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刀具涂层原理及可行性分析举例

发布时间:

2024年06月12日

根据金属切削原理，在正常切削时刀具的磨损主要包括以下几种：后刀面磨损；前刀面磨损，即月牙洼磨损；前后刀面同时磨损。刀具涂层是指在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢HSS基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性。

如图为涂层刀具与未涂层刀具的切削状况示意图

未涂层刀具与涂层刀具切削微观示意图左图未涂层刀具，因摩擦系数大等原因存在严重的积屑瘤，右图涂层后的刀具，摩擦系数小，无明显积屑瘤。物理气相沉积PVD是一种物理气相反应生长法。沉积过程是在真空或低气压气体放电条件下，即在低温等离子体中进行的。

涂层的物质源是固态物质，经过“蒸发或溅射”后在工件表面生成与基材性能完全不同的新的固态物质涂层。PVD涂层材料主要为TiN, TiCN, CrN, TiAlN, AlTiN, AlCrN,WC/C,DLC和金刚石等成份，不同的应用领域需选用不同的涂层材料。涂层的厚度通常只有几个微米，硬度却是钢铁的2到5倍。

目前市场上已经有用铬元素取代钛元素的涂层技术，例如单层Al，Cr，N基体涂层。这种涂层的高红硬性使其在极高的热负荷下仍可保持性能稳定，在高速切削、干式或准干式切削加工条件应用，试验证明性能优异。涂层的高硬度和抗磨损性使得可切削材料硬度达到HRC70 。

例如贯通轴产品材料为49CrMo4,热处理技术要求为感应淬火效硬化层深度5-7mm，表面硬度45-50HRC，心部为调质组织，硬度要求35-40 HRC。从理论上分析完全可以应用该种涂层刀具切削热后贯通轴。选用花键滚刀，涂层后进行工艺试验。在原来切削参数不变S=250r/minF=13m/min 的情况下，加工噪音明显降低。对加工出产品进行了质量跟踪，将任意抽检10件贯通轴花键跳动及M值变动量，从记录数据可以看出，应用涂层刀具热后滚切贯通轴加工精度完全符合图纸要求，该精度要求可以取消偏离。M值变动量减小后提高了与凸缘装配后侧隙变动量，从而提高了装配精度。

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