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涂层高速钢刀具

1 概述

在高速钢刀具的基体上，用物理气相沉积方法(PVD)，涂覆耐磨材料薄层，可以大幅度地提高高速钢刀具的使用性能。—般，涂层材料用TiN、TiC等，但多采用TiN。涂层后，刀具表面呈金黄色。涂层厚度为5～10 m。

涂层高速钢刀具约在1980年出现在国际市场。发展极为迅速，20年来，它已在高速钢刀具中占有一定比重。在美国、日本、德国，近一半的齿轮加工刀具及立铣刀、钻头等采用涂层，提高了切削效率，获得了显著的经济效益。我国对涂层高速钢刀具的研究从80年代开始。近十年中，刀具制造行业已从美国、日本引进了近10套PVD涂层设备，已出售各种涂层高速钢刀具产品。在各地区和各部门，拥有数量众多的国内制造的涂层设备，所用的物理气相沉积方法不同，有电弧发生等离子体气相沉积法、等离子枪发射电子束离子镀法、中空阴极枪发射电子束离子镀法、e形枪发射电子束离子镀法等，各有特色和优缺点，涂层产品质量亦有差异，电弧发生等离子体气相沉积法用得最多。

2 涂层高速钢刀具的优点

TiN的硬度为HV1800～2000，密度为5.44g/cm2，热导率为29.31W/(m·℃)，线膨胀系数为(9.31～9.39)×/℃。而高速钢基体的硬度仅为HV800～850。故涂层后的高速钢刀具，表面有硬层，耐磨性好，与被加工材料之间的摩擦系数小，基体材料的韧性不降低。油墨助剂实用情况表明，与未涂切削机层的高速钢刀具相比，涂层后高速钢刀具的切削力可降低5～10％，由于涂层材料有热屏障作用，刀具基体切削部分的切削温度也有所降低；工件已加工表面粗糙度减小；刀具使用寿命传送带显著提高。

3 切削实验数据

作者用WT型阀18Cr4V或W6Mo5Cr4V2高速钢车刀与涂层后的刀具进行切削实验对比控制重型车辆，主要对比它们的刀具磨损与使用寿命。

实验一：工件材料：60Si2Mn(调质，HRC40)。

车刀几何角度：go=16°，ao=8°，kr=45°，le=-4°，be=0.5mm。

切削用量：ap=0.5mm，f=0.2lmm/r，ν=25m/min干切削。

磨损曲线如图1所示。

图1 涂层与未涂层高速钢车刀的磨损曲线全面依照与国际接轨的适航标准展开设计研制并进行适航审定

实验二：工件材料：60Si2Mn(调质，HRC40)

车刀几何角度：go=10°，ao=8°，kr=45°，le=0°，be=0.5mm。

切削用量：ap=O.5mm，f=0.21mm/r，ν=25m/min，干切削。

磨损曲线如图2听示。

实验三：工件材料：38CrNi3MoVA(调质，HRC36～40)。

车刀几何角度：go=8°，ao=8°，kr=75°，le=-4°，be=0.8mm。

切削用量：ap=1mm，f=0.2mm/r，VB=0.5mm，干切削。

T-v曲线如图3所示。

图3 涂层与未涂层高速钢车刀的T-v曲线

图3中，T-ν公式的Taylor方程如下：

v=58/T0.37(W18Cr4V)v=57/T0.21(W18Cr4V+TiN)

式中：v—切削速度，m/min；

T—刀具使用寿命，min。

由图1至图3可见，涂层高速钢刀具的使用寿命是未涂层刀具的2～3倍，甚至更多。

4 使用经验

涂层高速钢刀具可用于车刀、铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀、齿轮滚刀和插齿刀，刀具使用寿命有不同程度其实这个描写不是特别准确的提高。涂层高速钢车刀用得较少，其使用寿命的提高也不是最显著的。涂层高速钢麻花钻、立铣刀、丝锥等刀具应用最广，使用寿命提高显著，这些刀具经过重磨，涂层仍起作用。例如，涂层高速钢钻头在涂层后第一次使用时，与未涂层钻头比，使用寿命可提高3倍以上；重磨时已将后刀面的涂层磨掉，但前刀面上尚保留涂层，寿命尚可提高2倍以上；第二次重磨后刀面后，其寿命仍有一定幅度的提高。对于刃磨前刀面的刀具(如涂层齿轮滚刀、插齿刀)，在刃磨后，仍有延长刀具使用寿命的效果。

涂层高速钢刀具在国内的应用尚不够广泛。但是，可以肯定地说，它对难加工材料的切削以及在先进制造设备上(如数控机床、加工中心)，将发挥重要作用。 (end)