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“软”涂层刀具的发展与应用 |
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作者：山东大学 邓建新 钮平章 王景海 艾兴 |
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摘要：与“硬”涂层刀具不同，“软”涂层刀具所追求的目标是低摩擦系数。它与工件材料的摩擦系数很低，可减小粘结、减轻摩擦、降低切削力和切削温度。结合作者己有的研究，参考国内外的相关文献报道，对“软”涂层刀具的发展与应用状况进行了综合评述，以期对新型涂层刀具的设计、开发与应用等起到一定的指导和参考作用。
1 引言
刀具涂层将刀具基体和涂层材料的优良性能相结合，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的切削性能大大提高。自硬质涂层刀具问世以来，化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术相继得到发展，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。西方国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1978年的26% ，增加到1985年的50%～60%。新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具，瑞典山特维克公司和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达80%～85%以上。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片的比例为80%。瑞典和德国车削用涂层刀片已占70%以上。在日本的硬质合金和陶瓷刀片生产总产量中，涂层刀片所占比例超过40 %。涂层刀具将是今后机械加工领域中的重要刀具品种，也是刀具技术的一个重要发展方向。
2 涂层刀具的种类
根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用CVD)法，沉积温度在1000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用PVD法，沉积温度在500 ℃左右。
根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。
根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即：“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求高的硬度和耐磨性。目前应用最多的刀具硬涂层物质有TiC、TIN、TiC(N)、Al2O3和TiAlN等及其组合。“软”涂层刀具追求低摩擦系数，与工件材料的摩擦系数很低，可减小粘结，减轻摩擦，降低切削力和切削温度。“软”涂层刀具物质主要有MO S2、WS2、TaS2等及其组合。涂层方式有：单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等，如图1 所示。
图1 典型的涂层结构
3 “软”涂层刀具的发展与应用
1）“软”涂层刀具的涂层材料及其作用机理
目前，“硬”涂层刀具技术已经逐渐成熟，应用最为广泛。然而，诸如航空航天工业使用的许多高强度铝合金、钦合金或贵金属材料等都不适合用“硬”涂层刀具加工，仍主要使用无涂层的高速钢或硬质合金刀具。
“软”涂层刀具的开发则可较好地解决此类材料的加工问题。刀具“软”涂层的主要成分为具有低摩擦系数的固体润滑材料，如：MoS2、WS2、BN、CaF2和T aS2等，在特殊使用条件下具有优良的摩擦学特性，如：摩擦系数低、承载极限高、高温下化学稳定性好、物性变化小、能适应1200℃ 以上的工作温度范围和很宽的摩擦副运动速度范围，适于在高温、高速和大载荷等特殊环境条件下使用 。
涂层可在刀具表面形成固体润滑膜，从而使刀具材料具有很低的摩擦系数。由于具有层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较强的粘结能力，并且各层之间有较低的剪切强度，在切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜会转移到工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，在固体润滑膜内部，从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。
2）“软”涂层刀具的应用效果
Renevier等研究表明：MoS2/Ti“软”涂层刀具不适合连续高速车削，这是由于连续高速车削产生的高温往往会导致MoS2/Ti涂层产生严重的氧化磨损；在低速铣削时，MoS2/Ti“软”涂层刀具的寿命比未涂层刀具高1.5～2 倍。总的来说，MoS2/Ti“软”涂层刀具适合于低速断续切削，如表1 所示。图2 为MoS2/Ti“软”涂层刀具、MoS2“软”涂层刀具和非涂层刀具铣削34CrNiMo6 工件时，每个刀具可铣削的工件材料体积，其中，fz=0.1mm/r , a p=1.5mm。可见，MoS2/Ti“软”涂层刀具的寿命远高于MoS2“软”涂层刀具和非涂层刀具。表1 MoS2/Ti“软”涂层刀具的适应范围
| 加工方式 | 切削条件 | 结果 | | 车削 | V=150～250mm/min, fz=0.125～0.315mm/r, ap=1.5～2.5mm, 断续车削 | 合适 | | V>150m/min, fz=0.125～0.315mm/r, ap=1.5～2.5mm, 连续车削 | 不合适 | | 铣削 | V<250m/min, fz=0.25mm/r ap=1.5mm | 合适 | | V>250m/min, fz=0.25mm/r ap=1.5mm | 不合适 |
图2 刀具可铁削的材料体积
图3为WC/Co/MoS2“软”涂层刀具和WC/Co硬质合金刀具加工302不锈钢时，刀具后刀面磨损量对比，其中，V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm。可见，WC/Co硬质合金刀具切削1800m时，刀具后刀面磨损量VB达到0.32mm，而WC/Co/MoS2“软”涂层刀具切削4000m时，刀具后刀面磨损量VB只有0.3mm。表2为一些软涂层刀具的一些使用效果。
图3 刀具后刀面磨损量对比
表2 “软”涂层刀具的使用效果
| 刀具 | 试验条件 | 试验结果 | 未涂层硬质合金可转位面铣刀
MoS2“软”涂层的硬质合金可转位面铣刀 | Al- Cu-Mg合金 | “软”涂层铣刀的生产率可比未徐层的铣刀提高3 倍 | 无涂层丝锥
TiAlN涂层丝锥
MoS2“软”涂层丝锥 | Al- Cu-Mg合金 | 无涂层丝锥能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可加工1000个孔，而MoS2“软”涂层丝锥可加工4000个螺孔 | 单涂层(TiCN)硬质合金铣刀
TiCN/MoS2/Ti“软”涂层硬质合金铣刀 | V=150m/min, f=0.04mm/r, ap=4mm, 工件：AlSi304不锈钢 | 软涂层铣刀切削力明显减小，加工表面质量显著提高 | 普通高速钢
TiCN/MoS2/Ti“软”涂层高速钢钻头 | V=6000r/min, 工件：AlSi15硅铝合金 | “软”涂层钻头钻孔938个后无任何磨损，普通高速钢钻头只能钻100个孔 | 未涂层高速钢钻头
TiCN/MoS2/Ti“软”涂层高速钢钻头 | V=2200r/min, 工件：Ti6Al4V合金 | “软”涂层钻头的钻削力比未涂层钻头减小约33% ，钻削性能显著优于未涂层钻头 | 未涂层Si3N4刀具
Si3N4/MoS2“软”涂层刀具
未涂层Ti(CN)刀具
Ti(CN)/MoS2“软”涂层刀具 | V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm, 工件：1045碳钢 | “软”徐层刀具寿命比未涂层刀具提高50%以上 |
4 结语
国内外“硬”涂层刀具技术日趋成熟，其应用已经非常广泛。而“软”涂层刀具技术在国外刚刚起步，而国内尚无这方面的研究报道。“软”涂层刀具的研究开发为提高刀具性能开拓了新的途径，为新型涂层刀具的设计提供了新的思路和新的研究领域。“软”涂层刀具可应用于干切削，对阻止粘结、减小摩擦、降低磨损、提高刀具寿命、降低加工成本等具有重大的理论和实际意义，具有广阔应用前景。(end)
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(12/18/2006) |
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