上海交通大学硕士学位论文涂层刀具切削性能评价及其实验研究姓名

上海交通大学 硕士学位论文 涂层刀具切削性能评价及其实验研究 姓名：薛锴 申请学位级别：硕士 专业：航空宇航制造工程 指导教师：陈明;许辉 20080201 上海交通大学硕士学位论文 摘要 I 涂层刀具切削性能评价及其实验研究 摘 要 涂层技术在切削刀具中得到越来越广泛的应用，性能优异的涂层可 以显著改善刀具表面性能，提高其高温硬度、隔热性能、热稳定性、冲 击韧性等，从而大幅提高了刀具的切削速度和寿命。刀具技术的发展日 新月异，新型涂层和结构的刀具不断面世，对这些应用最新涂层技术和 切削技术最新成果的新型刀具，进行准确有效的切削性能评价，给出涂 层和刀具结构的适用性区间和最佳切削用量，可以大幅缩短研发周期， 降低研发成本，提高技术价值，是刀具研发过程中的一个重要环节。 切削过程是一个高温、大应变、大应变率、高频振动、高速摩擦的 材料失效过程，从机床特性、加工方式，到工件材料性质、刀具材料和 几何角度等等，影响因素众多。本文针对广泛应用的刀具涂层工艺 PVD 和 CVD 涂层，针对三种常见的加工方式铣削、钻削和车削， 针对两种难加工材料车轮钢和淬硬模具钢，进行了系统的切削实 验。分别从切削力、切削振动、切削温度、加工表面质量、切屑变形机 理等方面，对不同涂层和不同结构的刀具的切削性能和失效机理做出了 对比分析和基于实验结果的合理判断，并且给出了不同涂层、不同几何 结构刀具在不同加工方式下的优化切削用量。 基于切削实验和分析本文得出以下结论： 1. PVD 工艺的 AlTiN 涂层在模具钢的干式铣削中有较好的表现， 在实验涉及的三种不同工艺和成分的 AlTiN 涂层中， 纳米复合相结构涂 层 AlTiN+Si3N4最适合在高速度小余量的情况下进行模具钢的精加工。 2. PVD工艺的自润滑涂层AlTiNWC/C 在半封闭钻削模具钢时有 着非常好的表现，有着较小的钻削力和较小的磨损。AlTiN(Al:N=2:1) 富铝涂层在高温下发生了氧化和扩散，在表面氧化形成较厚的稳定致密 的 Al2O3氧化膜，阻止氧化继续发生，这使得涂层的隔热性，高温硬度、 热稳定性大为提高，适用于淬硬模具钢钻削。 3. 钻头的横刃是影响切屑的挤压变形的主要因素， 通过优化设计横 上海交通大学硕士学位论文 摘要 II 刃的形状可以改进钻削断屑和排屑状况。 4. CVD 复合涂层刀具车削车轮钢时，圆形刀片适用于负荷较大的 粗加工，获得较大的材料去除率，断屑性能较好。而方形刀片用于能够 较小切削用量的精加工，能获得较好的表面质量，断屑性能较差。 5. 切削速度是影响切屑变形的主要因素之一。在车削车轮钢时， 在 切削线速度较低的时候切屑呈带状，切削线速度较高时切屑呈锯齿形。 关键词：刀具，涂层，切削性能，模具钢，车轮钢，切削用量 上海交通大学硕士学位论文 Abstract III CUTTING PERFORMANCE APPRAISEMENT AND EXPERIMENT STUDY OF COATING TOOLS ABSTRACT Coating technology has been used widely in cutting tools, coatings with excellent properties could significantly improve the surface properties of tools, like the high temperature hardness, heat insulation property, thermal stability, impact toughness and so on, thus the cutting speed and tool life could been improved obviously. Because of more and more novel coatings and new structures were used in cutting tools, the cutting performance appraisement of these new tools was necessary. Determination of the applicability and recommended cutting parameters of new tools would shorten development period, cut cost of research, and increase technical value of products. Cutting process was complicated for its characters of high temperature, large strain, high strain rate, high frequency vibration, high- speed friction and materials failure. A lot of factors influenced the cutting process, like the kinetic feature of machine tools, machining methods, work material, tool material, cutting tool geometry and so on. In this thesis, a series of cutting experiments had been completed, concerned of two kinds of typical coating processPVD and CVD coating, three kinds of machining methodmilling, drilling and turning, and two kinds of difficult- to- cut materialwheel steel and hardened die steel. Through these experiments, cutting force, cutting temperature, cutting vibration, machined surface quality and chip formation were researched. Based on the analysis of experimental data, the thesis had obtained these conclusions: 1. The PVD coating AlTiN had good performance in dry milling hardened die steel. Among three AlTiN coatings with different composition and structures, nano- composited phase coating AlTiN was the best one. End 上海交通大学硕士学位论文 Abstract IV mills with this coating were suitable for finish machining of die steel. 2. The PVD self- lubricating coating AlTiN WC/C had perfect performance in drilling hardened die steel, drills with this composited coating had lower cutting force and mild wear. AlTiN aluminum- rich coating was also suitable for drilling die steel, because of the oxidation and diffusion occurred in high temperature atmosphere, a stable and dense Al2O3 film formed, and would prevent the oxidation action going further, this film improved h igh temperature hardness, heat insulation property and thermal stability of coating. 3. Chisel edge of drills influenced chip formation and chip removal significantly, optimization design of drills could improve chip removal in drilling. 4. Round edge CVD composited coating insert was suitable for heavy duty rough turning, and led to higher material removal rate and better chip breaking; linear edge insert was suitable for finish turning, and led to better surface quality but tough chips. 5. Cutting speed influenced chip deformation significantly, lower speed led to steady state chips, and higher speed led to saw- tooth chips. KEY WORDS: Coating Tools, Die steel, Wheel steel, Cutting parameters, Tool wear, Chip deformation 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：薛锴 日期：2008 年 2 月 1 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：薛锴 指导教师签名：陈 明 日期：2008 年 2 月 1 日 日期：2008 年 2 月 1 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究背景 作为正处于工业化时期的中国，制造业是我国国民经济的支柱产业，是国家发 展的基石，是国家竞争力的基础。2002 年，我国制造业工业增加值已达 36151 亿元， 占国内生产总值的 34. 5%；以制造业产品为主的工业制成品在我国出口总额中的比 例稳步上升，从 1980 年的 50%上升到 2002 年的 90%，使我国成为以工业制成品出 口为主的国家， 制造业已经成为我国出口的主要力量1。 然而， 和外国先进水平相比， 我国制造业还存在阶段性的差距，主要表现在劳动生产率和工业增加值低。制造业 总体规模仅相当于美国的 1/5、日本的 1/4 强；人均劳动生产率远远落后于发达国家， 仅为美国的 1/25、日本的 1/26、德国的 1/20；工业附加值仅为 26%，远低于美国的 49%、日本的 38%、德国的 48.5%。我国的制造业仍然停留在简单的模仿和低附加值 的重复生产上2。美国、欧洲和日本等制造业发达国家在努力保持本国高新技术垄断 地位的同时，正以降低生产成本和提高国际竞争力为最终目标，在全球范围内进行 着新一轮制造业资源的优化配置，各国纷纷开展先进制造技术的研究与开发。因而 主要依赖廉价劳动力、占有大量资源的简单再生产已不能继续支撑中国制造业的可 持续发展，必须要发展以优质、高效、低耗、清洁、无污染工艺为核心和基础的先 进制造技术（AMTAdvanced Manufacturing Technology） ，随着信息技术的不断发 展，先进制造技术一方面发展了以数控机床为基础的自动化加工技术，另一方面发 展了新的加工方法和加工工艺，先进切削技术则是其中的典型。 切削加工作为一种传统的加工方法和工艺，目前约占机械制造工作量的 30% 40%，全世界每年约有 1 亿吨钢材通过刀具切削而成为切屑，全世界每年切削加工耗 资约 2500 亿美元3。以刀具去除工件材料的切削加工方法仍将在机械制造领域占据 主导地位，为了适应先进制造技术更高的要求，先进切削技术获得广泛的研究和应 用，比较典型的有(超)高速切削、干切削、硬切削等，相应于先进切削技术的更高要 求，高效率、高精度、高可靠性和专用化的切削刀具获得空前的发展，使刀具材料、 刀具结构、刀具涂层呈现出高技术的特征。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 2 1.2 切削技术的最新进展 1.2.1 高速切削技术 在高速数控加工中心与各种高性能的刀具材料及涂层技术发展基础上兴起的高 速切削技术是一种先进实用的制造技术4。它具有：切削力小、工件热变形小、加工 质量高、切削效率高、工序集约化以及降低加工成本等突出的优点，目前已经在很 宽范围的金属和非金属工件材料上得到应用5，具体见表 1- 1。由于高速切削带来了 巨大效益，国内外非常重视其研究：日本“ 先端技术研究会” 把高速切削列入 21 世纪 的四大先进制造技术之一6；德国把高速切削当代金属加工最重要的研究领域之一 7；在美国，高速切削已经成为切削加工发展的主流8；我国把加工制造技术的发展 方向定位于超精密、超高速及发展新一代制造装备9。由于高速切削是实现高效率制 造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说， 高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术，所 以，研究开发高速切削加工技术已成为现代切削技术面临的重大任务之一。 表 1- 1 高速切削的应用领域5 Table 1- 1 Application of high- speed cutting 特性 应用领域 举例 轻金属、高温合金、钛合金 航空航天 切削效率高 钢及铸件 刀具和模具制造 精加工 光学及微细机械零件 表面质量好 特殊工件 螺旋压缩机 切削力小 薄壁件 航空航天、汽车、家庭用具 激励频率高 复杂工件的无振动加工 精密元件和光学工业 非延迟加工 精密件 切屑排热 冷工件 镁合金 高速切削（High Speed Machining，HSM 或 High Speed Cutting，HSC）的概念源 于德国 Carl.J. Salomon博士，从 1924 年至 1931 年，他用大直径圆锯片对不同材料 进行大量铣削实验发现10，随切削速度不断增加，切削温度上升到一峰值，随切削 速度进一步提高，切削温度达到峰值后反而下降。切削温度达到峰值的切削速度称 为临界切削速度。 Salomon博士认为在临界切削速度两边有一个不适宜的切削加工区 域，有的学者称之为“ 死区” （Valley of death）11- 12。因为在该区域内刀具承受不了 上海交通大学硕士学位论文 第一章 3 如此高温的作用。当切削速度继续提高，切削温度下降到刀具许可的温度范围，这 时，刀具又可进行切削加工4。 高速切削加工概念提出后，它的发展大致经历了四个阶段:高速切削加工理论研 究和探索阶段(1931 年- 1971 年)；高速切削加工应用基础研究探索阶段(1972 年- 1978 年)；高速切削加工应用研究阶段(1979 年- 1989 年)；高速切削加工技术发展和应用阶 段(1990 年- 现今)13- 14。 最近 10 多年来，高速切削加工理论基础研究进一步深入，取得新的进展，主要 是锯齿状切屑的形成机理10，高速切削加工钛合金时切屑的形成机理15，机床结构 动态特性及切削颤振的避免16，多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、 后刀面和加工表面的温度分布17- 19，以及高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的 分配20，进一步证实大部分切削热被切屑所带走。切削温度的实验研究表明：现有 的刀具材料高速切削加工时，不论是连续或断续切削均未出现 Salomon理论中的“ 死 区” 21。 1.2.2 干式切削技术 在环境保护和制造成本的双重压力下，不用或少用切削液，即：干式切削(Dry cutting)技术成为了国际上研究切削发展的新趋势。从 20 世纪 90 年代开始，国外对 图 1- 1. 高速铣削中的切削温度 Fig. 1- 1 Cutting temperature of high- speed cutting 上海交通大学硕士学位论文 第一章 4 干式切削技术进行了大量研究，并应用于实际生产，取得了一定的社会效益和经济 效益。例如，通常车削铸铁时的金属切除率为 16cm3/min，而美国某公司利用陶瓷刀 具或立方氮化硼刀具进行高速干式车削可提高到 149 cm3/min；普通湿式挤压丝锥加 工冷轧钢板上 M40.7 的通孔螺纹达 7000 个孔时即产生磨损和粘结， 无法继续加工， 而日本某研究所采用的干式挤压丝锥可加工孔达 50000 个以上22；日本三菱公司采 用涂层高速钢干式齿轮滚刀滚切齿轮时切削速度可达 200m/min，是传统滚切速度的 2 倍； 美国格里森公司用硬质合金滚刀干切锥齿轮与传统高速钢刀具湿式滚切相比可 减少切削时间 50%，且加工质量也有明显提高23；德国格林公司采用的钛基硬质合 金钻头干式钻孔切削速度高于 200 m/min，同材料的铰刀干式铰孔所得工件表面比刃 口锋利的未涂层细晶粒硬质合金铰刀铰出的表面更光洁,且刀具寿命更长。2004 年工 业发达国家的机器制造业中，干切削工艺占到 20%。 干式切削由于缺少切削液的润滑、冷却、冲洗和排屑断屑等功能，导致刀具与 工件、切屑之间摩擦加剧，切削力增大，切屑变形加剧，切削热急剧增加，导致切 削区温度显著升高，刀具耐用度降低，同时工件加工质量不易保证。通过分析干切 削的各种特定边界条件和影响干切削的各种因素，可以寻求相应的技术解决方案及 措施来弥补不使用切削液的缺陷。例如：干切削刀具材料必须具有极高的红硬性和 热韧性、良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼 (PCBN)等超硬材料刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均可较好满足干切削的要求。某些 刀具涂层材料具有类似切削液的功能，可隔离切削热，在较长时间内保持刀尖硬度 和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应。此外，应针对不同的工件材料和切削用 量设计刀具结构几何参数和相应的断屑槽，以满足干切削的加工要求。干切削对加 工机床的特殊要求主要为保证快速散热和快速排屑24- 25。目前，干切削加工技术已 广泛应用于铸铁、钢、铝、镁等及其合金的切削加工。虽然目前干式切削加工的应 用范围不是很广泛，但对于它的研究已成为目前的热点之一。我国对于干切削技术 的研究尚属于开始阶段，但从长远的发展角度去看,干式切削的应用将是必然趋势。 由于高速切削具有切削力小、散热快、加工稳定性好等优点因此干切削加工应 尽可能采用较高切削速度。干切削技术与高速切削技术的有机结合可获得生产效率 高加工质量好、无环境污染等多重技术经济效益。此外，进行干切削加工时，为减 小切削力、降低切削温度，还可采取某些特殊工艺措施，如激光辅助干切削、液氮 冷却干切削、准干切削等26。 1.2.3 硬切削技术 上海交通大学硕士学位论文 第一章 5 硬切削是指对高硬度(54HRC)材料直接进行切削加工。硬切削工件材料包括淬 硬钢、冷硬铸铁、粉末冶金材料及其它特殊材料。硬切削通常可直接作为最终精加 工工序，而传统加工常以磨削作为最终工序。与磨削相比，硬切削具有如下优点27： 加工灵活性强，精度易于保证；加工成本低于磨削(通常仅为磨削的 1/4)；不需要专 用机床、刀具和夹具，在现有加工设备上即可实现；生产效率高于磨削；磨削产生 的磨屑与废液混合物易污染环境，难以处理和再利用，而硬切削易于实现干切削， 产生的切屑可再利用。由于硬切削具有以上优势，因此“ 以切代磨” 已成为切削加工 的发展趋势之一。 目前，硬切削主要用于车削、铣削等加工工艺，并已在许多工业制造部门得到 应用，如汽车传动轴、发动机、制动盘、制动转了的半精加工和精加工，飞机副翼 齿轮、起落架的切削加工，机床工具、医用设备等行业也开始大量应用硬切削加工 技术。 硬切削对加工机床的主要要求为刚性好、基础稳定、工作轴运动精度高等。由 于硬切削的切削力较大，切削温度较高，为保证加工精度、表面质量及刀具寿命， 硬切削时必须精心选择刀具材料、刀具几何参数和切削用量。硬切削的适用刀具材 料主要有 PCBN、陶瓷、高性能金属陶瓷、涂层硬质合金、超细晶粒硬质合金等。刀 具材料选定后，应尽量选用强度较高的刀片形状和较大的刀尖圆弧半径， PCBN 刀具 和陶瓷刀具一般应采用负前角(=- 5 )。一般来说，被加工材料硬度越高，硬切削的切 削速度应越小；使用 PCBN 刀具的切削速度应高于其它刀具材料。 1.3 刀具技术的发展和研究现状 1.3.1 刀具结构的最新进展 当前刀具结构的变革正朝着可转位、多功能、专用复合刀具和模块式方向发展， 刀具结构不断创新。 立铣刀采用变螺旋角的设计或者刀槽采用不等分的设计，能减小精密切削中的 振动，提高表面质量；高速钢立铣刀的大前角设计明显降低了切削力，改善了排屑， 在精密加工中能改善表面的完整性；硬质合金刀具的整体化，使小直径刀具的刚度 显著提高，甚至复杂刀具如齿轮、螺纹刀具等也采用整体硬质合金制造；整体硬质 合金立铣刀采取端齿中一刃过中心设计，使立铣刀功能扩大，不用预钻孔，直接向 下切削28- 29。 钻头的工作条件比较差，特别排屑是人们最关切的问题，所以一直在设法改进。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 6 群钻是比较典型的，但是它的刃磨比较复杂；德国的 Guehring 公司研制了 RT 型钻 头，其抛物线形槽增加了芯厚，加大了槽的面积；采用 S 型钻尖的麻花钻具有很好 的定心性，能显著减小钻削轴向力，改善排屑断屑状况30。 复合刀具淡化了传统的车、铣、镗、钻和螺纹加工等不同切削工艺的界限，能 在一次装夹中对复杂零件进行多工序的集中加工，以减少换刀次数，节省换刀时间， 还可减少刀具的数量和库存量，有利于管理和降低制造成本。较常见复合刀具有多 功能车刀、铣刀，还有镗铣刀、钻- 铣螺纹- 倒角等各种多功能刀具。美国Kennametal 公司的多功能车刀，可完成车外圆、端面和镗孔等工作31。在 CIMT2001 上,德国 Gun- ther公司展出的车、钻刀可在实心材料上钻平底孔、镗孔、车端面、车外圆，可 将工时缩短 40%。Emuge 公司的螺纹铣刀,一次走刀可完成钻底孔、倒角和铣螺纹工 序。日本三菱公司开发的 Octacot 多功能铣刀可安装八角形刀片或圆刀片，在加工中 心上完成铣平面、沟槽、台阶、倒角、轮廓加工和斜面等多种加工。 可转位刀具发展的一个重要方面是刀片断屑槽型的开发， 瑞典 Sandvik 公司推出 的 R、M 和 F 等新槽型系列(钢材粗加工、半精加工和精加工相应采用 PR、PM 和 PF 的槽型,切不锈钢时用 MR、MM 和 MF 的槽型,切铸件和有色金属用 KR、KM 和 KF 的槽型)以及以色列 Iscar 公司以“ 霸王刀” 为典型的槽型设计都独树一帜。这些刀 片大多是三维曲面槽型，断屑范围宽，适应性好32。 1.3.2 刀具材料的最新进展 新型高速钢 高速钢(HSS)是加入了 W，Mo，Cr，V 等合金元素的高合金工具钢33。虽然目 前可供使用的刀具材料品种较多，但由于高速钢的强度、韧性、热硬性、工艺性特 别是锋利性(刀尖半径可达 1215m) 34等方面具有优良的综合性能，因此在切削某 些难加工材料以及在复杂刀具(尤其是切齿刀具、 拉刀和立铣刀等)制造中仍占有较大 比重。它的发展方向为： 1) 高性能高速钢。现在国外普遍采用高性能高速钢，其比重已超过 20%，与 W18Gr4V对应的钢号已基本淘汰，代之以含钴钢和高钒钢。并且由于高速钢中的主 要元素钨、钴等资源紧缺，所以扩大使用各种无钴、少钴、少钨的高性能高速钢也 是未来的发展趋势 35。 2) 粉末冶金高速钢。由于避免了熔炼时产生的碳化物偏析，故粉末冶金钢的物 理性能大为改观，其颗粒细小均匀(达 23m)，经热处理后的硬度高(可达 67 70HRC)、抗弯强度好(可达 2.733.34GPa，高的可达 4454GPa)、红硬性高(600 上海交通大学硕士学位论文 第一章 7 时的高温硬度比熔炼高速钢 M2 高 23 HRC)， 用其制作的刀具耐用度比一般高速钢 提高 35 倍。 欧美和日本等一些工业发达国家近几年来在切削难加工材料以及在 复杂刀具制造中，特别是切齿刀具、拉刀和立铣刀及丝锥上已大量使用粉末冶金高 速钢，使切削速度和刀具寿命成倍提高36。 新型细晶粒和超细晶粒硬质合金 硬质合金是高硬度、难融的金属化合物(主要是 WC,TiC 等,又称为高温碳化物) 微米级的粉末，用钴或镍等金属做粘结剂烧结成的粉末冶金制品。硬质合金是当前 切削领域中应用最广泛的切削刀具材料，切削效率大约为高速钢的 510 倍。全世 界硬质合金的产量增长极快，新材料、新牌号的硬质合金刀具不断出现，在全部刀 具中的比重越来越大。但其工艺性差，用于复杂刀具尚受到很大的限制。 细晶粒(10.5m)和超细晶粒(小于 0.5m)硬质合金材料及整体硬质合金刀具的 开发，使硬质合金的抗弯强度大大的提高，可替代高速钢用于制造小规模钻头、立 铣刀、丝锥等量大面广的通用刀具，其切削速度和刀具寿命远超过高速钢。整体硬 质合金刀具的使用可使原来采用高速钢大部分应用领域的切削效率显著提高。为提 高硬质合金的韧性，通常采取增加 Co 含量的方法，由此引起的硬度降低现在可通过 细化晶粒得到补偿，并可使硬质合金的抗弯强度提高到 4.3 GPa，已达到并超过了普 通高速钢的抗弯强度。细晶粒硬质合金的另一优点是刀具刃口锋利，尤其适合于高 速切削粘而韧的材料37。 在硬质合金中增添 0.05%5%的 Gd、Pr 等稀土元素的硬质合金，其月牙洼耐磨 损性能好，后刀面的耐磨损和抗崩性能也高。我国有着丰富的稀土元素资源，研制 稀土硬质合金在世界上领先，已研制出了 YG6R、YG8R、YG11CR、YW1R、YW2R、 YT5R、YT14R、YT15R、YS25R等产品（R 表示稀土元素）29。 陶瓷材料 陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温力学性能，与金属的亲和力 小，不易与金属产生粘结，并且化学稳定性好。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具 难以加工或根本不能加工的超硬材料。陶瓷刀具有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4) 基两大类，加入各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善其性能，还可通过 颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机理的协同作用提高其断裂韧性。 目前，国产的一些晶须增韧陶瓷、梯度功能陶瓷等产品已达到国外同类刀片的 性能，有的还优于国外，如获国家发明二等奖的新型复合氮化硅陶瓷刀片 FD03，其 切削寿命为 Al2O3/TiC(AT6)复合陶瓷刀具的 6.38 倍，为进口 Al2O3/Zr O2增韧陶瓷刀 上海交通大学硕士学位论文 第一章 8 具的 8.2 倍，为 K10(YG6)硬质合金刀具的 78.3 倍。 陶瓷刀具使用的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的元素，是取之不 尽的，对节省贵重金属也具有重要的意义。陶瓷刀具主要应用于难加工材料的高速 加工。国际上已经将陶瓷材料刀具视为进一步提高生产率的最有希望的刀具之一。 超硬刀具材料 超硬刀具材料，主要指金刚石刀具和立方氮化硼(CBN)刀具，属于刀具材料的新 品种，在解决难加工材料的切削、提高生产率、保证加工精度、降低生产成本方面 具有明显的优势。 金刚石刀具有极高的硬度和耐磨性，其耐磨性比硬质合金高 12 个数量级，热 膨胀系数仅为高速钢的 1/10，导热系数为硬质合金的 59 倍，对有色金属及非金属 材料进行高速镗削和精细车削，可获得很高的表面加工质量。金刚石刀具可分为三 大类：天然金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具和复合聚晶金刚石刀具。 继美国 GE 公司于 1957 年首次合成立方氮化硼之后，在高温高压条件下将立方 氮化硼聚合在硬质合金上，诞生了复合结构的立方氮化硼(CBN)刀片。立方氮化硼 (CBN)刀具有聚晶烧结块和复合刀片两种，能在较高切削速度下加工淬硬钢及铸铁， 以车代磨，并可高速切削部分高温合金，加工精度高，表面粗糙度相当低，而且立 方氮化硼还适宜加工各种淬硬钢、 Ni基、 Fe 基及其它一些耐磨、 耐蚀的热喷涂(焊) 件 材料、钒钛铸铁、冷硬铸铁等耐磨类铸铁、钛合金材料等。 1.4 刀具涂层技术 在相对较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化 合物薄膜(如 TiAlN、TiC、TiN、Al2O3等)组成的涂层刀具，是切削刀具发展的一次 革命38。涂层刀具与未涂层刀具相比，具有明显的优越性：显著降低摩擦系数，改 善刀具表面的摩擦学性能和排屑能力；显著提高耐磨性和抗冲击韧性，改善刀具的 切削性能，提高加工效率和刀具寿命；提高刀具表面抗氧化性能，使刀具可以承受 更高的切削热，有利于提高切削速度及加工效率，并扩大了干切削的应用范围。在 先进制造业中，硬质合金刀具及高性能高速钢刀具，80%以上都采用了表面涂层技 术,CNC 机床上所用的切削刀具 90%以上是涂层刀具。 1.4.1 刀具涂层材料 刀具的涂层材料主要是一些具有高硬度的耐磨化合物。常用的涂层材料有碳化 上海交通大学硕士学位论文 第一章 9 物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十 个品种38。近年来，涂层技术得到了飞速的发展，涂层材料方面，从最早的 TiN 涂 层，已开发出 TiCN、(Ti, Al) N、Al2O3、CrN、C3N4、ZrN 等硬涂层及超硬涂层材料 39- 42，以及 MoS2、WS2、WC/C 等软涂层材料43，从而满足各种切削工艺的要求， 表 1- 1 列出了几种硬涂层和软涂层的性能； 表 1- 2 几种硬涂层和软涂层的性能 Table 1- 2 Performances of some hard coatings and soft coatings 涂层名称 涂层厚度 m 显微硬度 HV0.05 耐热性 摩擦系数 （45 钢） TiN 1- 5 2100- 2600 450- 600 =0.4 TiCN 1- 5 2800- 3200 350- 400 0.25- 0.4 TiAlN 1- 5 2600- 3000 700- 900 0.3- 0.4 硬涂层 TiAlCrYN 1- 5 2600- 3000 =900 0.3- 0.4 WS2 1- 4 =1100 =300 =0.2 软涂层 MoS2 0.2- 0.5 =0.2 氮化钛（TiN）是工艺最成熟，应用最早、最广泛的硬涂层材料。它具有较高的 化学稳定性，可以大大减少刀具与工件之间的摩擦系数。目前。工业发达国家 TiN 涂层高速钢刀具的使用率已经占高速钢刀具的 50%70%，有的不可重磨的复杂刀 具的使用率已超过 90%。但是 TiN 涂层的耐氧化性较差，使用温度达 500时，膜 层明显氧化而被烧蚀，硬度较低44。 碳氮化钛（TiCN）是通过多元合金化方法，向 TiN 涂层中加入 C 元素得到的。 由于碳元素的引入， 涂层的硬度和抗氧化温度都得到了提高。 TiCN 涂层在常规加工、 温度低于 500 的条件下表现出比 TiN 及 TiAlN 涂层更优越的性能涂层硬度高、 表面粗糙度和摩擦系数小45。此外，该涂层可以和 TiN 涂层形成多层膜结构，不但 可以保持 TiN 涂层与基体材料良好的结合和表面抗氧化性能，同时多层涂层形成的 TiN/TiCN 内界面能改变单一涂层的柱状晶生长结构，提高涂层的韧性，从而提高涂 层刀具的切削性能46。 氮铝化钛系列涂层(Ti, Al) N是非常成功的一种涂层材料，具有高硬度、氧化温 度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，用其加工高温合 金、不锈钢、钛合金和镍合金时刀具的寿命比 TiN 涂层刀具高 3- 4 倍47。不仅如此， 在(Ti, Al) N 涂层中如果有合适的铝浓度，切削加工时在刀- 屑界面上容易产生一层硬 的、惰性的保护膜，该膜不仅可以阻止涂层进一步被氧化，而且具有较好的润滑性 上海交通大学硕士学位论文 第一章 10 能及隔热性， 可以有效地用于高速切削41, 48。 (Ti, Al) N涂层的机械物理性能优于TiN、 TiCN 等涂层，并可以与其他涂层配合组成多元多层复合涂层，如 TiAlN/Al2O3多层 PVD 涂层，这种涂层的硬度可以达到 4000HV，涂层的层数可以达到 400 层4。目前 (Ti, Al) N 涂层的发展方向为：提高涂层中的铝含量；改进涂层成分，在(Ti, Al) N 涂 层中添加 C(或 Si)作为粘结剂强化涂层的显微结构改善其性能，添加 Cr（或 O）进 一步提高涂层的氧化温度；改善涂层的结构，多层、梯度和纳米化也是其发展趋势。 AlCrN 涂层是一种无钛涂层，与 TiAlN 相比，它具有更高的红硬性及抗氧化性 能，使用温度可以达到 1000（如图 1- 2 所示） ，该涂层工艺适合于硬质合金及高速 钢材料涂层，用于铣削和车削加工切削速度可以达到 400m/min 以上49。 氧化铝(Al2O3)涂层材料具有非常好的抗氧化磨损和抗扩散磨损性能。 Al2O3的高 温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比 TiC 和 TiN 好，月牙洼磨损率低，适合于高速、 大切削热切削。但是由于与基体材料的物理、化学性能差别太大，单一的涂层无法 制成理想的涂层刀具50。 金刚石涂层的显微硬度超过了 50GPa，热导性高，摩擦系数很低，适合于有色 金属合金的高速切削。目前，许多沉积金刚石薄膜的温度要求为 600900，因 此该技术常用于硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。金刚石硬质合金刀具的商品化， 是近几年涂层技术的重大成就44。 CBN 涂层的硬度和导热率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至 1000也不发生氧化。CBN 对于铁族金属具有极为稳定的化学性能，与金刚石不宜 加工钢材不同，它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。CBN 涂层除具有优良 的耐磨损性能外，还可以在相当高的切削速度下加工耐热钢、钛合金、淬火钢，能 切削高硬度的冷硬轧辊、掺碳淬火材料和对刀具磨损非常严重的 Si- Al合金等26, 44。 图 1- 2 AlCrN 涂层红硬性及抗氧化性能曲线 Fig. 1- 2 Red hardness and antioxidation property curve of AlCrN 上海交通大学硕士学位论文 第一章 11 其它新型开发硬涂层材料包括氮化碳(CNX)、多晶氮化物超点阵涂层等。如果氮 化碳(CNX)涂层能够形成- C3N4，理论上可以计算出其硬度将超过金刚石，已经有 氮化碳合成的报道。多晶氮化物超点阵涂层是一种很有希望的新型刀具涂层，多晶 TiN/NbN 和 TiN/VN 超点阵涂层的硬度分别为 5200kgf/mm2和 5600 kgf/mm2， 超点阵 涂层由于层内或层间位错困难导致其硬度很高。同时还有 CrC 和 CrN 涂层、Hf(Zr， Ti，Ta 等)的碳化物和硼化物涂层和 Hf(Zr，Ti，Al，Be 等)的氧化物涂层38,51。CrC 涂层的硬质合金刀具摩擦系数小(0.10.15)，抗氧化温度高。由于材料的亲和作用， 以上涂层硬质合金刀具不适合加工钛和钛合金类材料，而 CrC 和 CrN 涂层硬质合金 是一种无钛涂层，可有限的切削钛、钛合金和铝，以及其它软材料。 软涂层也称为自润滑涂层，追求的目标是低摩擦系数，增加刀具表面的润滑性 能，在切削加工中减少工件与刀具之间的摩擦，防止积屑瘤的产生从而提高加工表 面质量，延长刀具寿命。在某些情况下，一些材料并不适合采用硬涂层刀具加工， 如在航空航天中的一些高硬度硬质合金、钛合金等。这些材料在加工中非常粘刀， 在刀具前刀面生成积屑瘤，不仅增加切削热、降低刀具寿命，而且影响加工表面质 量。采用软涂层材料刀具可获得更好的加工效果。 通常的软涂层有 MoS2、WS2、WC/C、TaS2/Mo 等。瑞士还开发出一种称为 “MOVIC”软涂层的新工艺，即在刀具表面涂复一层固体润滑膜二硫化钼，刀具切削 寿命数倍增加，且能获得优良的加工表面；德国钴领刀具有限公司的软涂层的新品 种- MolyGlide 涂层，其硬度( HV0.05) 仅为 2050，它是在硬涂层的基础上涂附一层 0.20.5m厚的减摩涂层。MolyGlide 涂层涂层与钢材的摩擦系数仅为 0.050.10， 是 TiN 涂层与钢材的摩擦系数的 1/4，非常适合于干式或微量润滑条件下钻削加工铝 合金、钛合金等轻金属材料52。软涂层在加工高强度铝合金和贵重金属方面有良好 的应用前景。 此 外 ， 国 内 外 对 自 润 滑 涂 层 做 了 大 量 研 究 工 作 。 荆 阳 等 53 研 究 了 TiAlN- MoS2/TiAlN 硬质润滑膜的摩擦性， 指出在钻头上沉积 TiAlN- MoS2/TiAlN 硬质 膜，可使其在钻削过程中具有优异的耐磨、减摩和耐高温等性能，从而大大提高了 刀具的寿命。Fox 等54- 55研究了 MoS2/Ti 和石墨/CrC 润滑涂层的摩擦润滑特性，研 究表明，在往复摩擦试验条件下，MoS2/Ti 润滑涂层具有典型的摩擦趋势，摩擦系数 较小，且稳定。在端铣 AISI304 不锈钢的实验中（铣刀12mm，铣削深度 4mm，铣 削宽度 25mm） ， 使用 MoS2/Ti和 TiCN 复合涂层的铣刀比使用 TiCN 的铣刀提高了加 工距离，降低了铣削力，改善了表面质量。Yourong Liu等56研究了 MoS2涂层陶瓷 刀具的切削性能和磨损机制。用未涂层和 MoS2涂层刀具进行对比切削试验。结果表 上海交通大学硕士学位论文 第一章 12 明，涂层的道具寿命比未涂层的刀具大大提高。用陶瓷刀具加工时，粘结磨损是主 要的磨损原因，而 MoS2 涂层有效阻止了工件和刀具之间的粘结。 自润滑刀具的材料研究的主要方向包括：新型自润滑刀具材料的研制、自润滑 膜的形成机理及在磨损过程中的变化规律、影响自润滑膜形成和特性的主要因素、 自润滑膜的组织与性能对自润滑刀具耐磨性的影响等。 1.4.2 刀具涂层结构 涂层结构方面，随着涂层工艺的日益成熟和不断发展，从开始的单一涂层，进 入到开发多元、多层、梯度、纳米涂层的新阶段57- 58。就目前 PVD 技术的发展状况， 涂层薄膜结构大体可以分为：单一涂层、复合涂层、梯度涂层、多层涂层、纳米多 层涂层、纳米复合结构涂层59。 单一涂层是由一种化合物或固融体薄膜构成，理论上讲在薄膜的纵向生长方向 上涂层成分是恒定的。这种结构的涂层也称之为普通涂层。追述 PVD 的发展历程， 容易发现单一涂层是过去很长时间内一直采用的技术，包括最常用的 TiN、TiCN 等。 复合涂层是由各种不同功能或特性的涂层薄膜组成的结构，也成为复合涂层结 构膜，其典型涂层为目前的硬涂层 + 软涂层，每层薄膜各具不同的特征，从而使涂 层具有更好的综合性能。图 1- 3 所示为 TiN/Al2O3/TiCN/TiN 复合涂层截面形貌。 梯度涂层是指涂层成分沿着薄膜生长方向逐步变化，这种变化可以是化合物各 元素比例的变化，如 TiAlCN 中 Ti、Al 含量的变化，也可以由一种化合物逐渐过渡 到另一种化合物，如 CrN 逐渐过渡到 CBC 碳基涂层。 多层涂层是由多种性能各异的薄膜叠加而成，每层膜化学组成基本恒定。目前 在实际应用中多有 2 种不同膜组成，由于所采用的工艺存在差异，各膜层的尺寸也 图 1- 3 复合涂