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常見問題

涂層,不可或缺

來源:山東瑞鉆工程裝備有限公司 2015-01-07查看:2903

摘要:涂層,不可或缺

涂層刀具是在強度和韌性較好的硬質合金或高速鋼(HSS)基體表面上,利用氣相沉積方法涂覆一薄層或多層、甚至多達千層以上耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物,如TiC、TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3、C3N4、MoS2、DLC及金剛石等材料。可涂單一的涂層,也可涂復合和多元涂層。日本住友電工公司推出的一款高速強力型鉆頭,它是在鎢鈷類硬質合金基體上交互涂覆了1000層TiN和AlN納米超薄膜薄層,涂層總厚度約2.5μm。該公司開發出的ZX涂層立銑刀,超薄膜薄層數多達2,000層,每層厚度約1納米,從而解決了刀具材料的硬度和耐磨性越高而強度和韌性越低的矛盾。

涂層作為一個化學屏障和熱屏障,減少了刀具與工件間的擴散和化學反應,從而減少了月牙洼磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦系數小和熱導率低等特性,切削時可比未涂層刀具提高使用壽命3-5倍以上,提高切削速度20%-70%,提高加工精度0.5-1級,降低刀具消耗費用20%-50%。因此,涂層刀具已成為現代切削刀具的標志。在工業發達國家涂層刀具使用比例已超過70%,美國在數控機床(NC)和加工中心(MC)上使用的刀具80%-85%都是涂層刀具。目前,切削加工中使用的各種刀具,包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀、插齒刀和剃齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

必須指出的是,涂層刀具目前在使用中存在一個誤區,由于其表面硬度高,當刀具磨損或涂層剝落時,因用普通砂輪刃磨時磨削比小,重磨困難,不少操作者就把它作為不重磨刀具而丟棄,造成極大的浪費。涂層刀具磨損后必須進行重磨。涂層刀具重磨時,需將刀具上的磨損部分全部磨掉。對于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、成形車刀、成形銑刀、齒輪滾刀和插齒刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如鉆頭和鉸刀等),若在其毗連切削刃的另一個刀面(如鉆頭的螺旋出屑槽)上的涂層未受損傷,刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂層刀具,其刀具使用壽命可達原來新涂層刀具壽命50%左右或更長,仍比未涂層刀具的壽命要高。

刃磨涂層硬質合金刀具所用的砂輪,可采用金剛石砂輪。但刃磨涂層高速鋼刀具時,用立方氮化硼砂輪磨削有較好的效果。刀具的磨損處應全部磨去,涂層不能剝落,但又不能使刀具退火。

使用涂層刀具的一個重要問題是重磨后刀具切削性能恢復的問題,即刀具每次刃磨(開口)后可否再進行重復涂層(重涂) 的問題。表1中列出了涂層高速鋼齒輪滾刀和插齒刀,重磨前刀面后再進行重涂后的刀具耐磨性試驗結果。

表1 無涂層與涂層及重復涂層齒輪滾刀和插齒刀的加工齒輪數

從上表可見,經涂層及重復涂層后的齒輪滾刀和插齒刀的使用壽命有明顯提高。實際試驗表明,在上述齒輪滾刀和插齒刀的重復涂層面上,膜層厚度沒有明顯增加,而用多次重涂后的刀具加工出的齒輪仍能達到圖樣上規定的精度要求。齒輪滾刀經過17次重復涂層后,刀齒后刀面涂層膜的累積總厚度仍只有5-6μm,而且涂層膜在刀具表面上是均勻的,新涂上去的膜層與原涂層形成冶金結合,兩者沒有可辨別的界層,也無明顯的空穴。重復涂層對其它刀具如麻花鉆、鉸刀和立銑刀等也同樣有效。

涂層刀具重涂時,除可使用原涂層材料外,也可采用新的涂層材料。實際使用表明,TiN涂層刀具重涂時若采用TiAlN新的涂層材料,無論是切削速度或者是刀具使用壽命均將有明顯提高。此外,涂層刀具的使用壽命與膜層厚度也有一定的關系。若以后刀面磨損為基準,隨著膜層厚度的增加刀具壽命也會增加,但膜厚為5μm時達到飽和,即壽命不再明顯增加。如果以前刀面月牙洼深度為刀具壽命的基準,刀具壽命與膜層厚度成正比,未發現飽和現象。但膜層太厚時易引起剝落,因而現在刀具的涂層厚度一般不超過5-10μm。

對于重磨的成形刀具,也只有進行重涂,才能保證刀具的總壽命提高3-5倍以上。凡重涂刀具首先必須按工藝要求將各幾何參數磨好,其磨光部分不允許存在各種質量缺陷,如磨糊、毛刺等。重涂時可采用局部屏蔽技術只對刃磨面進行涂層。對于不采用屏蔽技術的重涂,在重涂4-6次后,刀具的非刃磨面的涂層厚度就會過大,從而影響刀具的精度和產生局部剝落現象,此時要對刀具進行脫膜處理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低于第一次新涂層刀具,刀具可重涂多次,直到報廢為止。

從上可知,重涂對提高刀具耐磨性和生產率是有很大潛力的。通常,硬質合金生產廠一般都能進行重涂。

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