當前蝙茶，我們面臨著一個不可回避的課題艺骂，那就是提高加工工藝的高精度、高質(zhì)量化程度隆夯，只有這樣才能在加工行業(yè)立于不敗之地。同時别伏，縮短加工時間和降低加工成本也是這一課題的重要一環(huán)蹄衷。通過分析不難看出，零件和模具加工成本的市場平均比例分別是工具費占5%厘肮，管理費25%愧口，加工費70%。從高效率低成本的角度來看咆杯，即使工具費用減半幌瓦，成本也只能降低2.5%，但如果把加工時間縮短一半的話终太，加工成本就會降低35%苫担，同時，加工周期也將是原來的一半辰丛。 

   為了實現(xiàn)工時減半的目標滓层，自然需要新的加工工具，即能實現(xiàn)高速加工和高速進給的刀具向酝。但無論刀具具有哪種性能禁糖，都避免不了切削溫度上升的問題。 

   現(xiàn)有的涂層都是以提高耐磨性能為目的盖疾。然而狞穗，在今天這種高效率加工過程中，當切削溫度達到900℃以上警沧，就產(chǎn)生了刀具氧化的新問題民轴。因此，現(xiàn)有的涂層已不能適應高效率的加工夹姥，而研發(fā)一種既能提高耐磨性杉武，又能提高抗氧化性和潤滑性的新型多功能硬質(zhì)涂層已迫在眉睫辙诞。 

  在這種背景下，日立公司開發(fā)了世界首創(chuàng)的“納米結晶涂層”轻抱，使刀具涂層的多功能化成為可能飞涂。本文將介紹TiSiN納米涂層、CrSiN納米涂層和TiBON納米涂層的特征祈搜。 

1．TiSiN類納米涂層 

（1）物理性能與結構 

   TiN類涂層的Si含量與硬度的關系為：隨著Si含量的增加较店，涂層硬度顯著提高。另外容燕，現(xiàn)有TiAIN涂層的硬度約為3500HV左右梁呈，而Si含量在理想狀態(tài)下的TiSiN類涂層的硬度可達到4000HV。 

   由涂層斷面TEM圖像可以看到蘸秘，它是由幾個納米形成的微細晶粒構成的官卡，進而可以確認多個與矩陣型組織不同的原子排列區(qū)域（幾個nm）。涂層的電子衍射結果顯示：納米結晶粒由fcc結構構成僚洋，矩陣為非晶質(zhì)結構剥乍。這說明TiSiN類涂層是由具有超微細晶粒的組織構成的，這種組織在切削刀具現(xiàn)有的硬質(zhì)涂層中是找不到的候赏。這種普通硬質(zhì)涂層所不具備的超微細晶粒結構便是其實現(xiàn)高硬度的重要因素斧炎。 

（2）高硬鋼的高速切削性能 

   以高硬鋼材料SKD11（60HRC）的側面銑削加工為例。切削速度為150m/min盯媚，干式切削铝寿，徑向切削深度為刀具直徑的5%，冷卻空氣氣壓：4MPa抖唧。由輻射溫度計測定的刀具表面溫度可估算出刀具的磨損狀態(tài)陷克。當切削過程中達到一定發(fā)熱量時，各刀具均不能切削骏芍，且加工表面出現(xiàn)灼痕曾瞪。刀具的溫度均達到400℃，切削區(qū)的溫度在相同測試中甚至達到了800℃～900℃既憔。說明新開發(fā)的TiSiN類復合涂層（TH膜）銑刀的切削性能是目前使用的TiAIN類涂層刀具切削性能的2～3倍掰儿。 

2．CrSiN類納米涂層 

   在低碳鋼或調(diào)質(zhì)鋼（42HRC以下）材料的加工中，被切削材料在切削刃涂層上反復粘附或脫落抚官，脫落時對切削刃的損傷會導致加工表面的粗糙和刀具壽命的降低扬跋。要改善這一現(xiàn)象，必須提高涂層膜的抗粘附性凌节。日立公司研發(fā)了一種抗粘附性和耐磨損性兼?zhèn)涞腃rSiN類納米復合涂層（CS膜）钦听，它保持了潤滑度和硬度兩種優(yōu)良特性。CS膜是由幾納米的超微細晶體或富含Si的非結晶體形成的復合物倍奢，從而具備了潤滑性和耐磨性朴上。 

   CS涂層刀具濕切削及干式切削碳素鋼S55C（220HB）的試驗數(shù)據(jù)證明CS涂層刀具具有不易受切削液影響的特點垒棋，從而增加了使用的方便性。 

  由于CS膜具有良好的耐磨損性痪宰，使切削速度達到現(xiàn)有TiAIN類涂層刀具的3倍叼架，實現(xiàn)了298m/min的高速切削，同時衣撬，也實現(xiàn)了3.8倍進給速度的高進給乖订，使加工時間縮短74%，加工費用降低了36%具练。 

  傳統(tǒng)球頭銑刀在球頭切削刃中心附近磨損很大乍构，與之相比，CS膜球頭銑刀的切削刃始終保持均勻穩(wěn)定的磨損狀態(tài)喝壹。 

3．高進給加工用TiBON類涂層 

（1）涂層的特點 

   用高溫摩擦磨耗試驗機測定的不同涂層材料的摩擦系數(shù)結果證明仓近，添加BN及O的TiBON類涂層在常溫下的摩擦系數(shù)只比TiAIN略低一點，但在常壓叛剩、700℃高溫之下則降至TiAIN的一半蚓绞。對TiBON涂層化學結合狀態(tài)進行研究的結果表明，在涂層膜中有B-N結合存在派料。這種B-N的化學構造解析結果說明：TiBON涂層膜中有c-BN和h-BN結晶存在。另外滑攘，同樣的解析還確認了膜中含有Ti-O氧化物腊匆。在陶瓷領域素有爭議的BN結晶具有固體潤滑性能，且在高溫下化學性能穩(wěn)定超璧。本次研發(fā)的涂層產(chǎn)品又進一步加入了氧化物隙趣，使之在高溫下的化學性能更具穩(wěn)定性。這種BN結晶的存在使提高潤滑性的效果得到充分發(fā)揮嘴缓，成為降低高溫下摩擦系數(shù)的重要因素旱万，從而抑制了高速進給加工過程中的月牙洼磨損。 

（2）高速進給加工實例 

  以高速進給切削加工SKD11為例吐句。在傳統(tǒng)的200m/min切削速度條件下胁后，將進給量設定為1.3mm/齒，實施高進給量的加工嗦枢。刀具為日立公司設計的高進給專用銑刀——ASR型銑刀（Alpha Super Radius銑刀）攀芯。涂層的評價程序是：測定切削過程中產(chǎn)生的月牙洼磨損的寬度，直到涂層最終缺損為止文虏。試驗結果顯示侣诺，TiBON涂層刀片的月牙洼磨損明顯得到抑制，刀具壽命是現(xiàn)有TiAIN涂層刀具的3倍氧秘。 

  以上介紹了使用納米復合涂層刀具進行的高速高效加工以及使用最新切削刀具進行高效加工的技術年鸳。希望這些技術不僅有助于延長刀具的壽命趴久，還能通過最新刀具附加價值的有效發(fā)揮，實現(xiàn)真正意義上的降低成本（減少加工費用）搔确，以利于公司在經(jīng)濟全球化競爭中立于不敗之地彼棍。
日立工具株式會社 久保田和幸 黃寧秋譯

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