涂层技术与提高工具性能的关系

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    当前，我们面临着一个不可回避的课题，那就是提高加工工艺的高精度、高质量化程度，只有这样才能在加工行业立于不败之地。同时，缩短加工时间和降低加工成本也是这一课题的重要一环。通过分析不难看出，零件和模具加工成本的市场平均比例分别是工具费占5%，管理费25%，加工费70%。从高效率低成本的角度来看，即使工具费用减半，成本也只能降低2.5%，但如果把加工时间缩短一半的话，加工成本就会降低35%，同时，加工周期也将是原来的一半。  
    为了实现工时减半的目标，自然需要新的加工工具，即能实现高速加工和高速进给的刀具。但无论刀具具有哪种性能，都避免不了切削温度上升的问题。  
    现有的涂层都是以提高耐磨性能为目的。然而，在今天这种高效率加工过程中，当切削温度达到900℃以上，就产生了刀具氧化的新问题。因此，现有的涂层已不能适应高效率的加工，而研发一种既能提高耐磨性，又能提高抗氧化性和润滑性的新型多功能硬质涂层已迫在眉睫。  
    在这种背景下，日立公司开发了世界首创的“纳米结晶涂层”，使刀具涂层的多功能化成为可能。本文将介绍TiSiN纳米涂层、CrSiN纳米涂层和TiBON纳米涂层的特征。  
1．TiSiN类纳米涂层  
    （1）物理性能与结构  
    TiN类涂层的Si含量与硬度的关系为：随着Si含量的增加，涂层硬度显著提高。另外，现有TiAIN涂层的硬度约为3500HV左右，而Si含量在理想状态下的TiSiN类涂层的硬度可达到4000HV。  
    由涂层断面TEM图像可以看到，它是由几个纳米形成的微细晶粒构成的，进而可以确认多个与矩阵型组织不同的原子排列区域（几个nm）。涂层的电子衍射结果显示：纳米结晶粒由fcc结构构成，矩阵为非晶质结构。这说明TiSiN类涂层是由具有超微细晶粒的组织构成的，这种组织在切削刀具现有的硬质涂层中是找不到的。这种普通硬质涂层所不具备的超微细晶粒结构便是其实现高硬度的重要因素。  
    （2）高硬钢的高速切削性能  
    以高硬钢材料SKD11（60HRC）的侧面铣削加工为例。切削速度为150m/min，干式切削，径向切削深度为刀具直径的5%，冷却空气气压：4MPa。由辐射温度计测定的刀具表面温度可估算出刀具的磨损状态。当切削过程中达到一定发热量时，各刀具均不能切削，且加工表面出现灼痕。刀具的温度均达到400℃，切削区的温度在相同测试中甚至达到了800℃～900℃。说明新开发的TiSiN类复合涂层（TH膜）铣刀的切削性能是目前使用的TiAIN类涂层刀具切削性能的2～3倍。  
2．CrSiN类纳米涂层  
    在低碳钢或调质钢（42HRC以下）材料的加工中，被切削材料在切削刃涂层上反复粘附或脱落，脱落时对切削刃的损伤会导致加工表面的粗糙和刀具寿命的降低。要改善这一现象，必须提高涂层膜的抗粘附性。日立公司研发了一种抗粘附性和耐磨损性兼备的CrSiN类纳米复合涂层（CS膜），它保持了润滑度和硬度两种优良特性。CS膜是由几纳米的超微细晶体或富含Si的非结晶体形成的复合物，从而具备了润滑性和耐磨性。  
    CS涂层刀具湿切削及干式切削碳素钢S55C（220HB）的试验数据证明CS涂层刀具具有不易受切削液影响的特点，从而增加了使用的方便性。  
    由于CS膜具有良好的耐磨损性，使切削速度达到现有TiAIN类涂层刀具的3倍，实现了298m/min的高速切削，同时，也实现了3.8倍进给速度的高进给，使加工时间缩短74%，加工费用降低了36%。  
    传统球头铣刀在球头切削刃中心附近磨损很大，与之相比，CS膜球头铣刀的切削刃始终保持均匀稳定的磨损状态。  
3．高进给加工用TiBON类涂层  
    （1）涂层的特点  
    用高温摩擦磨耗试验机测定的不同涂层材料的摩擦系数结果证明，添加BN及O的TiBON类涂层在常温下的摩擦系数只比TiAIN略低一点，但在常压、700℃高温之下则降至TiAIN的一半。对TiBON涂层化学结合状态进行研究的结果表明，在涂层膜中有B-N结合存在。这种B-N的化学构造解析结果说明：TiBON涂层膜中有c-BN和h-BN结晶存在。另外，同样的解析还确认了膜中含有Ti-O氧化物。在陶瓷领域素有争议的BN结晶具有固体润滑性能，且在高温下化学性能稳定。本次研发的涂层产品又进一步加入了氧化物，使之在高温下的化学性能更具稳定性。这种BN结晶的存在使提高润滑性的效果得到充分发挥，成为降低高温下摩擦系数的重要因素，从而抑制了高速进给加工过程中的月牙洼磨损。  
    （2）高速进给加工实例  
    以高速进给切削加工SKD11为例。在传统的200m/min切削速度条件下，将进给量设定为1.3mm/齿，实施高进给量的加工。刀具为日立公司设计的高进给专用铣刀——ASR型铣刀（Alpha Super Radius铣刀）。涂层的评价程序是：测定切削过程中产生的月牙洼磨损的宽度，直到涂层最终缺损为止。试验结果显示，TiBON涂层刀片的月牙洼磨损明显得到抑制，刀具寿命是现有TiAIN涂层刀具的3倍。  
    以上介绍了使用纳米复合涂层刀具进行的高速高效加工以及使用最新切削刀具进行高效加工的技术。希望这些技术不仅有助于延长刀具的寿命，还能通过最新刀具附加价值的有效发挥，实现真正意义上的降低成本（减少加工费用），以利于公司在经济全球化竞争中立于不败之地。