涂层刀具的研究现状

高速切削和干切削技术的广泛应用推动了刀具涂层材料和涂层技术的发展.文中全面综述了刀具涂层材料、单涂层和多涂层结构、物理和化学涂层工艺、纳米涂层工艺的最新研究进展.     

精密复杂高速钢刀具涂层技术分析

高速钢是制造精密复杂刀具的主要材料,高速钢刀具一般采用PVD涂层技术,多元、梯度、纳米结构涂层开发应用拓展了涂层技术新领域,因此,发展自主产权涂层技术具有重要的现实意义。文中重点介绍了几种刀具材料、涂层方法、涂层分类及涂层技术的发展历程、现状及趋势等。     

刀具涂层技术现状与发展趋势

切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。本文对涂层刀具类别、性能及涂层材料进行了介绍,对常用的涂层方法及一些新的涂层方法进行了阐述,并对涂层技术的国内外现状和发展趋势进行了综合分析与介绍。     

刀具涂层材料的发展

采用涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率.我国的刀具涂层材料经过多年发展,目前正处于关键时期,充分了解国内外刀具涂层材料的现状及发展趋势,有计划、按步骤地发展刀具涂层材料,对提高我国切削刀具制造水平具有重要意义.     

刀具涂层技术及涂层刀具切削性能的试验研究

在阐述刀具硬质涂层技术发展新动向的基础上,通过车削、铣削及攻丝的切削试验证明:涂层刀具的切削力总比未涂层刀具的小,且不同涂层刀具的切削力减小程度不同,在试验的几种涂层刀具中,AlTiN涂层、TiCN-WS2涂层刀具的切削力减小得多些.     

刀具涂层技术的应用

自20世纪60年代末化学气相沉积(CVD)涂层硬质合金刀片问世以来,涂层技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。而20世纪80年代初,TiN物理气相沉积(PVD)涂层高速钢刀具的出现,又使高速钢刀具的性能发生了革命性的变革。由于涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命,     

刀具涂层技术的最新发展状况

介绍了国内外刀具涂层技术的最新发展状况和开发动向,并对我国切削刀具涂层技术的发展提出了建议。     

涂层刀具的最新动向及其合理应用

本文介绍了目前技术上较为成熟的涂层硬质合金刀具和涂层高速钢刀具的技术动向和有效使用方法。     

高速钢刀具激光涂层技术和性能的研究

涂层刀具以其优良的切削性能日益受到关注，本文阐述了高速钢刀具激光涂层技术的可行性和实用性，系统地研究了涂层的组织结构，厚度，显微硬度和耐磨性，实验结果表明，高速钢刀具的激光涂层技术具有使用方便，灵活的特点，涂层后的刀具性能明显提高，其组织结构较未涂层材料有明显改善，其使用寿命较未涂怪刀具提高三倍以上。     

切削刀具PVD涂层技术的研究与发展

PVD涂层技术较之CVD具有显著优点,成为新型刀具涂层的主流技术之一。低温沉积最有效的磁控溅射方法,沉积速率高,工作气压低,镀膜质量高,工艺稳定,便于大规模工业生产,在切削刀具涂层应用中发展迅速。切削加工技术发展对刀具涂层硬度耐磨性抗氧化性与基体结合强度等综合机械性能的要求不断提高,超硬多元和多层等新型涂层得到开发,尤其是基于低温PVD沉积技术的纳米复合涂层正在成为研究热点,并显示出良好的发展前景。     

不同涂层刀具切削淬硬H13钢加工性能研究

为了研究不同涂层刀具切削淬硬H13钢的切削性能,进行了多层Ti化合物涂层、TiAlN涂层以及MTTiCN厚Al_2O_3TiN涂层材料刀具车削加工淬硬H13钢试验,分析了不同的涂层材料刀具与切削力、切削温度、涂层刀具磨损以及刀具寿命的关系。研究得出:多层Ti化合物涂层刀具受到三个方向的力都大于其它两种涂层的刀具,而且切削温度最高;用TiAlN涂层刀具切削时温度最低;切削过程中三种刀具后刀面磨损程度不同,发现多层Ti化合物涂层刀具磨损最为严重,寿命最短;MT-TiCN厚Al_2O_3Ti N涂层材料刀具比多层Ti化合物涂层刀具寿命长30%;TiAlN涂层刀具的切削寿命最长比多层Ti化合物涂层刀具寿命长45%。     

TiVN涂层的耐磨性与切削性能的关联研究

通过多弧离子镀沉积技术制备了TiN和TiVN涂层,对比了两种涂层在不同工况下的摩擦磨损性能和切削性能,并指出影响刀具涂层服役性能的主要因素。结果表明,V元素掺杂有效提高了TiN涂层的硬度和结合力、减小了TiN涂层的摩擦因数和低温下的磨损率,但V容易氧化的特性导致500 ℃及以上温度TiVN涂层产生较高的磨损率。切削测试表明,在麻花钻的主切削刃和横刃区域两种涂层发生明显的剥落,而在后刀面涂层未发生明显剥落,TiVN涂层较高的膜基结合强度和耐磨性能使得它对刀具的防护效果更佳;刀具涂层的服役性能与其耐磨性能和膜基结合强度有关,刀具的主切削刃和横刃区域对涂层的耐磨性能和膜基结合强度有着苛刻的要求,且切削刃尖端温度较高,对涂层的高温耐磨性能和膜基结合强度要求也高。     

硬质合金刀具高能离子源增强多弧镀AlCrTiSiN梯度涂层制备及性能研究

采用离子源增强的多弧离子镀新技术,在硬质合金刀具表面制备了不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN梯度涂层,并对涂层组织结构、残余应力、结合强度、摩擦磨损以及铣削和钻削加工灰铸铁性能进行了详细的研究。结果表明：不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN涂层主要由固溶的(Al,Cr) N、(Al,Ti) N相和非晶态Si₃N₄相组成。其中,含Si层梯度变化最缓和的G3(Gradient 3)涂层具有较高的结合强度,较低的残余压应力、摩擦因数和磨损率。铣削和钻削试验显示,涂层刀具的切削磨损机理主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。G3涂层降低了磨粒磨损,其刀具的铣削和钻削寿命均最高,这主要得益于其含Si层的梯度设计、适当的压应力(-3.8 GPa)以及良好的膜基结合强度。研究结果表明,通过对含Si层进行梯度设计可显著提高涂层刀具的切削性能。     

涂层Si_3N_4陶瓷刀具切削性能研究

研究了不同切削参数对TiN+Al2O3涂层氮化硅陶瓷刀具切削灰铸铁的切削性能的影响,使用工具显微镜、SEM/EDS手段分析了涂层氮化硅刀具的磨损机理,实验还采用相同基体氮化硅陶瓷刀具做了对比分析。研究结果显示TiN+Al2O3涂层氮化硅刀具可以承受比较大的切削用量,对提高加工效率有重大意义;还发现涂层氮化硅陶瓷刀具主要失效形式为磨粒磨损,粘结磨损,在较高切削速度条件下前刀面还会出现因化学磨损形成的月牙洼。     

低温冷风高速切削时硬质合金涂层刀具磨损的研究

分别在常温微润滑、低温冷风和低温冷风微润滑条件下高速切削难加工材料,对硬质合金涂层刀具磨损形态、微观形貌进行对比分析,研究绿色制造工艺中低温冷风高速切削加工时硬质合金涂层刀具磨损机理。     

TiCN涂层硬质合金刀具铣削性能研究

采用Kistler三向压电铣削测力仪测试了刀具切削45钢过程中的切削力,利用超景深显微镜、扫描电镜和能谱仪观察分析刀具切削后的磨痕宽度、形貌和成分,获得了未涂层刀具HSS、TiN和TiCN涂层刀具的切削时间与磨痕宽度关系图,探讨了刀具的切削失效机理。采用XRD分析了涂层刀具铣削前的相结构,结果表明:TiN与TiCN涂层均表现为fcc-TiN相结构,TiCN具有明显的(111)择优取向,TiN择优取向不明显。切削试验表明:在磨痕宽度达到0.3mm时,TiCN涂层刀具的切削时间比TiN涂层刀具切削时间约长2.5倍,同时整个切削过程中TiCN比TiN具有更低的切削力。这可能是因为TiCN涂层比TiN涂层具有更高的硬度和耐磨性,并且切削过程中TiCN涂层中固溶的C能析出至晶界处,起到润滑作用,降低刀具与工件材料之间的摩擦,减小切削力,延长刀具使用寿命。SEM和EDS分析表明:TiN涂层刀具磨损失效机理为磨料磨损和粘着磨损,而TiCN涂层刀具失效以磨料磨损为主。     

高速干式切削加工技术及其应用

综合评述了高速干式切削加工技术的特点及优势,详细分析了实现高速干式切削加工的关键技术(包括机床、刀具及涂层、加工参数、加工辅助技术等),简要介绍了高速干式切削加工技术的实际应用。     

硬质合金铣刀涂层性能的试验研究

针对涂层材料改善刀具切削性能这一问题,本文采用常速试验和高速试验的方法,对比分析了七种涂层材料对铣刀切削性能的改善程度。试验结果表明:涂层性能优越与否与切削速度有很大关系,AlCrN和TiAlCN涂层铣刀更适合高速切削;而AlTiN涂层铣刀不适合高速切削;TiN涂层铣刀无论在常速和高速切削时性能均表现不佳,高速切削时磨损相对更快;CrN+TiN复合涂层抗氧化能力较好,但抗磨能力相对较差。     

High-Speed Machining of Malleable Cast Iron by Various Cutting Tools Coated by Physical Vapor Deposition

The coating material of a tool directly affects the efficiency and cost of machining malleable cast iron.However,the machining adaptability of various coating materials to malleable cast iron has been insufficiently researched.In this paper,turning tests were conducted on cemented carbide tools with different coatings(a thick TiN/TiAlN coating,a thin TiN/TiAlN coating,and a nanocomposite(nc)TiAlSiN coating).All coatings were applied by physical vapor deposi-tion.In a comparative study of chip morphology,cutting force,cutting temperature,specific cutting energy,tool wear,and surface roughness,this study analyzed the cutting characteristics of the tools coated with various materials,and established the relationship between the cutting parameters and machining objectives.The results showed that in malleable cast iron machining,the coating material significantly affects the cutting performance of the tool.Among the three tools,the nc-TiAlSiN-coated carbide tool achieved the minimum cutting force,the lowest cutting tempera-ture,least tool wear,longest tool life,and best surface quality.Moreover,in comparisons between cemented-carbide and compacted-graphite cast iron machined under the same conditions,the wear mechanism of the coated tools was found to depend on the cast iron being machined.Therefore,the performance requirements of a tool depend on multiple factors,and selecting an appropriately coated tool for a particular cast iron material is essential.