涂层高速钢刀具

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1 概述

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    在高速钢刀具的基体上，用物理气相沉积方法(PVD)，涂覆耐磨材料薄层，可以大幅度地提高高速钢刀具的使用性能。—般，涂层材料用TiN、TiC等，但多采用TiN。涂层后，刀具表面呈金黄色。涂层厚度为5～10µm。

    涂层高速钢刀具约在1980年出现在国际市场。发展极为迅速，20年来，它已在高速钢刀具中占有一定比重。在美国、日本、德国，近一半的齿轮加工刀具及立铣刀、钻头等采用涂层，提高了切削效率，获得了显著的经济效益。我国对涂层高速钢刀具的研究从80年代开始。近十年中，刀具制造行业已从美国、日本引进了近10套PVD涂层设备，已出售各种涂层高速钢刀具产品。在各地区和各部门，拥有数量众多的国内制造的涂层设备，所用的物理气相沉积方法不同，有电弧发生等离子体气相沉积法、等离子枪发射电子束离子镀法、中空阴极枪发射电子束离子镀法、e形枪发射电子束离子镀法等，各有特色和优缺点，涂层产品质量亦有差异，电弧发生等离子体气相沉积法用得最多。

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2 涂层高速钢刀具的优点

    TiN的硬度为HV1800～2000，密度为5.44g/cm²，热导率为29.31W/(m·℃)，线膨胀系数为(9.31～9.39)×10-6/℃。而高速钢基体的硬度仅为HV800～850。故涂层后的高速钢刀具，表面有硬层，耐磨性好，与被加工材料之间的摩擦系数小，基体材料的韧性不降低。实用情况表明，与未涂层的高速钢刀具相比，涂层后高速钢刀具的切削力可降低5～10％，由于涂层材料有热屏障作用，刀具基体切削部分的切削温度也有所降低；工件已加工表面粗糙度减小；刀具使用寿命显著提高。

3 切削实验数据

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    作者用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2高速钢车刀与涂层后的刀具进行切削实验对比，主要对比它们的刀具磨损与使用寿命。

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实验一：工件材料：60Si2Mn(调质，HRC40)。 & @) r# v x* T5 c n5 R

车刀几何角度：g_o=16°，a_o=8°，k_r=45°，l_e=-4°，b_e=0.5mm。

切削用量：a_p=0.5mm，f=0.2lmm/r，ν=25m/min干切削。

磨损曲线如图1所示。
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图1 涂层与未涂层高速钢车刀的磨损曲线

图2 涂层与未涂层高速钢车刀的磨损曲线

图3 涂层与未涂层高速钢车刀的T-v曲线

实验二：工件材料：60Si2Mn(调质，HRC40) ! q% @$ ?' @) Z: u* e/ {6 ?

车刀几何角度：g_o=10°，a_o=8°，k_r=45°，l_e=0°，b_e=0.5mm。 8 N: X" X( F7 f5 H

切削用量：a_p=O.5mm，f=0.21mm/r，ν=25m/min，干切削。

磨损曲线如图2听示。 % L2 B* x6 C: I+ s7 a2 w

实验三：工件材料：38CrNi3MoVA(调质，HRC36～40)。

车刀几何角度：g_o=8°，a_o=8°，k_r=75°，l_e=-4°，b_e=0.8mm。 & c3 n" K4 I/ r) d: j- b

切削用量：a_p=1mm，f=0.2mm/r，VB=0.5mm，干切削。

T-v曲线如图3所示。 % L& `, w' y. i2 `' f; J! f2 J

图3中，T-ν公式的Taylor方程如下：

0 n5 z \, { Q) X1 j: u/ \, Y3 Z/ s8 t8 [) O. b+ Z) y. b8 p4 X8 [9 U/ v+ Z2 x* V; T7 h0 @2 ~! |3 R' {" i

v=58/T0.37	(W18Cr4V)
v=57/T0.21	(W18Cr4V+TiN)

式中：v—切削速度，m/min； 3 m1 q. l' B6 l; y

T—刀具使用寿命，min。

由图1至图3可见，涂层高速钢刀具的使用寿命是未涂层刀具的2～3倍，甚至更多。

4 使用经验

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    涂层高速钢刀具可用于车刀、铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀、齿轮滚刀和插齿刀，刀具使用寿命有不同程度的提高。涂层高速钢车刀用得较少，其使用寿命的提高也不是最显著的。涂层高速钢麻花钻、立铣刀、丝锥等刀具应用最广，使用寿命提高显著，这些刀具经过重磨，涂层仍起作用。例如，涂层高速钢钻头在涂层后第一次使用时，与未涂层钻头比，使用寿命可提高3倍以上；重磨时已将后刀面的涂层磨掉，但前刀面上尚保留涂层，寿命尚可提高2倍以上；第二次重磨后刀面后，其寿命仍有一定幅度的提高。对于刃磨前刀面的刀具(如涂层齿轮滚刀、插齿刀)，在刃磨后，仍有延长刀具使用寿命的效果。

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    涂层高速钢刀具在国内的应用尚不够广泛。但是，可以肯定地说，它对难加工材料的切削以及在先进制造设备上(如数控机床、加工中心)，将发挥重要作用。