金属切削原理及刀具.doc

涂层技术对刀具磨损的影响及其发展趋势陈君（G机械091 220911104）（淮海工学院 连云港 222005）摘要：磨损是影响生产效率、加工成本和加工质量的重要问题，所以为了解决这一问题涂层技术的发展就尤为重要。涂层技术起源于上个世纪的五、六十年代；特别是近30年来，刀具涂层技术迅速发展，使得涂层刀具得到了广泛应用。随着涂层技术迅速发展，它已成为解决刀具磨损的有效方法并且在很大程度上影响刀具的寿命。所以说对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革。关键词：涂层技术 刀具磨损 发展趋势The Influence of Tool Wear and Its Development Trend for Coating TechnologyCHEN Jun(Huaihai Institute of Techology,Lianyungang,222005) Abstract：Wear is the important impact for the production efficiency, processing cost and processing quality of the important problem, so in order to solve this problem the development of coating technology, is important. Coating technology originated in the last century 5, 6 s; Especially for nearly 30 years, the cutting tool coating technology rapid development, make coated tools to a wide range of applications. With the rapid development of coating technology, it has become a effective method to solve the tool wear and significantly impact on the life of cutting tools. So say to coating is of tool machine processing industry on the road of advance a big change.Key words：Coating technology Tool wear Development trend0 前言人类社会已经迈入21世纪,科学技术得到了前所未有的发展。在机械加工中金属切削技术是其重要组成部分，并且随着科技的发展越发显示出它在机械加工中的核心地位。目前，切削加工约占整个机械加工工作量的95%。加强金属切削技术的研究，提高金属切削技术的水平对提高一个国家机械制造技术水平、产品的性能和质量以及市场竞争力都有十分重要的意义。1 涂层技术的简介现代的表面涂层技术是在传统刀具的基础上，应用材料科学、机械学、电子学、物理学、化学等科学原理对表层的性能进行改善，使得涂层后与未涂层相比较有较好的性能的改善。对于刀具表面涂层主要有化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积 (PVD)技术。CVD主要是在高温下的气相反应，是无电涂层。PVD是利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。2 涂层刀具的优越性刀具是机床实现切削加工的直接执行者，没有刀具，机床就无法工作。现代金属切削对刀具的要求是高切削速度、大进给量、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削性能。涂层刀具的出现，使刀具的切削性能有了重大突破，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的性能大大提高。自上世纪涂层刀具问世以来，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，为刀具性能的提高开创了历史的新篇章，这是机械加工行业前进道路上的一大变革。涂层刀具与未涂层刀具相比，具有显著的优越性：它可以提高加工效率及其精度，延长刀具使用寿命，从而保证加工工件的质量，达到降低加工成本的目的。特别是近30年来，刀具涂层技术迅速发展，使得涂层刀具得到了广泛应用，其主要有一下几个优势：（1） 由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。故与未涂层刀具相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。（2） 由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数小，故涂层刀具的切削力小于未涂层刀具。（3） 用涂层刀具加工，零件的已加工表面质量好。（4） 由于涂层刀具的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。3 刀具的磨损特点在低速和中速范围，高速钢刀具产生磨粒磨损、粘结磨损和相变磨损，硬质合金刀具产生磨粒磨损和粘结磨损，超过中速产生扩散磨损、氧化磨损，在高速时产生塑性破坏。磨粒磨损主要是由工件材料中的硬质点在切削加工时如同“磨粒”对刀具表面作用使得切削刃面磨损；粘结磨损是由于刀面上存在着微观不平度，在一定的温度下刀具前面粘附积屑瘤，刀面硬度降低与工件材料粘结的现象；相变磨损是在高速切削时，由于温度升高，是刀具材料产生相变从而使硬度降低的现象。4 涂层刀具的性能及应用涂层刀具随着工业的高速发展已经在加工中占有很重要的一席。主要运用于硬质合金和高速钢，能在很大程度上提高拿到局的寿命和耐用度。除了迎着合金和高速钢，涂层技术还广泛应用与其他方面，比如说：钨钢铣刀涂层，金刚石刀具等。4.1 涂层高速钢的性能及应用涂层高速钢是用物理气相沉积(PVD)工艺在高速钢刀具表面涂覆TiN或TiC等保护层。它能较大地提高刀具的使用寿命和劳动生产率，可用于铣刀、钻头、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。涂层高速钢刀具前、后刀面的磨损与未涂层刀具明显不同：涂层刀具前刀面月牙洼窄而深，边界呈锯齿状；后刀面在磨损过程中会出现负倒棱和后刀面月牙洼。在试验条件下，涂层一般可使车刀寿命延长210倍，涂层插齿刀和滚齿刀耐用度一般可比未涂层刀具延长22.5倍；并且根据下图可知：涂层能明显减缓刀具磨损速度，提高刀具耐用度。需要注意的是：重磨前刀面后，当刀具磨损以后刀面磨损为主时，涂层刀具寿命稍低于未涂层刀具；但是高速钢刀具大多采用低速切削重磨前刀面，因此涂层高速钢刀具有较好的经济效益。 4.2 涂层硬质合金的性能及应用涂层硬质合金是通过化学气相沉积(CVD)等方法，在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、HfN、Al2O3等薄层形成涂层硬质合金。涂层材料具有极高的硬度和耐磨性,使涂层硬质合金能以较高的切削速度进行切削，从而提高了加工效率。涂层硬质合金刀片一般都制成可转位刀片使用，在工业发达国家中涂层刀片的使用比例已达到一半以上。 涂层硬质合金刀具中，陶瓷涂层是一重要发展方向。它在拥有与硬质合金材料相近的强韧性的同时，耐磨性是未涂层刀具的几倍至十几倍，并且使加工效率显著提高。这种刀具的涂层方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主，但存在着比较突出的问题是只在刀具表面涂覆，而且涂层与基体间的界面结合强度低，涂层容易剥落，这样就使涂层不能做得太厚，一旦涂层被磨掉，刀具就会迅速磨损；而且此种涂层刀具还不具有重磨性。这些问题在很大程度上限制了涂层刀具的寿命。有关资料表明，在硬质合金粉末表面涂层制备刀具能较好的解决这一问题：由于溶胶中胶粒尺寸很小，具有很强烈的吸附能力，可以形成结构致密、与基体结合牢固的陶瓷涂层。这种方法变传统的宏观涂层为微观涂层，突破了原有的刀具涂层的局限，解决了用一般陶瓷涂层的容易剥落和不重磨性的问题，表现出良好的综合切削性能，大大的提高了刀具的耐磨性和寿命。4.3 其他涂层刀具的性能及应用除了涂层硬质合金和涂层高速钢之外还有涂层立铣刀、金刚石涂层立铣刀等。涂层的铣刀的主要有钨钢铣刀。钨钢铣刀运用比较广泛。它的细颗粒碳化钨的韧性很高，被涂覆后的耐磨性很高；主要适合加工淬火钢、不锈钢、淬硬不锈钢、镍合金、钛合金、铸铁、玻璃纤维复合材料等。由于电极材料硬度很高，使立铣刀的刀尖磨损很快，难以实现高效加工，可以通过金刚石涂层立铣刀来实现，能大幅度提高刀具的耐用度和寿命。4.4 使用涂层刀具的注意事项使用涂层刀具时应注意，由于涂层刀具的前、后刀面磨损具有一定特殊性，因此在确定刀具的磨钝标准时，涂层刀具的磨钝标准应比未涂层刀具小得多。这一方面可使涂层刀具增加重磨次数，充分发挥涂层作用，另一方面可避免崩刃、勒刀等现象的发生。否则涂层刀具刀刃容易发生损坏，造成刀具报废。 5 结论现在，涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具已占全部刀具使用总量的一半以上。特别是西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%。在现代柔性自动化加工系统中，由于设备昂贵、自动化程度和灵活性要求高，对刀具提出了一系列新要求，如：高切削速度、大进给量、高可靠性、长寿命、高精度等。这些要求是的对刀具材料与结构提出了新的要求。由于涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、 化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命 35 倍以上，提高切削速度 20%70%，提高加工精度 0.51 级，降低刀具消耗费用 20%50%。特别是PVD,由于其工艺温度低于CVD，不会影响刀具基体的性能，且工艺方案的变化灵活，且其应用日益广泛。这些也就是这几年来涂层刀具为什么无论是在技术上还是数量上都得到快速发展的原因。所以现在应该大力开发和研究涂层刀具，在原有的刀具表面使用这种技术来提高切削加工刀具的耐磨性，这样可以大大地降低刀具的磨损程度来提高刀具的寿命，达到节约成本的目的。参 考 文 献1 陆剑中. 金属切削原理及刀具M. 上海：交通大学，2004. 2 王隆太. 先进制造技术M. 扬州：扬州大学，2003.3 王兆华. 材料表面工程M. 上海：交通大学，2011.4 赵炳桢. 金属切削技术及刀具发展现状C. 成都：工具技术杂志社, 1997, 4957.5 庞思勤. 涂层硬质合金刀具的