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刀具创新对提高金属切削效率的作用与影响（1）

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:37:35

摘要：世界范围内激烈的市场竞争迫使机械制造业降低成本以保持盈利。由于加工成本的主要部分是占用机床时间的费用，因此目前人们的注意力集中在通过提高加工生产率以缩短加工周期。机床的改进，性能更优异的零件材料的开发，新的加工方法的开发以及涉及切削液安全处理的环保法规的制订等，都给刀具行业带来了新的挑战。为了回应这些挑战，刀具行业对各种刀具材料进行了卓有成效的创新。本文重点讨论刀具技术的进步对提高金属切削生产率所起的作用。
1.引言
机械制造业在推动国家经济发展、创造社会财富方面所起的重要作用众所周知。为了在全球市场有效地竞争并保持盈利，机械制造业正不断努力降低加工成本。对组成加工成本的各种因素进行的分析表明：作为易耗品的刀具花费在产品制造总成本中仅占约4%，而主要的费用耗费在机床占用时间、企业管理和人工的成本75％以及工件材料成本21％。很明显，只有通过缩短加工周期或提高加工效率才能获得对加工成本最有效的控制。这就是为提高生产率而开发高速和高进给量刀具的主要动力。生产率的提高不仅可以降低生产成本，而且为增加产量赢得了加工时间。在生产车间里增加的产量提高了效益，获得了用以增加新设备的资金，从而进一步改进加工技术。
刀具制造商正面对机床的不断改进、新的加工方法的开发、高性能材料零件的加工以及提倡干切削或微量润滑切削MQL以满足环保要求等各种挑战。为了回应这些挑战，刀具制造商不断推进对各种刀具材料的改进，新的表面处理技术已令人注目地扩展了刀具的应用范围，提高了制造业的生产率。先进的机床使用策略使用户能够利用已有的固定资产设备获取更大的收益。本文将分别对这几方面进行讨论。
2．刀具材料的分类
刀具材料通常被分为五大类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷和超硬材料。高速钢是一种具有强韧性的刀具材料，但其较低的抗磨损性能使它只能在低速时使用。高速钢常用于制造需要高韧性、锋利的切削刃以及用其它材料不能制造的几何形状复杂的刀具，其典型的应用包括钻头、立铣刀、铰刀和齿轮加工刀具。而在刀具材料序列的另一端是超硬材料如聚晶立方氮化硼PCBN和聚晶金刚石PCD。聚晶立方氮化硼PCBN和聚晶金刚石PCD具有极高的耐磨损性能，可用于高速低进给加工。在这两极之间是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，它们可以在一个较大的切削速度和进给量范围内广泛使用，以满足制造业的不同加工需求。
从各种刀具材料的热硬性曲线可以注意到，与硬质合金相比，Si3N4/Sialon陶瓷和陶瓷显示出更高的抗磨损性和高速性能。
3．刀具材料的创新与发展过程
3.1 涂层硬质合金
由于硬质合金兼具强韧性和抗磨损性，因此是一种主要的刀具材料。今天在美国使用的金属切削刀具中涂层硬质合金刀具几乎占了80%。通过延缓各种磨损过程前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等，超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命，提高了被加工零件的表面精度，通过高速、高进给加工显著提高了金属切削生产率。CVD化学涂层已占涂层硬质合金刀具的60%～65%，其余的为PVD物理涂层。
1CVD涂层
现代CVD涂层具有以下特征：包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层涂层，具有可控的晶体结构alpha-alumina或kappa-alumina和优化的颗粒尺寸以满足各种加工应用。通过对CVD工艺过程控制的改进，刀具制造商目前可以在一个较大的厚度范围内4～25μm提供具有良好一致性和复现性的涂层。各单层厚度仅为0.2μm的多层涂层可适合于加工具有强韧性的工件材料。CVD涂层可以在高温1000℃、中温MT-CVD，850℃左右下沉积，或者通过等离子体辅助工艺PA-CVD，约600℃获得。中温化学涂层较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化，同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸thermallyinducedten-sile裂纹。目前MT-CVDTiCN涂层已成为在硬质合金基体上进行多层CVD涂层的一个主要成分。CVD涂层刀具被广泛应用于各类机械加工包括车削、钻削、螺纹加工、切槽加工、切断加工以及铣削加工，可适应不同的切削速度和进给量。
2PVD涂层
上世纪80年代中期，低温下<500℃采用PVD在硬质合金工具上进行超硬TiN涂层就已进入商业应用。涂层在低压的等离子区沉积，该离子区具有源于磁控溅射、电弧蒸发以及电子束蒸发所衍生的金属元素。经过蒸发或溅射处理的金属元素钛、铝、铬等与气体类物质如氮气、甲烷等反应，从而沉积形成硬涂层。典型的商业涂层包括TiN、TiCN、CrN、TiAlN、AlTiN、TiB2以及多层物质如TiN-TiAlN。PVD工艺具有独特的优点，它能在锋利的切削刃上涂覆细颗粒、光滑、低摩擦、抗热裂的涂层。同时，PVD涂层具有的残余压应力使它在抗裂纹扩展、防止刀具早期失效方面更具优势。更新的PVD纳米涂层和PVD纳米结构涂层尚处在开发阶段。
PVD TiN和TiAlN涂层已经显著提高了高速工具钢在用于钻头、立铣刀时的性能。经过PVD涂层的硬质合金刀具在螺纹加工、切槽加工、切断加工、精车、铣削、钻孔等操作中被应用于加工各种各样的工件，包括碳钢、合金钢、奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢、钛合金、耐高温合金、铸铁以及非铁金属材料。PVD涂层工具特别适合抵抗在低碳钢、奥氏体不锈钢的加工过程中出现的积屑瘤和微小崩刃。经过PVD TiAlN涂层的硬质合金刀具所具有的高热硬性、高化学稳定性和抗氧化的性能，更适合用于高温合金的高速加工。PVD TiB2涂层工具因其具有防止积屑瘤生成的能力，所以在加工铝镁合金方面更胜一筹。
3PVD-CVD复合涂层
在20世纪80年代末研制成功的PVD-CVD复合涂层，既有一个具有高结合强度的CVD TiN-TiCN内层涂层，同时又有硬度高、颗粒精细、防裂纹、表面光滑的带有残余压应力的PVD TiN外层涂层。这种复合涂层使刀具在断续切削钢件和难加工材料方面表现出众。其它包含PVD TiAlN的PVD-CVD复合涂层也已经进入了商业化应用。
4固体润滑涂层
考虑到对切削液安全处理的环境保护方面的要求，迫使切削工具的用户把冷却液的使用减到最少甚至完全不用切削液采用干切削。切削工具制造商则通过应用固体润滑涂层如MoS2和WC/C来满足这种需要。当与硬涂层底层如PVD TiAlN结合时，固体润滑涂层可使硬质合金刀具在钢件、铝合金件上钻孔、攻丝时的金属切削性能得以提升。
3.2 超细颗粒硬质合金
具有硬度抗磨损性与强度抗弯强度完美结合的超细颗粒硬质合金粒度小于0.5μm目前正应用于制造木工刀具、印刷电路板刀具及立铣刀等领域。预计它们的使用将在未来得以增长，尤其是在铝合金和铸铁发动机缸体的铣削方面。
3.3 带梯度功能基体的涂层硬质合金
第一款具有梯度功能基体的CVD TiC-TiCN-TiN涂层的工程化硬质合金开发于1982年。与刀片原坯相比，其刀片表面含有更多的钴。在这种第一代高钴工具中，不仅边缘的钴含量高约为体积内的3倍，而且钴是以多层的形式出现，这在断续切削的过程中会有效地阻止裂纹的扩展，因此可以防止刀片碎裂。在为满足更高速度的加工需要所开发的第二代高钴工具中，刀片边缘不仅钴含量更高，同时也避免了碳化物的“立方化”。这两个因素都使刀片边缘的强度得到提高。
3.4 表面处理
涂层硬质合金刀具的性能不仅依赖于材料成分、显微结构、基体特性及涂层，也依赖于基体与涂层间的内部结合强度。近年来，在该领域的研究已取得了显著的进展，其中包括在涂层之前对硬质合金基体的表面用磨料进行处理，以改善表面的完整性和平滑度，从而增加涂层的结合强度。
涂层硬质合金刀具表现出的主要问题之一，是在某些加工应用中涂层“分层”的敏感性会导致切削刃的微小崩刃以及积屑瘤的堆积，从而降低零件加工的光洁度并导致刀具早期失效。通过涂层后的处理，这个问题现在已经在很大程度上得到了解决，通过涂层后的处理去掉了上部的TiN层，露出在切削刃处的氧化铝层。
3.5 金属陶瓷
尽管TiC-Ni合金作为金属陶瓷家族的第一个切削工具，早在上世纪30年代初就进入了商业应用，但也无法与天生就更强的WC-Co基刀具相抗衡。上世纪60年代钼的增加、80年代TiCN对TiC的取代以及90年代TaC、NbC、ZrC、HfC、WC、VC、Cr3C2以及Co的增加，开发了抗磨损性能、抗热冲击力以及强度不同组合的金属陶瓷，使得金属陶瓷刀具可以适合各类不同的需要，如对碳钢、合金钢、不锈钢、球墨铸铁、高温合金、易切削铝以及其它非铁合金的半精加工和精加工。虽然金属陶瓷原本具有很高的化学稳定性，但为了提高它的韧性而增加镍、钴结合剂的含量已使它具有一定的化学反应性，以涂覆加工黑色金属所需的硬涂层。然而，CVD涂层过程中的高温有可能产生含有镍和钛的脆性的金属间化合物，因此，金属陶瓷刀具都采用PVD涂层。未完待续

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