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改善刀具寿命的涂层工艺

日期:2019/3/11
来源:刀具制造

   现状

  涂层刀具已成为现代切削刀具的标志,在刀具中的使用比例已超过50%。切削加工中使用的各种刀具,包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。涂层刀具有四种:涂层高速钢刀具,涂层硬质合金刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料,目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上),可减少刀片的崩刃及破损,扩大应用范围。

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  每一种涂层在切削加工中都既有优势又有缺点,如果选用了不恰当的涂层,有可能导致刀具寿命低于未涂层刀具,有时甚至会引出比涂层以前更多的问题。

  目前已有许多种刀具涂层可供选择,包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD的复合涂层等,从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地获得这些涂层。

  本文将简单介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方案。在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时,涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。

  涂层及其特性的选择是否正确可能就意味着加工性能明显提高与几乎没有改善之间的区别。切削深度、切削速度和冷却液都可能对刀具涂层的应用效果产生影响。由于在一种工件材料的加工中存在着许多变量,因此确定选用何种涂层的最好方法之一就是通过试切。涂层供应商们正在不断开发更多的新涂层,以进一步提高涂层的耐高温、耐摩擦和耐磨损性能。与涂层(刀具)制造商一起验证最新、最好的刀具涂层在加工中的应用总是一件好事。

  涂层工艺要求

  用CVD法涂层时,切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm,切削刃强度随钝圆半径增大而提高),故刃口没有未涂层刀片锋利。所以,对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外,还可涂覆到整体刀具上,已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道,国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法,结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍,效率提高5倍。

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  涂层刀具使用注意事项

  涂层刀具的使用效果除与涂层方法及设备、涂层工艺和涂层材料有关外,还有以下情况应加以注意:

  (1)涂前刀具的表面质量 。被涂刀具表面应是光亮的磨光面,刀具各工作表面上不得有锈斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷,要求刃口上无毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度应达到Ra<0.8~1.25µm。表面粗糙度值愈小,涂层的结合度愈好。此外,刀具表面的清洗质量也十分重要。

  (2)刀具基体材料。涂层刀具的基体材料与涂层材料应合理匹配,须根据不同的加工要求选用。涂层高速钢刀具的基体,既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速钢,也可用含钴的超硬高速钢和粉末冶金高速钢(PM HSS)或者是整体采用硬质合金钨钢制成的 钨钢刀片。因粉末冶金的基体均匀,故使用效果好。加工钛合金时,推荐用含钴超硬高速钢如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作为刀具的基体材料。对于涂层滚刀,当以正常切削速度(小于45m/min)加工齿轮时,崩刃是滚刀磨损的主要原因,因此应选择韧性较好的W6Mo5Cr4V2高速钢作为刀具的基体材料;而在高速滚齿时(切削速度大于100m/min),月牙洼磨损是滚刀磨损的主要原因,因此应选用耐热性和耐磨性较高的含钴超硬高速钢或CW9Mo3Cr4VN高速钢为刀具的基体材料。 涂层硬质合金刀具的基体,在加工钢材时,宜选择加工钢材的硬质合金,如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co类合金(P30用得较多);加工铸铁和有色金属时,宜选择WC-Co类合金(K20用得较多)。被加工材料的硬度及切削加工性,对涂层刀具的使用效果也有一定影响。试验证实,涂层刀具最适于切削高硬度和耐磨合金一类难加工材料。

  (3)刀具的几何角度。 由于涂层的润滑性好,所以涂层刀具工作时常会在工件表面上打滑,为此涂层刀具上的后角应比未涂层刀具的后角略大。实践表明,对铰刀等一类精加工刀具,加大后角后,可使刃口锋利,切屑形成容易,打滑现象明显减少,刀具的使用性能提高。

  (4)切削用量和切削液 。为了充分发挥涂层刀具的性能,必须正确选用切削用量和切削液。涂层刀具由于耐热性好,抗月牙洼磨损能力强,故可采用较大进给量和切削速度工作,但首先应选取较大进给量。通常涂层高速钢刀具采用的进给量比未涂层刀具提高10%~100%,提高20%~30%的切削速度是合适的。为了提高工效,涂层硬质合金刀具也可采用比未涂层刀具高25%~70%的切削速度进行切削。用涂层硬质合金通用刀具加工中碳结构钢时的切削速度,立铣刀可达100~150m/min,钻头可达80~100m/min;丝锥加工铸铁为20~40m/min。 实践证明,使用20号机械油加10%煤油冷却时,可使涂层高速钢镗刀的寿命提高1~2倍。TiN涂层高速钢滚刀加工20CrMnTi(197HBS)钢制斜齿圆柱齿轮(模数m=5)时,使用20号机械油和煤油混合润滑,刀具寿命可提高5倍左右,即使重磨后也可提高2~3倍,干切时寿命仅提高1倍。 [pre]涂层刀具使用时还要求机床的精度好、刚性高和振动小,刀具或刀片的夹持也应牢固。

  小结

  在特定场合选择合适的刀具材料,而涂层工艺虽然是锦上添花,但能达到更好的效果。随着人们对加工效果提出更高要求,会出现更多的涂层工艺,来满足需要,同时,也需要同行们付出更多的努力,在设备、工艺、材料等方面研发出适合市场的产品。

关键字:刀具涂层
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