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TiN涂层高速钢刀具的磨损特性及磨损规律

TiN涂层高速钢刀具的磨损特性及磨损规律 2011年12月04日 来源： 一、引言TiN涂层高速钢刀具多为复杂刀具，在TiN涂层刀具磨损性能试验中，为便于观察，特按复杂刀具的角度设计制作了试验用刀片，将其安装在机夹式刀体上，在无级调速车床上进行耐磨性试验。刀片基体材料为W9Mo3Cr4V，常温硬度64～65HRC。刀片在美国多弧公司MAV－32型离子镀膜机上涂层，膜层厚度为2.4～3.1µm，显微硬度约为2000HV。在一定的切削条件下，用涂层刀具和未涂层刀具分别切削相同的工件，同时测量切削力和切削温度的数值，利用双管立体显微镜、光切法显微镜和扫描电镜等观察刀具各个部位的磨损形貌和磨损尺寸，然后对试验结果进行综合处理和分析。在实验室试验的基础上又进行了大量生产性观测，以验证试验分析的结论。二、涂层刀具的磨损形态及磨损规律涂层刀具和未涂层刀具一样，正常磨损发生在三个面上，即前刀面月牙洼磨损、后刀面磨损及副后刀面磨损，其中以前、后刀面磨损为主。当切削速度较高或切削厚度较大时，月牙洼磨损一般较严重；当切削速度较低或切削厚度较小时，以后刀面磨损为主。图 1所示为典型的涂层刀具前、后刀面磨损形貌。从大量的照像观察中可看出涂层刀具磨损的一些特点。涂层刀具月牙洼的中心靠近切削刃，月牙洼边界参差不齐，当月牙洼宽度相等时，涂层刀具月牙洼的深度远大于未涂层刀具。涂层刀具后刀面磨损的主要特点是磨损带表面和切削平面不位于同一平面。涂层刀具在切削过程中产生了负后角磨损带或后刀面月牙洼磨损，观测结果表明，磨损带远离切削刃处的负后角约为 14°。

(a)前刀面月牙洼磨损 (b)后刀面磨损带 图1 涂层刀具的磨损形貌

1 前刀面磨损的扩展及涂层的作用利用获得的一系列前刀面的磨损图片，绘制出图2所示月牙洼扩展曲线。从图2可看出，涂层刀具和未涂层刀具前刀面磨损的产生和扩展情况明显不同。在较高的切削速度下，未涂层刀具在很短时间内即形成很宽的月牙洼；而涂层刀具开始时并不产生明显的月牙洼，只是随着涂层的逐渐磨损，月牙洼才缓慢扩展。涂层刀具的月牙洼边界呈锯齿状扩展。在远离切削刃的一边，涂层刀具月牙洼的底面相对于前刀面较为陡直。对于相同的月牙洼宽度(KB)，涂层刀具的月牙洼深度(KT)总是明显大于未涂层刀具。

(a)未涂层刀具 (b)涂层刀具图2 月牙洼的扩展

图3是月牙洼深度(KT)随时间变化的曲线。根据图2图3并结合大量观测可进一步分析涂层的存在对前刀面磨损的影响。由于涂层的存在，前刀面的月牙洼磨损可明显分为四个阶段：第一阶段月牙洼还未形成，在此阶段涂层起着硬隔膜作用，但此阶段时间较短。第二阶段由于前刀面基体材料的软化和涂层的磨损，涂层在某一区域内被磨蚀掉或成块地被切屑带走，在前刀面上很快形成月牙洼。第三阶段为月牙洼的缓慢扩展期，这时涂层起着边界阻碍作用。在此阶段涂层的失效不仅仅是因为机械磨损，而是机械磨损与掀裂的共同作用，月牙洼的边界扩展经历了几个连续的过程：首先涂层在某一部位被掀裂后月牙洼自由扩展，当扩展到涂层边界后，进入边界磨损扩展和疲劳掀裂的准备阶段。由于基体和涂层的磨损速度不同，使边界处变得陡直，切屑流向和涂层面的夹角增大，由于涂层的柱状晶粒垂直于涂层表面，涂层很容易被掀裂。涂层某一部位被掀裂后，磨损又进入了自由扩展期。在第三阶段涂层起着边界阻碍作用，由于连续经过了几个过程，使月牙洼边界呈锯齿状。第四阶段为月牙洼磨损的末期，在此阶段，切屑的流动方向与涂层面的夹角很大(测量表明可达25°～30°)，涂层由于很容易被掀裂而丧失了阻碍作用。

切削用量：V＝75m/min，f＝0.11mm/r，ap＝1.25mm工件材质：45钢，179HBS；乳化液冷却图3月牙洼深度(KT)随时间变化的曲线

从以上分析可看出，前刀面涂层可减缓月牙洼磨损主要是通过边界阻碍作用，而硬隔膜作用是次要的。月牙洼边界扩展的减缓使月牙洼深度扩展减缓。当边界扩展到一定程度后，涂层就丧失了阻碍作用。2 后刀面磨损扩展及涂层的作用刀具后刀面的磨损对刀具耐用度和工件加工表面质量有着重要影响。由于涂层的存在，涂层刀具后刀面的磨损与未涂层刀具有明显差异。图4是在光切显微镜上观测到的后刀面截面变化，图5是后刀面磨损量(VB)的曲线。从两图中可看出，涂层刀具的耐磨损性能明显优于未涂层刀具。未涂层刀具的后刀面磨损带是一实际后角为0°的小平面；涂层刀具后刀面磨损带的截面形状随着切削时间的变化而变化，磨损带形状由带负后角的小斜面变成类似前刀面的月牙洼形状。涂层刀具的初期磨损量特别小，在正常磨损阶段的磨损也极其缓慢，这使涂层刀具能在较长时间内保持刀刃锋利。在试验条件下，未涂层刀具在磨损宽度约为0.3mm时产生剧烈磨损，而涂层刀具在后面磨损为0.1～0.2mm时磨损速度加快，此时的磨损速度与未涂层刀具相近，说明此时涂层的作用已不明显。

(a)未涂层刀具 (b)涂层刀具 切削用量：V＝20m/min，f＝0.11mm/r，ap＝1.25mm工件材质：45钢，313HBS 图4 后刀面磨损的扩展

图5后刀面磨损量(VB)随时间变化的曲线

从以上试验结果可看出，涂层能阻碍和减缓刀具的磨损，但在各个磨损阶段涂层的作用是不同的。切削刃附近的涂层在磨损初期便消失，说明涂层的硬隔膜作用不明显。当基体露出后，由于基体和膜层的磨损速度不同，很快产生一个具有负后角的小斜面，此时涂层起着边界阻碍作用，以正常磨损为主，剥落不明显，刀具处于正常磨损阶段，积屑瘤与涂层共同对后刀面起保护作用。随着切削时间的增加，磨损带加宽，分裂后的积屑瘤碎片首先滑过基体再通过涂层边界，由于涂层边界的耐磨性，结果形成了类似前刀面月牙洼形状的磨损带。当后刀面月牙洼达到一定尺寸后，积屑瘤碎片的滑动方向与涂层面的夹角增大，此时涂层因以掀裂失效为主而逐渐丧失作用。三、涂层刀具的耐用度及使用特点在试验条件下，涂层一般可使车刀寿命延长2～10倍，涂层插齿刀和滚齿刀耐用度一般可比未涂层刀具延长2～2.5倍。重磨前刀面后，当刀具磨损以后刀面磨损为主时，涂层刀具寿命稍低于未涂层刀具。由于高速钢刀具大多采用低速切削重磨前刀面，因此涂层高速钢刀具有较好的经济效益。切削用量、基体材料种类及硬度、刀具几何形状的变化等都对涂层刀具性能的发挥有一定影响，因此应合理确定这些相关因素。使用涂层刀具时应注意，由于涂层刀具的前、后刀面磨损具有一定特殊性，因此在确定刀具的磨钝标准时，涂层刀具的磨钝标准应比未涂层刀具小得多。这一方面可使涂层刀具增加重磨次数，充分发挥涂层作用，另一方面可避免崩刃、勒刀等现象的发生。否则涂层刀具刀刃容易发生损坏，造成刀具报废。应正确评价涂层刀具的加工质量。涂层刀具在切削初期能提高加工质量，但由于涂层刀具磨损的特点，在刀具磨损的中后期切削时，加工质量往往不如未涂层刀具。四、结论涂层高速钢刀具前、后刀面的磨损与未涂层刀具明显不同。涂层刀具前刀面月牙洼窄而深，边界呈锯齿状。涂层刀具后刀面在磨损过程中出现了负倒棱和后刀面月牙洼。涂层的硬隔膜作用时间是短暂的。在正常磨损阶段，涂层起着边界阻碍作用。在剧烈磨损阶段，涂层以掀裂的方式失效并基本丧失作用。涂层能明显减缓刀具磨损速度，提高刀具耐用度。使用涂层刀具时应合理选择工艺参数。(end)

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