刀具涂层的选择以及刀具的重磨与再涂层

导读:
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,有时甚至会引起比未涂层更多的问题。

一、刀具涂层的选择

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,有时甚至会引起比未涂层更多的问题。

刀具涂层的选择以及刀具的重磨与再涂层

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。下面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)、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。TiCN涂层比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%,其硬度变化范围为3000~4000HV(取决于制造商)。表面硬度高达9000HV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。

刀具涂层的选择以及刀具的重磨与再涂层

(3)、表面润滑性

高摩擦因数会增加切削热,导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦因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。与未涂层的刀具相比,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它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,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,用成形丝锥加工铝质工件时加工完每个孔后丝锥上粘附的铝屑会增加,以致最后使得丝锥直径变得过大,造成工件尺寸超差而报废。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。

刀具涂层的选择以及刀具的重磨与再涂层

二、刀具的重磨与再涂层

硬质合金和高速钢刀具的重磨和再涂层是目前常见的工艺。尽管刀具重磨或再涂层的价格仅为新刀具制造成本的一小部分但却能延长刀具的寿命。重磨工艺是特殊刀具或价格昂贵刀具的典型处理方法。可进行重磨或再涂层的刀具包括钻头、铣刀、滚刀以及成形刀具等。

涂层刀具磨损后必须进行重磨。涂层刀具重磨时,须将刀具上的磨损部分全部磨掉。对于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、齿轮滚刀和插齿刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如钻头和铰刀等),若在其毗邻切削刃的另一个面(如钻头的螺旋出屑槽)上的涂层未受损伤,刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂层刀具,其刀具寿命可达原来新涂层刀具寿命的50%左右或更长,仍比未涂层刀具的寿命要高。

刃磨涂层硬质合金刀具所用砂轮可采用金刚石砂轮。但刃磨涂层高速钢刀具时,用立方氮化硼CBN砂轮磨削有较好效果。刀具的磨损处应全部磨出,涂层不能剥落,又不能使刀具退火。

使用涂层刀具的一个重要问题是重磨后刀具切削性能恢复的问题,即刀具每次刃磨后可否进行重复涂层的问题。对于重磨的成形刀具,只有进行重涂,才能保证刀具的总寿命提高3~5倍以上。凡重涂刀具首先必须按工艺要求将几何参数磨好,其磨光部分不允许存在各种质量缺陷,如磨损、毛刺等。重涂时可采用局部屏蔽技术只对刃磨面进行涂层。对于不采用屏蔽技术的重涂,在重涂4~6次后,刀具的非刃磨面的涂层厚度就会过大,从而影响刀具的精度和产生局部剥落现象,此时要对刀具进行脱膜处理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低于第一次新涂层刀具,刀具可重涂多次,直到报废为止。

由此可知,重涂对提高刀具耐磨性和生产率有很大的潜力。但重磨后是否要重涂,还要看该刀具在技术上可否重涂和在经济上是否合算而定。