PVD涂层与未涂层硬质合金刀具切削力的对比试验研究

PVD涂层与未涂层硬质合金刀具切削力的对比试验研究

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工具技术

3。试验在CA6140普通车床上进行。

表1　刀具工作时的几何角度

前角后角副后角主偏角副偏角刃倾角′′′γκλαακγ0

根据麦钱特的切削力学模型,刀具前刀面上作

用着摩擦力Ff与法向力Fn,其合力为Fr;在切削剪切面上作用着剪切力Fs及法向力Fns;Fs和Fns二力与Fr平衡(如图2所示)。由图2可得

=tan(β2γ0)FZ

表2　工件材料的化学成份(%)

(1)

表3　工件材料的机械性能

2伸长率%收缩率%HRC

2

(2)试验方法

试验采用单因素法,每次切削试验时分别改变

切削速度、进给量、切削深度,用KISTLER三向测力仪采集、测量每次试验时的三向切削力Fx、Fy、Fz(如图1);用PC386微机扩展槽中PCL-818L板把切削中产生的模拟电压信号采集转化成数字信号输入计算机,再通过计算机显示、保存、处理,得到不同切削值。每一种试验均做三次,。在切削过程中,采用

。

图2　XFZ,)比较三种刀具摩擦Fx和FZ比值的平均值:0.48、TiCN涂层刀具为0.40、TiN涂层硬质合金刀具为0.34,根据式(1),三种刀具与工件的摩擦角由大到小依次是硬质合金刀具、TiCN涂层刀具、TiN涂层刀具。这与试验中测定的材料摩擦系数是相同的[3]。由李和谢弗(Lee

andShaffer)公式,有

<+β2γ0=

π

4

(2)

图1　切削合力和三向切削力方向示意图

由于式(2)中刀具前角γ0是一定值,由式(2)

知,当刀具摩擦角β变小时,剪切角<就变大。根据以上讨论,可以得出三种刀具在切削时的剪切角由大到小依次是:TiN涂层刀具、TiCN涂层刀具、硬质合金刀具。对于同一种材料来说,其剪切强度τ是一定值,因此剪切角大,剪切面反而小,所需切削力就小。

采用单因素法进行切削试验并对试验中测得的切削力数据做进一步地处理,得到采用不同切削参数时刀具切削力的变化曲线(见图3、图4、图5)。从图3～图5中可以看出:在切削加工中,涂层硬质合金刀具的切削力随进给量f、切削深度ap及切削速度v的变化规律与未涂层硬质合金刀具切削力的变化趋势基本相同,即随着进给量f、切削深度ap的增加,切削力增大;随着切削速度的增加,切削力降低。分析其原因,是由于当进给量f和切削深度ap增加时,切削面积相应增加,因此总的切削力增加;而随着切削速度v的增加,切削温度增高,摩擦系数减小,剪切角增大,由中山一雄切削力理论可推导出

　　3　试验结果与分析

由切削试验可知,当切削条件为ap=0.8mm、f=0.3mm/r、v=135m/min时,ZP25、TiCN涂层和TiN涂层三种刀具的主切削力分别为74214N、654N、64417N,单位切削力分别是3093136N/mm2、2726151N/mm2、2686141N/mm2(单位切削力是指单位面积上的主切削力),可见涂层硬质合金刀具的切削力明显低于未涂层刀具。国外研究人员的试验结果也得出涂层硬质合金刀具与未涂层硬质合金刀具相比具有较小的切削力[4]。涂层硬质合金刀具的切削力比硬质合金的切削力小,主要原因是涂层刀具的涂层材料与工件材料的摩擦系数比硬质合金与工件材料的摩擦系数要小,这可以从下列推导中得到证明。