软涂层刀具的发展与应用照明变压器

“软”涂层刀具的发展与应用

“软”涂层刀具的发展与应用 2011年12月04日 来源： 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V250m/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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