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刀具涂層的特性


  刀具“鎧裝”,即刀具涂層。眾所周知,刀具表面涂層技術是應市場需求而發展起來的一項優質表面改性技術,由于該項技術可使切削刀具獲得優良的綜合機械性能,不僅可有效地提高刀具使用壽命,而且還能大幅度地提高機械加工效率,因此該項技術已與材料、加工工藝并稱為切削刀具制造的三大關鍵技術。為滿足現代機械加工高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各國都十分注重涂層技術的發展。

  依據不同應用場合選擇正確的刀具涂層是確保高效加工最重要的因素之一。正確選擇涂層可以降低每個項目或每件成本,因為這樣可以降低摩擦;減少熱漲冷縮,降低切削力;提高進給速度和轉速;改善工件表面質最并降低?;奔?。針對某特定應用場合選擇正確的涂層可能是件復雜而費勁的工作。市場上可以見到的每種涂層都有其優缺點,而選擇不當則會縮短刀具壽命并使問題雪上加霜。

  目前已有許多種刀具涂層可供選擇,包括PVD涂層、CVD涂層以及交替涂覆PVD和CVD的復合涂層等,從刀具制造商或涂層供應商那里可以很容易地獲得這些涂層。本文將介紹一些刀具涂層共有的屬性以及一些常用的PVD、CVD涂層選擇方案。在確定選用何種涂層對于切削加工最為有益時,涂層的每一種特性都起著十分重要的作用。

  (1)硬度

  涂層帶來的高表面硬度是提高刀具壽命的最佳方式之一。一般而言,材料或表面的硬度越高,刀具的壽命越長。氮碳化鈦(TiCN)涂層比氮化鈦(TiN)涂層具有更高的硬度。由于增加了含碳量,使TiCN涂層的硬度提高了33%,其硬度變化范圍約為Hv3000~4000(取決于制造商)。表面硬度高達Hv9000的CVD金剛石涂層在刀具上的應用已較為成熟,與PVD涂層刀具相比,CVD金剛石涂層刀具的壽命提高了10~20倍。金剛石涂層的高硬度和切削速度可比未涂層刀具提高2~3倍的能力使其成為非鐵族材料切削加工的不錯選擇。

  (2)耐磨性

  耐磨性是指涂層抵抗磨損的能力。雖然某些工件材料本身硬度可能并不太高,但在生產過程中添加的元素和采用的工藝可能會引起刀具切削刃崩裂或磨鈍。

  (3)表面潤滑性

  高摩擦系數會增加切削熱,導致涂層壽命縮短甚至失效。而降低摩擦系數可以大大延長刀具壽命。細膩光滑或紋理規則的涂層表面有助于降低切削熱,因為光滑的表面可使切屑迅速滑離前刀面而減少熱量的產生。與未涂層刀具相比,表面潤滑性更好的涂層刀具還能以更高的切削速度進行加工,從而進一步避免與工件材料發生高溫熔焊。

  (4)氧化溫度

  氧化溫度是指涂層開始分解時的溫度值。氧化溫度值越高,對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層,但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁,氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比,硬質合金刀具的切削速度通常更高,這就使TiAlN成為硬質合金刀具的首選涂層,硬質合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVDTiAlN涂層。

  (5)抗粘結性

  涂層的抗粘結性可防止或減輕刀具與被加工材料發生化學反應,避免工件材料沉積在刀具上。在加工非鐵族金屬(如鋁、黃銅等)時,刀具上經?;岵劑?BUE),從而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料開始粘附在刀具上,粘附就會不斷擴大。例如,用成型絲錐加工鋁質工件時,加工完每個孔后絲錐上粘附的鋁都會增加,以至最后使得絲錐直徑變得過大,造成工件尺寸超差報廢。具有良好抗粘結性的涂層甚至在冷卻液性能不良或濃度不足的加工場合也能起到很好的作用。

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