韓文強，何輝波，李華英，冉春華，楊俊

(1. 西南大學 工程技術學院，重慶，400715；2. 西南大學 材料科學與工程學院，重慶，400715)

干切削技術自20世紀90年代以來迅速發(fā)展，由于其不使用切削液，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，降低了生產(chǎn)成本，切削干凈易于回收處理，正逐漸成為現(xiàn)代切削加工的主要方式[1?2]。在干切削鋼類工件時，刀具材料的切削性能及刀具的壽命、磨損機理是一個重要問題[3]。王西彬[4]的研究表明：與濕式切削相比，干切削會使刀具與工件的摩擦因數(shù)變大，直接的加工能耗增大，切削溫度顯著升高，加工表面質量易于惡化，刀具磨損情況加劇。因此，常規(guī)的刀具材料及相關設計和工藝已不再適用于干切削，選擇合適的刀具材料和設計刀具的表層特性成為近年來研究的熱點。其中一個主要方法是在刀具上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬氧化物薄膜，制成涂層刀具。涂層刀具與未涂層刀具相比，具有明顯的優(yōu)越性，如TiN涂層作為較早應用于刀具的保護涂層，具有良好的耐磨性能，可顯著改善刀具的切削性能，減輕刃邊材料的附著，降低切削力，維持切削幾何的穩(wěn)定，改善工件的表面質量，增大進刀量，提高加工精度和切削效率，是低速切削工具理想的涂層材料[5?6]。根據(jù)Grzesik[7]的研究，目前80%的機械加工采用了涂層刀具。20CrMo鋼屬于低碳合金結構鋼，滲碳淬火處理后，機械性能優(yōu)良，綜合力學性能較好，是目前機械制造行業(yè)使用較為廣泛的鋼材之一，主要用于制作各種機械的重要部件如齒輪軸、軸套、連桿等[8]。根據(jù)金屬切削理論，提高工件的切削速度可以減小切削力，但過高的切削速度會引起切削溫度的劇增，使刀尖磨損加劇，工件加工表面層硬化。根據(jù)相關文獻，鋁的切削速度可達8 000 m/min，鈦合金和鉻鎳鐵合金的適宜切削速度為250 m/min左右，奧氏體不銹鋼的適宜切削速度為 150～350 m/min[9]。而目前人們對于20CrMo鋼切削速度對切削力影響的研究較少。20CrMo含碳量較低，可切削加工性不如45號鋼，因此，利用20CrMo鋼作為工件材料來研究其切削加工性能顯得十分必要。本文作者用TiN涂層刀具(基體為YG6硬質合金)和未涂層的 YG6硬質合金刀具對20CrMo鋼在不同切削速度下進行了干切削試驗，分別對切削過程中的切削力進行監(jiān)測，將工件表面質量和2種刀具的磨損程度及壽命進行對比，分析TiN涂層刀具的主要磨損機理。

1 試驗設備與試驗方法

1.1 試驗設備

工件：20CrMo鋼，基本尺寸(直徑×長度)為 46 mm×450 mm，熱處理狀況正火，20CrMo鋼的化學成分見表1[10]。

機床為沈陽第一機床廠生產(chǎn)的普通車床CA6140A×1000，主電機功率為7.5 kW，最大加工長度為900 mm，最大加工直徑為400 mm，主軸轉速范圍為10～1 400 r/min。2種刀具分別為TiN涂層和未涂層的YG6硬質合金可轉位車刀，型號均為T31605F。刀具幾何參數(shù)見表 2。采用重慶迪佳科技有限公司生產(chǎn)的 SDC?L3M 型應變式三向車削測力傳感器和DJ?CL?1型三向力高精度放大器來完成切削力的采集和測量。切削力測力儀硬件系統(tǒng)簡圖見圖 1。摩擦磨損測量儀為瑞士 CSM 公司生產(chǎn)的球—盤式微動摩擦磨損試驗儀。刀具磨損程度觀察儀器為蔡斯金相顯微鏡和日本電子公司生產(chǎn)的JSM?6510型掃描電子顯微鏡。

表1 20CrMo鋼的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical constituent of 20CrMo steel %

表2 刀具幾何參數(shù)Table 2 Geometric parameters of cutting tools (°)

圖1 切削測力儀硬件系統(tǒng)簡圖Fig. 1 Diagram of cutting dynamometer experiential hardware

1.2 試驗方法

采用單因素測量法對20CrMo鋼進行干切削，即保持背吃刀量ap=0.3 mm和進給量f=0.2 mm/r不變，只改變切削速度v。切削工藝參數(shù)設計如表3所示。

表3 切削工藝參數(shù)Table 3 Parameters of cutting technology m/min

2 試驗結果與分析

2.1 TiN薄膜的摩擦性能分析

本試驗以45號鋼為基體，基本尺寸(直徑×厚度)為30 mm×3 mm，來研究TiN薄膜的摩擦性能。采用電弧離子鍍工藝在基體上沉積TiN薄膜，以瑞士CSM公司生產(chǎn)的球—盤式微動摩擦磨損試驗儀的往復運動式測量方法來測量其摩擦因數(shù)，方式為干摩擦，環(huán)境溫度為25 ℃，載荷為P=1 N，滑行速度為0.1 m/s，測量距離為100 m，結果如圖2所示。

由圖2可以看出：在摩擦過程中TiN薄膜的摩擦因數(shù)共經(jīng)歷4個階段的變化：首先在開始時處于較低狀態(tài)；然后逐漸增大到1個峰值，約為0.225；第3階段是降低到波谷，約為0.21；最后逐漸增大到穩(wěn)定階段，約為0.25。原因是在摩擦初期，薄膜的表面吸附有油、灰塵等一些雜質，形成一層較薄的有機薄膜，因此，開始時，摩擦因數(shù)比較低；隨著摩擦的繼續(xù)，表層的有機物質被逐漸除去，實際接觸面積增大，同時產(chǎn)生磨粒和犁溝，摩擦因數(shù)迅速增大到峰值；當磨粒增加到一定程度時，形成第三體[11]，使小球與薄膜的接觸面積減小，摩擦因數(shù)下降；最后，產(chǎn)生的磨粒與離開摩擦表面的磨粒達到動態(tài)平衡，摩擦因數(shù)逐漸穩(wěn)定。

圖2 TiN薄膜和基體的摩擦因數(shù)Fig. 2 Friction coefficient of TiN coating and substrate

TiN薄膜的摩擦因數(shù)的平均值為0.25，45鋼基體的平均值為0.29，說明沉積了一層TiN薄膜的試樣摩擦因數(shù)降低約13.8%， TiN膜層具有比45鋼基體更優(yōu)異的減摩性能。當摩擦距離大于60 m時，基體的摩擦因數(shù)表現(xiàn)出較大的波動，TiN薄膜繼續(xù)保持穩(wěn)定，說明 TiN薄膜保持摩擦穩(wěn)定階段的時間要比基體更長，TiN涂層刀具相比未涂層刀具能更長時間保持穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)，這對于減少刀具磨損，增加刀具使用壽命都有重要意義。

2.2 切削力分析

采用表3所示的切削工藝分別用TiN涂層和未涂層的YG6刀具對20CrMo進行干切削，三向切削力的變化如圖3所示。

圖3 切削速度對切削力的影響Fig. 3 Effect of cutting speeds on cutting forces

從圖 3(a)可以看出：主切削力隨切削速度的變化趨勢是減小、增大、減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于20CrMo鋼在低速干切削時，會產(chǎn)生積削瘤，導致刀具實際前角增大，切削變形減小，切削力減小。進一步提高切削速度，積削瘤消失，切削力增大。在中高速區(qū)，隨著切削速度的增大，刀具和工件的溫度急劇上升[9]，導致摩擦因數(shù)μ降低，切削變形減小，切削力降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。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，工件表面質量很差，呈現(xiàn)明顯的螺紋狀，殘留的金屬對刀具副后刀面的圓弧處產(chǎn)生擠壓，與切削層金屬、切屑對刀具的擠壓方向相反，兩者可以相互抵消，使軸向力較小。隨著切削速度的增大，工件表面質量逐漸提高，表面逐漸光滑，殘留的金屬對刀具副后刀面的圓弧處產(chǎn)生擠壓力減小，使軸向力逐漸增大。切削速度大于 120 m/min時，切削溫度急劇上升，工件與刀具的摩擦因數(shù)逐漸減小，導致軸向力逐漸減小。

TiN涂層刀具的切削力明顯小于未涂層刀具的切削力，尤其是當切削速度大于100 m/min時，未涂層刀具的主切削力變化逐漸變緩，而TiN涂層刀具的主切削力則迅速降低。說明TiN涂層減小了刀具前、后刀面與切屑、工件之間的摩擦因數(shù)；當切削速度大于100 m/min時，切削過程中產(chǎn)生的切削熱急劇增加，由于TiN涂層熱導率較低，大量的切削熱被碎屑帶走，從而有效防止了刀具和工件的快速升溫，減輕了刀具的黏接磨損和化學磨損[12]，從而使其切削力大大低于未涂層刀具。與未涂層刀具相比，TiN涂層刀具的切削力降低20%～40%。

2.3 工件表面質量分析

圖4 工件表面質量對比Fig. 4 Comparison of workpieces surface quality

圖4 所示為未涂層刀具和TiN涂層刀具以不同速度切削過的工件表面。從圖4可以看出：在速度較低時，2個工件的表面質量均較差。對于未涂層刀具，當切削速度v5=62.1 m/min時，圖4(a)中的工件表面開始逐漸光滑；當切削速度v10=172.4 m/min時，工件表面開始出現(xiàn)了一些黑色的切屑黏著小顆粒，原因是隨著切削速度的增加，由于接觸表面產(chǎn)生的摩擦熱增多，刀刃刃口會出現(xiàn)切屑黏接，同時在工件的接觸表面產(chǎn)生熱應力和黏著磨損而影響加工表面質量的穩(wěn)定性。對于TiN涂層刀具，當切削速度v4=49 m/min時，工件表面開始逐漸光滑，隨著切削速度v的增大，工件表面質量逐漸提高，沒有出現(xiàn)黑色小顆粒，原因是TiN涂層熱導率較低，大量的切削熱被碎屑帶走，顯著地降低了切削速度對表面粗糙度的影響。

2.4 刀具磨損程度分析

實踐證明，對于連續(xù)切削形式，若合理選擇各切削工藝參數(shù)，則磨損仍是涂層刀具的主要失效形式，因此，研究其磨損具有十分重要的現(xiàn)實意義[13]。

保持切削速度v=53.2 m/min，背吃刀量ap=0.5 mm，進給量f=0.08 mm/r不變，分別用TiN涂層刀具和未涂層刀具連續(xù)干切削20CrMo鋼的時間為4，8，16和32 min，用蔡斯金相顯微鏡放大100倍觀察刀具的磨損程度，并測量刀具后刀面的磨損量VB，以VB≥0.6 mm為其刀具失效標準，得到結果如圖5和圖6所示。

從圖5(a1)～(a4)可以看出：當切削時間t=4 min時，涂層刀具前刀面和后刀面的磨損VB均較小，磨痕淺細，前后刀面的涂層均未受到嚴重破壞，僅有輕微擦傷，原因是新刃磨的刀具后刀面存在粗糙不平之處以及顯微裂紋、氧化等缺陷，而且刀具刃口鋒利，與工件接觸面積小。根據(jù)相關定義[11]，此階段屬于初期輕微機械磨損。未涂層刀具磨損VB較大，磨痕較深，為梳狀犁溝狀磨損帶，前刀面出現(xiàn)了明顯的剝落，后刀面主要是黏接磨損和磨粒磨損，并伴有微崩刃。

從圖 5(b1)～(b4)可以看出：當切削時間t=16 min時，前刀面的TiN涂層特別是主切削刃附近的涂層出現(xiàn)了明顯的剝落，刀刃附近有與切屑方向一致的溝紋，后刀面可以觀察到明顯的磨粒磨損現(xiàn)象，由于TiN涂層刀具的涂層與工件間的摩擦因數(shù)較小，所以，磨損從涂層的破壞開始[14]。切削時，刀具主切削刃比較鋒利，單位面積所承受的機械載荷比較大，而主切削刃處不是圓角過渡，而是 45°倒角，故此處涂層與基體的結合力是整個刀片上最薄弱之處，涂層容易受到破壞，在熱應力及機械應力和黏接磨損的作用下出現(xiàn)明顯的剝落。未涂層刀具磨損較為嚴重，刀尖處出現(xiàn)了明顯的崩塌，主切削刃崩刃現(xiàn)象進一步加劇，刀具失效。

圖5 刀具磨損對比(×100)Fig. 5 Comparison of tools wear

從圖5(c1)～(c4)可以看出：當切削時間t=32 min時，TiN涂層刀具的刃口處產(chǎn)生了微崩刃，涂層剝落較為嚴重，后刀面上可見有黏接物附著。根據(jù)相關研究，雖然 TiN涂層的熔點較高，但在空氣中溫度達到550～600 ℃時，涂層便會發(fā)生氧化成疏松的TiO2[15]，此氧化物可以加劇前刀面的磨粒磨損。涂層材料剝落后，切屑與刀具基體材料發(fā)生直接接觸，切削溫度迅速升高，刀具表面硬度持續(xù)降低，刀具切削條件下降，刀具迅速磨損，但還沒達到未涂層刀具同期磨損率，此時涂層雖部分被磨穿，但仍起著緩和磨損的作用。

從圖6中刀具后刀面的磨損量隨切削時間的變化曲線可以看出：在相同的切削條件下，與未涂層刀具相比，TiN涂層刀具后刀面的磨損量明顯較小，耐磨性能約提高45%。未涂層刀具的壽命約為16 min，而TiN涂層刀具的壽命可保持到32 min以上，涂層刀具壽命約提高2倍。

3 TiN涂層刀具前刀面磨損機理分析

圖6 TiN涂層和未涂層刀具后刀面的磨損量隨切削時間的變化Fig. 6 Flank wear of TiN coated and uncoated carbide tools in dry turning of 20CrMo steel with cutting time

圖7 所示為切削32 min后TiN涂層刀具前刀面磨損的SEM照片。從圖7可以看出：刀具表面的擦傷較嚴重，出現(xiàn)了很深的溝痕和嚴重的磨粒磨損，特別是靠近刀尖部分更為明顯。這是因為此處是切削區(qū)域切削溫度最高處[16]，刀具不但受到硬質磨粒的磨損，同時還有擴散磨損和氧化磨損。遠離刀尖部分出現(xiàn)了平行劃痕，此劃痕較寬、較平，沒有可見黏著物，說明該部分主要是磨粒磨損，劃痕兩側還保留有TiN涂層，還能起到一定的抗磨作用。圖8所示為TiN涂層刀具切削32 min后的前刀面磨損部分的EDS分析。從圖8可見：此時Ti的質量分數(shù)約為28.4%，小于正常情況下的72%，說明TiN涂層出現(xiàn)了較嚴重的剝落。Co和W的質量分數(shù)分別約為3.2%和39.2%。根據(jù)文獻[17]，YG6基體應含有的Co和W質量分數(shù)的正常值分別為6.0%和86.1%。此時，Co和W的質量分數(shù)偏低，原因有2個方面：一是TiN涂層剝落后，隨著溫度的升高，硬質合金中的 Co迅速擴散到了切屑、工件中，WC分解為W和C擴散到鋼中，說明TiN涂層刀具發(fā)生了較為嚴重的擴散磨損；二是在切削溫度較高時，刀具材料中的WC，Co和TiN等會與空氣中的O2化合成低硬度的WO3，CoO和TiO2等氧化物，較軟的氧化物容易被切屑或工件磨掉，形成氧化磨損。同時 Fe的質量分數(shù)明顯上升，說明工件和切屑中的Fe擴散到了硬質合金中，這會導致硬質相的黏結強度降低，刀具強度下降。

圖7 t=32 min時前刀面磨損的SEM照片F(xiàn)ig. 7 SEM micrograph of wear modes on rake face when t=32 min

圖8 t=32 min時TiN涂層刀具前刀面EDS分析結果Fig. 8 EDS results of rake face of TiN coated tool when t=32 min

4 結論

(1) 在干摩擦環(huán)境下，TiN薄膜和基體的摩擦因數(shù)分別為0.25和0.29，薄膜保持摩擦穩(wěn)定階段的時間要比基體的更長。

(2) 與未涂層刀具相比，TiN涂層刀具切削20CrMo鋼時的切削力可減小20%～40%，尤其是當切削速度大于100 m/min時，切削力減小更為明顯。

(3) TiN涂層刀具切削20CrMo鋼時，刀具的主要磨損機理為磨粒磨損，附帶有黏接磨損、擴散磨損和氧化磨損。在切削32 min后，出現(xiàn)了輕微的崩刃現(xiàn)象。

(4) 與未涂層刀具相比，在相同的切削條件下，TiN涂層刀具的磨粒磨損與黏接磨損較輕，耐磨性能約提高45%，刀具壽命約提高2倍。

(5) 涂層質量對刀具的切削性能有較大影響，涂層剝落后，刀具基體直接與工件接觸，刀具磨損加劇，因此，應該盡量避免涂層的剝落，可以通過多元復合和梯度涂層體系來改善涂層與基體的附著性。

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