来比较使用平型和槽型刀片时的刀-屑接触的切削力与切削温度。在高速切削时，最优的涂层结构能使刀-屑接触温度和功率损耗最小。这种测量力和温度的新方法与原来刀-屑接触的方法相比，其区别主要在于它能为槽型刀片的设计提供具体的数据。

关键词：切削比压；界面温度；涂层；钢；车削

1.引言

使用涂层刀具切削加工各种材料，包括难切削材料，表明先进的机加工技术和目前的加工过程对刀具材料的要求越来越高。根据市场数据，目前的现代企业所使用的刀具中，超过40%的为涂层刀具，它们完成了所有机加工任务的80%。在车削加工中，超过80%的可转位刀片为涂层刀片，其所采用的主要的涂装工艺为化学气相沉积（CVD）。常用的CVD涂层材料包括碳化钛（TiC），氮化钛（TiN），氧化铝（Al2O3），及其多层、多组分材料。一些多层涂层的加工利用两种加工技术，比如CVD和物理气相沉积（PVD）。这些牌号的涂层可用来加工大部分材料，包括车削、镗削和铣削时，铸铁、钢、不锈钢以及一些合金的重型粗加工和高速精加工。

Trent认为涂层刀片的优点主要是它在高速车削铸铁或钢时，降低了磨损率，从而2-3倍地延长了刀具寿命。Subramanian 和 Strafford认为利用CVD方法涂覆TiN涂层的刀具和钻头，其寿命会有很大提高（常常超过原有寿命10倍）。市场上超过80%的涂层刀具是TiN涂层刀具，其原因是它可以作为保护层。另外，TiN涂层能实现干式润滑以更好的控制切屑，以及降低切屑在刀刃上的粘着。TiC涂层刀具优于未涂层刀具的原因在于，当切削速度超过时，积屑瘤较小和被加工工件表面粗糙度较好。化学性质不活泼的TiC和Al2O3能减小氧化腐蚀，TiN能降低刀具的摩擦系数。多涂层牌号的刀片能同时具有涂层和各基体的性质。例如，TiN涂覆在TiC/ Al2O3涂层上，显著提高了低速和高速加工时涂层刀具的抗腐蚀能力。

众所周知，难切削材料的耐磨性随着刀尖的温度升高而显著减小。采用干式高速切削时，会产生大量的热。这导致如果发热的切屑和刀片之间没有良好的隔热，例如没有

可转位刀片上的涂层在控制切削过程中的作用

合适的涂层，就不能进行切削加工。在常用的涂层（TiN，TiAlN，TiCN，CrN）中，隔热最好的是TiAlN涂层。

2．涂层结构对切削性能的影响

切削过程中所产生的热量是影响刀具性能的一个重要因素。使用干式高速切削已经成为现代企业的趋势，但是它会导致大量的热在刀具前刀面处耗散，因此切削热对于刀具的耐用度和表面质量有着重要的影响。在过去的三十年中，为了使基体材料与刀片的高温区域隔开，使用不同的涂层涂覆在高速钢或硬质合金刀具上，以提高基体材料的热硬度以及减小切屑和前刀面，工件和后刀面之间的摩擦系数。

TiC涂层刀具的接触温度低于未涂层刀具。但是由于高速切削时，TiC的热硬度低于WC，因此这种有利的效应仅仅可用于低于1000℃时。在高速切削，相应的切削温度也较高时，切屑-刀具界面之间的接触材料和惰性涂层（例如耐磨性好于TiC和TiN的Al2O3）发生化学反应。另外，涂层通常能减小刀具和切屑之间的摩擦系数，因此在温度较低时的切削性能要好于在相似的切削状态下的未涂层刀具。尤其是TiN涂层填补了Al2O3涂层的不平整，从而平整了刀面，同时还可作为润滑剂。

最近，Sadik and Lindström,和Gad et al.发现刀具-切屑接触长度是影响切削温度的一个因素。这种方法假设原来刀-屑接触长度受基体材料以及刀具结构和涂覆层的材料的影响。未涂层刀具和涂层刀具的对比显示，使用涂层刀具时，接触长度的减小更迅速。当用TiC、TiN、Ti(CN)和Al2O3单层涂层刀具车削含碳量为0.42%的低碳钢，切削用量为，，时，接触长度大约为0.4mm，而未涂层刀具接触长度大约为1.2mm。接触长度由原来的尺寸减小到小于或等于粘着区，将会导致切削温度的减小和刀刃上最高温度点的改变。

根据《切屑控制》可知涂层热效应对于刀具和切屑的摩擦接触有着重要的影响。首先，大量的切削热能否传入切屑取决于涂覆在刀片上涂层顶层的导热系数；第二，刀-屑的接触长度与刀具和切削过程的性能有直接的关系。因此，由于热双金属效应，对于导热系数低的刀具材料，加工过程中会产生更加卷曲的切屑。这意味着接触长度小和导热系数低的涂层材料会导致二次变形区的温度非常高。

常用涂层材料的导热系数和切削温度之间的关系如图1所示。从图中可以看出，随着温度的升高，TiC、TiN和TiCN涂料的导热系数增大，而Al2O3和Si3N4涂料的导热系数迅速减小。

可转位刀片上的涂层在控制切削过程中的作用

显然，刀片和切削条件的设计需要在了解刀-屑的基础上。另外，Jawahir 和Fang以及 Jawahir等认为在不同的切屑槽样式下，切削比压明显不同。这种现象可以从限定接触长度方面来解释。在给定的切削条件下，通过选择合适的切屑槽几何参数可以使额定功率最小。然而，在进给速度和背吃刀量较小的的情况下，切削比压趋近于无穷大。因此，了解涂层降低能耗的作用是非常有意义的，特别是在这种极端的切削条件下。

本文通过单涂层（TiC），复合涂层（TiC/TiN）以及三复合涂层（TiC/Al2O3/TiN）对于切削比压（功率消耗率）、刀-屑接触状态、平均界面温度对涂层系统结构的影响进行了系统性的研究。

3．实验步骤

切削实验是在TUM35D1精密车床上进行的。该车床进给量为0.04到0.4 mm rev-1，主轴转速为28到2514rpm，切削速度可满足实验选择，其可通过转速计进行测量。切削速度可从测量主轴转速和工件的直径来测出。采用的工件长250mm，直径80mm的圆柱体棒料。整个切削实验在没有冷却液以及背吃刀量恒为1mm下进行。在试验中，工件材料为45钢和18/8奥氏体不锈钢（即AISI304或DIN1.4301）。切削温度的计算需要知道工件材料的导热系数和比热容ρc或温度函数，以及刀具导热系数。

表1中列出了与试验有关的热学性能和切削条件的参数。所用的涂层和未涂层刀片为ISO标准刀片TNMA和TNMG，刀片固定在机械刚性刀架PTGNR 2020-16上。使用的刀具几何角度如下：主偏角κr=90°，前角γo=5°，后角αo=5°。

在不同的切削条件下，切削45钢和18/8奥氏体不锈钢，以测量切削比压和切削温度。在每次切削实验中，需要记录切削力和热电势以及测量刀-屑的接触长度。为了测得由顶层涂层和切屑构成的热结产生的热电势，采用了经典的自然热电偶法。为了获取实验信号，实验装备中采用了由信号调理模块，模拟/数字转换器卡，486DX40个人计算机和数据采集软件（SNAP-MASTER）组成的数据采集系统。屑-刀接触区域是指切屑从流向前刀面到在摩擦作用下被去除的那个平面。假定屑-刀接触区域的外边界与刀刃的距离等于原来屑-刀接触长度，其通过光学显微镜是很容易测量的。

在各种切削条件下，切削比压kc可由记录的切削力的平均值通过下式进行估算：

式中，Fc 为切削力，A为切削面积，等于进给速度f与背吃刀量ap的乘积。

可转位刀片上的涂层在控制切削过程中的作用

等效载荷将作用在前刀面的力与接触长度联系起来，如下定义：

式中,Fc为切削力，γo为前角，lc为刀-屑接触长度。

通过使用典型的TIG氩弧焊机加热刀—工件构成的热结以及内置的K型热电偶来确定两种钢以及三种的涂层刀片热电特性（详见图3）。这种方法中，在临近刀尖和参考热电偶热端的小范围内，利用气体钨极氩弧焊来加热工件表面。被加热的工件表面与内置参考热电偶的孔的底部至少相距0.1mm。测量系统的其他细节以及工件见图3。

应当指出，每个冷端应保持在接近0℃，工件和刀柄都应当与机床绝缘以减小热电偶回路中附加电偶的影响。图4总结了所有的刀-工具构成的热电偶的试验结果。

从图4中可以看出，利用未涂层和涂层硬质合金刀具加工45钢和18/8奥氏体不锈钢时，热电势与温度呈线性关系。利用测量结果得到刀—屑接触温度。

类似（2

）式，等效热负载将平均界面温度与接触长度联系起来，可以通过下式进行估算：

式中，T为平均界面温度，lc为刀—屑接触长度。

4．结果与讨论

在一系列切削实验中，分别利用普通涂层刀具和限制接触的涂层刀具研究了各种涂层结构对于切削过程中机械性能和热学性能的影响，并建立了几种关系。正如第3部分所述，在使用涂层可转位刀片进行车削时，为了比较力学性能和热学性能，介绍了切削力和切削温度同原来长度或限制长度的比。于是，得到了等效载荷与等效热负载，即切削力或切削温度与刀-屑接触长度的关系。值得注意的是，所选择的两种钢具有不同的热学性能。经调查，市场上多出售的TiC涂层刀具、TiC/TiN复合涂层刀具和TiC/Al2O3/TiN三复合涂层的槽型刀片有一个0.14mm的刃带。下面给出两方面的概况，从而为设计和利用涂层槽型刀片提供一些有效的方法。

4.1力学方面

在实验的第一部分，论述，讨论和比较了由于涂层结构和限制接触长度，而导致切削比压和等效载荷变化的问题。

可转位刀片上的涂层在控制切削过程中的作用

45钢和18/8奥氏体不锈钢的切削实验获得的切削比压，如图5和图6所示。当使用TiC/TiN涂层刀具切削这两种钢时，切削比压kc几乎减小到一个常数，减小了近20%。另一方面，使用TiC单涂层时，屑—刀接触长度的减小导致kc增大，这种现象对于不锈钢更为明显。对于TiC/Al2O3/TiN三复合涂层刀具，这种现象也可以观察到，与使用TiC涂层刀具的区别只是它渐渐减小。

如图7所示，利用TiC涂层刀具、TiC/TiN复合涂层刀具和TiC/Al2O3/TiN三复合涂层刀具切削45钢和18/8奥氏体不锈钢时的等效载荷。图中显示，进给速度越高，相应的等效载荷kFc越高；反之亦然。根据机械的理论，在进给速度较大时，涂层对于功率损耗有着很大的影响。然而，对于所用的两种工件材料，复合涂层（TiC/TiN）刀具能使得接触载荷最小。这种现象主要受到刀—屑接触状态的影响。实际上，从图8可以得出，通过选择接近原来接触长度的刀具便可获得恒定的切削比压kc。反过来，它也会受到涂层性能的影响。而使用TiC/TiN涂层能得到最长的接触长度。总之，通过适当的减小刀—屑接触长度有利于减小切削比压kc效载荷kFc

4.2温度方面

如图9和图10所示为进给速度对于三种不同涂层的平型刀片和槽型刀片切削45钢和18/8奥氏体不锈钢时的切削温度。从这两图中可以看出，刀片结构影响着接触温度。使用平型刀片时，对于45钢，接触温度从520℃到850℃；对于不锈钢，接触温度从545℃到860℃。在该研究中，进给速度从0.04到0.28 mm rev-1。

最低温度是发生在45钢和TiC/Al2O3/TiN构成热电偶以及AISI304与TiC构成热电偶的情况下。在用槽型刀片车削45钢时，利用TiC/Al2O3/TiN三复合涂层刀具可以获得最小的切削温度。由图9可知，对于该刀具，切削温度从450℃到595℃；对于平型刀片，前刀面的温度从520℃增加至最大值730℃。

由图10可知，对于槽型刀片，使用何种涂层结构对切削温度没有本质的影响。这可能是由于这两种钢的导热性不同。由表1可以看出，45钢的导热系数将近为奥氏体不锈钢的3倍。另一个重要的原因是三复合涂层顶层的表面粗糙度的不同。为了解释顶层表面质量对于顶层和切屑之间摩擦系数的影响，利用霍梅尔测试仪1000对刀具前刀面的表面粗糙度Ra了测量。表面粗糙度的平均值如下：TiC涂层Ra=0.37 μm , TiC/TiN复合涂层Ra=0.42 μm，TiC/Al2O3/TiN三复合涂层Ra =0.24 μm；。三复合涂层表面粗糙度的剧烈减小，是由于TiN层涂覆在不平整的陶瓷层上产生的平滑效应。于是减小了

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二次剪切区域内切屑与前刀面之间的摩擦。总之，总的能量输入到系统中，系统中产生大量的热，散失，最终导致接触温度的降低。

总的来说，存在最理想的涂层结构，使得高速切削45钢时获得最低的接触温度。该现象同样存在于车削不锈钢，与其他复杂的涂层相比，TiC涂层可以减小切削温度。

为了研究限制接触长度对于切削温度的影响，利用这种磨有0.14mm刃带的槽型刀片进行了大量的试验。实验结果表明（如图9和图10所示）：使用TiC/TiN复合涂层刀具和TiC/Al2O3/TiN三复合涂层刀具车削这两种钢时，切削温度降低；使用TiC涂层刀具时，车削温度升高（对于45钢，可以观察到切削温度有轻微的增加）。当车削不锈钢时，尽管使用不同的涂层结构，但是切削温度几乎是相同的。如图10所示，使用复合涂层和三复合涂层槽型刀片时的切削温度低于平型刀片，特别是在进给速度较高时。

涂层结构和原来接触长度减小的现象如图11和图12所示。在各种切削条件下，等效切削温度的变化范围取决于前刀面的轮廓形状和所用的刀具材料。如图11所示，使用平型刀片车削中碳钢时，等效切削温度与涂层结构无关。

对比显示，车削奥氏体不锈钢不锈钢时，刃带的热负荷受进给速度的影响，而与涂层型式无关。如图13所示，使用刃带长度不等的刀具切削时的等效切削温度与进给速度无关。最小接触长度为0.08mm时，由于热量集中在刀刃附近导致刀具的塑性变形，致使刀具破损。多层涂层刀具对于自然接触长度有很大的影响。因此，用导热系数较低的Al2O3涂层刀具加工导热系数相对较高的工件材料。换句话说，切削过程中，要使产生的热量传递到切屑上，而不是刀具上。另一方面，如果刀具的导热系数与工件的导热系数有很大的差距，比如45钢和TiC/Al2O3/TiN涂层刀具，界面温度是最低的。总的来说，加工易切削材料（比如中碳钢）时，涂层结构对于刀—屑界面温度有很大的影响。

当工件材料导热系数和比热容较低时，大部分热量会由界面传递到刀片。实际上，TiC涂层在所使用的涂层中，其在1273K时导热系数是最好的。如图10曲线1（a）所示，它在切削奥氏体不锈钢时的接触温度是最低的。如图1 所示，TiN的导热系数从在环境温度下对应的32 W mK-1到900℃对应的40 W mK-1。导热系数和比热容低的涂层材料以及工件会导致涂层顶层导热出现障碍，从而使得接触长度减小（如图14曲线1所示）。

5．结论

以下具体结论均由实验得出。（1）选用合适的涂层结构可以减小切削比压和等效功

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率。使用TiC/TiN涂层刀具切削中碳钢时，可减小到20%。（2）根据机械的理论，在进给速度较大的中型和重型车削时，涂层对于切削比压有很大的影响。这种现象可以从涂层对于刀-屑接触长度的影响方面来解释。（3）刀-屑平均界面温度和热量转移到刀/屑的比例与工件材料和涂层有关。特别地，材料的导热系数和涂层结构对于刀-屑的接触状况有很大影响。（4）假定的变量等效切削温度用来比较前刀面的两种型式的热负荷。例如，在同样的切削条件而不考虑实验工件材料的情况下，使用减小接触长度的刀片时，其等效切削温度为使用原有接触长度刀片的11倍。（5）高速切削时，最佳的涂层结构是能减小前刀面和切屑之间的摩擦，从而减小接触温度。对于易切削材料，应选用导热系数低的涂层材料，以使热量传递到切屑。理论上，对于难切削材料，应选用导热系数高的涂层材料，以使热量传导刀体上。（6）用导热系数低的涂层刀片切削导热系数和比热容低的工件，导致刀-屑接触长度减小，进而产生传热障碍。总之，热量集中在涂层顶层，防止其扩散以保护刀具。

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