工模具涂層的選擇

對小型圓形機床刀具進行正確的表面處理可以提高刀具壽命，減少加工循環時間，提升加工表面質量。但是，根據加工需要正確選擇刀具涂層有可能是一件令人困 惑和費勁的工作。每一種涂層在切削加工中都既有優勢又有缺點，如果選用了不恰當的涂層，有可能導致刀具壽命低于未涂層刀具，有時甚至會引出比涂層以前更多的問題。

    目前已有許多種刀具涂層可供選擇，包括PVD涂層、CVD涂層以及交替涂覆PVD和CVD的復合涂層等，從刀具制造商或涂層供應商那里可以很容易地 獲得這些涂層。本文將介紹一些刀具涂層共有的屬性以及一些常用的PVD、CVD涂層選擇方案。在確定選用何種涂層對于切削加工Z為有益時，涂層的每一種特性都起著十分重要的作用。

1.涂層的特性

（1）硬度

    涂層帶來的高表面硬度是提高刀具壽命的Z佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的壽命越長。氮碳化鈦（TiCN）涂層比氮化鈦（TiN）涂層具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂層的硬度提高了33%，其硬度變化范圍約為Hv3000～4000（取決于制造商）。表面硬度高達Hv9000的CVD金剛石涂層在刀具上的應用已較為成熟，與PVD涂層刀具相比，CVD金剛石涂層刀具的壽命提高了10～20倍。金剛石涂層的 高硬度和切削速度可比未涂層刀具提高2～3倍的能力使其成為非鐵族材料切削加工的不錯選擇。

（2）耐磨性

    耐磨性是指涂層抵抗磨損的能力。雖然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生產過程中添加的元素和采用的工藝可能會引起刀具切削刃崩裂或磨鈍。

（3）表面潤滑性

    高摩擦系數會增加切削熱，導致涂層壽命縮短甚至失效。而降低摩擦系數可以大大延長刀具壽命。細膩光滑或紋理規則的涂層表面有助于降低切削熱，因為光 滑的表面可使切屑迅速滑離前刀面而減少熱量的產生。與未涂層刀具相比，表面潤滑性更好的涂層刀具還能以更高的切削速度進行加工，從而進一步避免與工件材料發生高溫熔焊。

（4）氧化溫度

    氧化溫度是指涂層開始分解時的溫度值。氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層，但事 實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具 傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質合金刀具的首選涂層，硬質合金鉆頭和立銑刀通常采用這種 PVD TiAlN涂層。

（5）抗粘結性

    涂層的抗粘結性可防止或減輕刀具與被加工材料發生化學反應，避免工件材料沉積在刀具上。在加工非鐵族金屬（如鋁、黃銅等）時，刀具上經常會產生積屑 瘤（BUE），從而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料開始粘附在刀具上，粘附就會不斷擴大。例如，用成型絲錐加工鋁質工件時，加工完每個孔后絲錐上粘附的鋁都會增加，以至Z后使得絲錐直徑變得過大，造成工件尺寸超差報廢。具有良好抗粘結性的涂層甚至在冷卻液性能不良或濃度不足的加工場合也能起到 很好的作用。

CNC磨削不僅比手動磨削更快，同時還可以加工出更好、一致性更高的刀具，因為它不依賴于操作員的技能。許多高速加工中心采用具有復雜幾何結構的刀具，諸如每個齒其有不同螺旋線結構的鉆頭，或者整個刀具上螺旋線不斷變化的鉆頭。這樣的刀具很難或者說不可能通過手動磨削形成很好的結果。而通過多種軟件選項，新的CNC機床卻可以很方便地磨削復雜的刀具幾何結構。

鉆頭的CNC磨削可以確保在直徑、齒間空間、刀具半徑方面不存在偏差，因此每把刀具都將均勻切削。這些特征的非一致性可能導致在各個刀齒上產生額外應力，從而降低刀具壽命。刀具的一致性可以保證長時間進行不間斷切削，因此換刀時間可以依據實際情況規定，從而徹底用完刀具的可用壽命。此外，一件工件需要的刀具把數可以通過生產調度精確確定，從而減少刀具庫存。好的刀具發熱Z少，振動低，因此機床壽命更長，維護更少，同時加工出的表面粗糙度更高。另外，CNC磨削還可以采用韌度更高的刀具材料，這種刀具可以保證更高的切削速度，形成更好的表面粗糙度。

通常，手動磨削是在干磨削狀態下完成的，而CNC磨削則具有許多冷卻液選項。采用高壓冷卻液可以防止切削刃發熱，從而保證切削速度更高，刀具壽命更長。

實現經濟型高生產率Z重要的因素是切削速度，而不是刀具成本或刀具壽命。例如，工業數據表明，刀具成本降低30%只能使每件產品的成本降低1%。類似地，刀具壽命提高50%也只能使產品成本降低1%。但是，切削速度提高20%（盡管刀具成本增加50%）卻可以使每件產品的成本降低15%。CNC磨削成的高質量刀具很容易就能讓切削速度比手動磨削刀具的高20%。