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刀具涂层的作用与性能优化

发布时间:2021-01-29

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金属切削加工必须满足对生产率和加工速度不断提高的要求。加工时产生的摩擦、工件和刀具的磨损是造成生产率损失的主要因素。根据德国摩擦学会的报告,在工业化国家,每年由摩擦和磨损造成的损失就占到社会生产总值的大约5%。中迈德总结刀具涂层的作用与性能优化分享给大家。

刀具涂层可以改善刀具的摩擦和磨损性能,因此在切削加工中必不可少。多年来,表面处理技术提供商一直在开发定制化的涂层解决方案,以提高刀具的耐磨性、加工效率和使用寿命。独特的挑战来自于对以下四个要素的关注与优化:①刀具表面的涂前和涂后处理;②涂层材料;③涂层结构;④涂层刀具综合加工技术。
刀具磨损来源
在切削过程中,一些磨损机理发生在刀具与工件材料的接触区。例如,切屑与切削表面之间的粘结磨损、工件材料中的硬质点对刀具的磨料磨损,以及摩擦化学反应(由机械作用和高温引起的材料化学反应)引起的磨损。由于这些摩擦应力会减小刀具的切削力和缩短刀具的使用寿命,因此它们主要影响刀具的加工效率。
表面涂层可以减小摩擦力的影响,同时,刀具基体材料可对涂层起到支撑作用,并吸收机械应力。摩擦系统性能的改善除了可以提高生产率以外,还能节省材料和降低能源消耗。
涂层对降低加工成本的作用
在生产周期中,刀具的使用寿命是一个重要的成本因素。除了其他含义以外,可将刀具寿命理解为机床在需要维护之前能够不间断加工的时长。刀具寿命越长,因生产中断而产生的成本就越低,机床的维护工作也越少。
即使在切削温度很高的情况下,使用涂层也可以延长刀具的使用寿命,从而很大降低加工成本。此外,刀具涂层还可以减少对润滑液的需求。这不但可以降低物料成本,而且还有助于保护环境
涂层前和涂层后处理对生产率的影响
在现代切削加工中,刀具要承受高压(>2GPa)、高温和不断循环的热应力。在刀具涂层之前和涂层以后,必须对其进行相应的工艺处理。
在刀具涂层之前,可采用各种预处理方法使刀具为随后的涂层工艺做好准备,同时明显提高涂层的附着力。通过与涂层的共同作用,对刀具切削刃的制备也能提高切削速度和进给率,并延长刀具的使用寿命。
涂层后处理(刃口制备、表面处理和结构化处理)对刀具的优化也起着决定性作用,尤其可以防止通过形成积屑瘤(工件材料粘结到刀具切削刃上)而可能造成的早期磨损。
涂层考虑因素与选择
对涂层性能的要求可能迥然不同。在切削时刃口温度很高的加工条件下,涂层的耐热磨损性能就变得极其重要。人们期望,现代涂层还应具有以下特性:优异的高温性能、抗氧化性能、高硬度(即使在高温条件下),以及通过纳米结构层设计而具有的微观韧性(塑性)。
对高效刀具而言,优化的涂层粘附性和合理分布的残余应力是两个决定性因素。首先,需要考虑基体材料与涂层材料的相互作用。其次,涂层材料与被加工材料之间应具有尽可能小的亲和性。通过采用适当的刀具几何形状和对涂层进行抛光的方式,可以明显降低涂层与工件发生粘结的可能性。
铝基涂层(如AlTiN)是切削加工行业常用的刀具涂层。在切削高温作用下,这些铝基涂层可以形成薄而致密的氧化铝层,而氧化铝层在加工中可以不断自我更新,并保护涂层和其下的基体材料不被氧化侵蚀。
通过改变铝含量和涂层结构,可以调整涂层的硬度和抗氧化性能。例如,通过增加铝含量,采用纳米结构或微合金化(即与低含量元素合金化),就可以改善涂层的抗氧化性能。除了涂层材料的化学成分以外,涂层结构的变化也会明显改变涂层的性能。不同的刀具性能取决于涂层微观结构中各种元素的分布状况。


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