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优化涂层助刀具提升竞争力

优化涂层助刀具提升竞争力 2011年12月03日 来源： 涂层质量的好坏对刀具的生产起着至关重要的作用，只有综合考虑刀具的设计和生产中的所有因素，如刀具的几何形状、应用条件等，才能提升企业的整体竞争力。值得引起注意的是，目前，虽然涂层在刀具生产中起着至关重要的作用，但是人们对于涂层的性能、涂层是如何应用到特定领域，或如何弥补刀具外形不足以提高刀具性能等知识，仍然知之甚少。CemeCon公司通过多年的生产实践和经验积累，从中得出：只有综合考虑刀具的设计和生产中的所有因素，生产者才有能力生产出一个成功的产品。

目前，业内仍普遍认为给刀具镀膜就可以延长刀具的使用寿命。但是，刀具的磨损程度能够作为判断刀具涂层好坏的惟一标准吗？从图1可以看出，回答是否定的。对于几何形状为（A）的TiN涂层刀具来说，看不出存在明显的改善迹象。而通过将刀具的正交斜度改变1 （B），并且改变余隙的大小，不难看出刀具的使用寿命明显延长了。

图1 切削刀具的几何形状对于HSS刀具磨损性的影响：几何形状A: S=6，μ=5，几何形状B:S=5，μ=6；Vc=67m/min，f=0.25mm，ap=2.5mm

这个例子表明：刀具的几何形状和涂层具有复杂的相互依赖性。另外一个影响性能的因素是切削速度。只有在加快的切削速度以及由此而产生超强的切削负载包括高温热应力这些条件下，涂层所带来的好处才能变的明显起来。因此只有人们对刀具的几何形状、基体材料、涂层以及应用条件给以同样的关注时，才能开发出成功而又经济的刀具。同时，涂层的应用将影响切削刀刃上切屑的形成过程，涂层的摩擦性和热物理性将改变切屑的流动速度，厚度以及曲率。涂层的存在减少了传递给刀具的热量。这一事实导致了切屑温度的极大变化。例如，低热导率的TiALN涂层的应用将直接影响切屑的形成，使切屑的温度升高。

图2 HSS 刀具涂层对于变形的碎屑厚度的影响。材料： 34CrMo 4V，Vc=30m/min，f=0.2mm，ap=2.0mm

行业内有一种误导性的讨论，就是认为某些涂层具有低的热渗透值（与热导率概念相似），但刀具实际上并没有真正的防热保护。这表明，即使涂层的厚度达到几个微米，HSS刀具的切削刀刃仍没有得到保护，从未达到硬质合金基底材料所具有的耐热强度。然而，实际上当使用被涂覆的刀具时，在刀刃上确实测到很低的温度（图3）。

图3 涂层对HSS钻头温度的影响材料：42CrMo 4V，涂层：TiN，2μm，f=0.1mm

抗磨损作用的涂层涂层的一个基本功能就是有效的保护刀具，抑制刀具经受各种各样的磨损。人们常说“越硬越好”，认为涂层硬度越高，效果越好。然而，这一普遍公认的说法值得商榷。一般来说，涂层的硬度在很大程度上取决于温度。温度超过500℃以上（这一温度在切削刀刃处很容易达到），许多涂层材料的温度值就已无法与在室温条件下的测试值相比。另外，温度一旦升高，特定的涂层就不再具有机械稳定性，开始氧化。新型刀具表面形状如今，通常的涂层厚度在微米尺寸范围内，涂层工艺基本上真正展现了刀具的原本的表面形貌。也就是说，经过涂层后，一个原本粗糙的刀具表面仍然是粗糙的。但如果通过显微镜观察，情况就会有所不同。有些特殊的涂层工艺可以生成事实上完全无缺陷的光滑的涂层表面，而其他的工艺却只能生成带有颗粒（液滴）的较为粗糙的表面质量。对于很多应用场合来说，这种粗糙度并不是非常关键。但是在深孔钻削加工中，由于切屑流至关重要，这时粗糙的涂层便会带来问题。解决方案只有两种：一是选择“光滑”的涂层；二是为刀具提供带润滑层的复合涂层。深入认识涂层另一个不可低估的因素是涂层的厚度。一般情况下，涂层厚度为几个微米。然而具体应用中，为了使刀具获得最佳性能，有时需要给刀具涂上一层超厚或超薄的涂层。例如，超厚的涂层更能抗纯粹的磨蚀，而一个超薄的涂层更能经受住受强时的交变负载。几年前，典型的金色TiN涂层还只是简单的结构，且成分单一。没有人会谈到复合涂层，纳米涂层或梯状结构涂层。如今情况却变得更为复杂。涂层工艺过程中针对性的控制将导致涂层结构和组分的变化，从而明显改变涂层的性能。最典型的例子便是TIALCN这种多成分涂层。只要调整涂层工艺便可以直接影响其硬度和延展性。涂层的残余应力起到了一个至关重要的作用，换句话说，即使是相同的涂层组分也可以获得不同的涂层质量。如今的涂层或刀具生产商必须具备调整涂层内部结构的能力，只有这样，才能最终获得优化的应用效率。正如行业内流行的一种普遍说法，通用性涂层，事实上在涂层设计时便打了折扣，目的是为了在广泛的应用上均获得不差的效率。然而，对于特定的领域来说，这样的涂层只能是备选方案。只有那些真正针对工具和应用条件的特定需求的涂层才能获得实质上的特定应用效果。如今，我们不能指望仅仅只是将那些印刷在产品样本上的涂层产品照搬到实际的应用场合便可以获得最佳的性能效果。涂层已经被视为是工具的一个组成部分，正如几何形状和基体材料一样，应该符合特定的应用条件并加以优化。由于现代涂层材料设计的复杂性和功能的广泛性，要想真正使最终用户完全获得其100%的使用价值，就必须仰赖工具制造商和涂层专家双方的技术知识。可以肯定的是，将来对加工应用来说，通用的标准涂层还有它的立足之地。然而，在现代高性能生产中，只有经优化涂层的刀具才能提高企业在市场中的竞争力。(end)

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