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对小型圆形机床刀具进行正确的表面处理可以提高刀具寿命,减少加工循环时间,提升加工表面质量。但是,根据加工需要正确选择刀具涂层有可能是一件令人困 惑和费劲的工作。每一种涂层在切削加工中都既有优势又有缺点,如果选用了不恰当的涂层,有可能导致刀具寿命低于未涂层刀具,有时甚至会引出比涂层以前更多的问题。
目前已有许多种刀具涂层可供选择,包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD的复合涂层等,从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地 获得这些涂层。本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方案。在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时,涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。
1.涂层的特性
(1)硬度
涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言,材料或表面的硬度越高,刀具的寿命越长。氮碳化钛(TiCN)涂层比氮化钛(TiN)涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量,使TiCN涂层的硬度提高了33%,其硬度变化范围约为Hv3000~4000(取决于制造商)。表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟,与PVD涂层刀具相比,CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了10~20倍。金刚石涂层的 高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2~3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。
(2)耐磨性
耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高,但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。
(3)表面润滑性
高摩擦系数会增加切削热,导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热,因为光 滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比,表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工,从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。
(4)氧化温度
氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高,对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层,但事 实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝,氧化铝层可将热量从刀具 传入工件或切屑。与高速钢刀具相比,硬质合金刀具的切削速度通常更高,这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层,硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种 PVD TiAlN涂层。
(5)抗粘结性
涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应,避免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属(如铝、黄铜等)时,刀具上经常会产生积屑 瘤(BUE),从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料开始粘附在刀具上,粘附就会不断扩大。例如,用成型丝锥加工铝质工件时,加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加,以至最后使得丝锥直径变得过大,造成工件尺寸超差报废。具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起到 很好的作用。
CNC磨削不仅比手动磨削更快,同时还可以加工出更好、一致性更高的刀具,因为它不依赖于操作员的技能。许多高速加工中心采用具有复杂几何结构的刀具,诸如每个齿其有不同螺旋线结构的钻头,或者整个刀具上螺旋线不断变化的钻头。这样的刀具很难或者说不可能通过手动磨削形成很好的结果。而通过多种软件选项,新的CNC机床却可以很方便地磨削复杂的刀具几何结构。
钻头的CNC磨削可以确保在直径、齿间空间、刀具半径方面不存在偏差,因此每把刀具都将均匀切削。这些特征的非一致性可能导致在各个刀齿上产生额外应力,从而降低刀具寿命。刀具的一致性可以保证长时间进行不间断切削,因此换刀时间可以依据实际情况规定,从而彻底用完刀具的可用寿命。此外,一件工件需要的刀具把数可以通过生产调度精确确定,从而减少刀具库存。好的刀具发热最少,振动低,因此机床寿命更长,维护更少,同时加工出的表面粗糙度更高。另外,CNC磨削还可以采用韧度更高的刀具材料,这种刀具可以保证更高的切削速度,形成更好的表面粗糙度。
通常,手动磨削是在干磨削状态下完成的,而CNC磨削则具有许多冷却液选项。采用高压冷却液可以防止切削刃发热,从而保证切削速度更高,刀具寿命更长。
实现经济型高生产率最重要的因素是切削速度,而不是刀具成本或刀具寿命。例如,工业数据表明,刀具成本降低30%只能使每件产品的成本降低1%。类似地,刀具寿命提高50%也只能使产品成本降低1%。但是,切削速度提高20%(尽管刀具成本增加50%)却可以使每件产品的成本降低15%。CNC磨削成的高质量刀具很容易就能让切削速度比手动磨削刀具的高20%。