表面涂層技術的發(fā)展與應用對刀具性能的改善和切削加工技術的進步起到了十分關鍵的作用，涂層刀具已成為現(xiàn)代刀具的重要標志兜看。常用的刀具涂層材料主要有TiC锥咸、TiN、Al2O3细移、TiCN搏予、TiAlN、CBN等弧轧。TiAlN作為一種新型涂層材料隧渠，具有硬度高、氧化溫度高跃览、熱硬性好元八、附著力強、摩擦系數(shù)小昧挚、導熱率低等優(yōu)良特性聪萨，尤其用于高速切削時性能優(yōu)異。在日本和我國臺灣地區(qū)甩芦，TiAlN涂層刀具的應用已相當廣泛讽空。本文介紹的新型TiAlN涂層銑刀采用超細顆粒(直徑約1μm)碳化鎢—鈷硬質合金基體，表面采用特殊的低溫物理氣相沉積(PVD)法涂覆高硬度的TiAlN單層涂層(厚度約6μm)练歇。TiAlN涂層表面生成高強度的氧化物(剛玉)楞盼，涂層中的Ti含量控制在37%左右，Al含量控制在10%～13%之間蔑枣，以保證刃口的鋒利性锄镜。

　　涂層性能-TiAlN涂層-TiN涂層

　　維氏硬度Hv(kgf/m2)-2720-1930

　　氧化溫度(℃)-840-620

　　劃痕測試臨界負荷粘附力(N)-80.3-60.3

　　結構特征-細柱狀面心立方結構-面心立方結構

　　摩擦性能-與鋼摩擦系數(shù)0.30-與鋼摩擦系數(shù)0.41

　　高速銑削技術在模具制造中的應用

　　近年來，高速切削技術發(fā)展迅猛仿吞，如銑削機床轉速已高達30000～50000r/min滑频。高速銑削在模具制造等精密、超精密加工中具有良好的應用前景唤冈。由于有些模具的過渡棱邊尖銳薄弱峡迷，轉角處易發(fā)生塌角現(xiàn)象，采用普通銑削難以保證模具廓形交界處的加工精度你虹，而采用高速銑削可切削出形狀銳利的輪廓尖角绘搞，可實現(xiàn)精密模具的高精度、高效率加工傅物。

　　近年來夯辖，國外模具制造商開發(fā)了多項模具高速加工先進技術，如：①形狀預識別控制技術：該技術可在高速加工模具自由曲面時實現(xiàn)高精度加工控制功能董饰，以避免尖角部位因切削沖擊蒿褂、機械滯后等引起路徑誤差。②SF技術：用球形銑刀加工模具自由曲面時卒暂，因工件和刀具的切削點在不斷變化啄栓，使實際切削點的切削速度不斷發(fā)生變化，影響表面加工質量乏根。采用SF技術可從NC數(shù)據(jù)中預先讀出時刻變化的切削點信息焕鲸，通過控制主軸回轉速度使切削點切削速度保持一定；同時控制每轉相當進給量韧似，使進給速度保持穩(wěn)定落寡。③區(qū)域加工技術：在模具加工面上預先設定一定區(qū)域，應用區(qū)域加工技術可在不改變原

　　加工程序的情況下浊笤，對設定區(qū)域內或區(qū)域外實現(xiàn)可改變切深及其它切削條件的加工痒仆。④直角鄰邊圓弧內角銑削技術：采用三面銑刀柄嵌三角刀片進行加工，可將圓弧內角直接銑削成直角秋胚，加工效率比電火花線切割可提高約20倍豪服。⑤利用特殊數(shù)控代碼G260指令，可實現(xiàn)在平面上加工斜孔弊刁。加工時吁巫，銑刀桿利用萬向節(jié)偏轉要求的角度，可免除常規(guī)加工時需重新裝夾工件及使用專用夾具的麻煩。⑥控制系統(tǒng)采用NURBS(Non-uniform Rational B Spline)補償龟夜，從而解決了控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸存在等待現(xiàn)象挂捅，在微小進給(1μm)加工時機床不能移動等問題。

　　采用高速銑削技術對模具進行直接成型加工堂湖，可減少電加工及相關工序流程闲先，顯著提高加工效率，加工時間可縮短1/3～1/4无蜂。為實現(xiàn)模具的高速銑削加工伺糠，開發(fā)及應用先進的高速銑削刀具尤為重要，TiAlN涂層銑刀就是目前高速銑削淬硬模具鋼最常用的理想刀具斥季。

　　TiAlN涂層銑刀高速銑削模具鋼的磨損與破損性能

　　用VC-MD型號六齒TiAlN涂層硬銑刀(φ10mm)高速銑削AlSi H13/JIS SKD61淬硬模具鋼(52HRC)時(銑削速度：628m/min训桶；銑削長度：50m；銑削深度：軸向切深10mm酣倾，徑向切深0.5mm)舵揭，采用不同冷卻方式對刀具磨損形貌的影響結果表明，采用風冷切削時刀具磨損最性钚琉朽；采用干式切削時刀具磨損次之；采用乳化液冷卻切削時刀具磨損最大稚铣。由于銑刀刃呈間歇切削狀態(tài)箱叁，如切削時將冷卻液直接噴淋在刀具上，刀刃時冷時熱的溫度變化容易引起熱裂紋秽擦，導致切削刃破裂及刀片破損裹依。因此，高速銑削模具鋼時不應使用冷卻液资汛，否則會縮短刀具壽命帐捺。

　　刀具的主要失效機理包括月牙洼磨損、熱變形呼雨、破裂等赫捕。切削熱和機械振動是刀具失效的重要影響因素。月牙洼磨損通常發(fā)生在刀片前刀面上凑魔，當高速加工鋼件及其它硬質材料時飘拂，切屑在高溫作用下熔附在刀具表面，并使刀具材料顆粒發(fā)生剝離壶碴，形成月牙洼磨損情召。過度的月牙洼磨損會削弱切削刃強度，阻礙切屑流動撼予，增大刀具承受的溫度與壓力钥屈，最終導致刀具破損。對刀具進行涂層可在刀具與工件之間增加一層惰性硬介質，顯著減小月牙洼磨損篷就。通過合理應用涂層技術射亏，可使刀片既具有高硬度又具有高韌性。涂層時可根據(jù)需要調節(jié)基體和涂層的元素分布腻脏，使切削刃區(qū)域具有較高含鈷量鸦泳，從而將含鈷基體的耐沖擊性與涂層的耐磨性結合起來银锻，使切削刃具有良好韌性而刀具其余部分保持較高硬度永品。

　　用VC-MD型號TiAlN涂層銑刀高速銑削AlSi H13模具鋼(50HRC)時(進給速度：0.10mm/齒；軸向切深10mm击纬，徑向切深0.5mm)鼎姐，銑削狀態(tài)與刀具破損的關系表明：當切削速度V=157m/min時，采用干式切削和風冷切削時的切削長度均可達到300m更振；采用乳化液冷卻切削時在200m處刀刃出現(xiàn)崩裂炕桨。當切削速度V=314m/min時，采用干式切削時在150m處刀具出現(xiàn)破碎肯腕；采用風冷切削時在300m處仍可正常銑削献宫；采用乳化液冷卻切削時在50m處刀具出現(xiàn)崩裂。當切削速度V=471m/min時缆月，采用干式切削時在200m處刀具出現(xiàn)較大磨損拭愁；采用風冷切削時在300m處刀具出現(xiàn)較大磨損；采用乳化液冷卻切削時在50m處刀具出現(xiàn)崩裂践涧。當切削速度V=628m/min時侣娄，采用干式切削時在100m處刀具出現(xiàn)較大磨損，在120m處刀具破碎折斷岩视；采用風冷切削時苇硫，在150m處刀具折斷破碎；采用乳化液冷卻切削時刀具很快磨損折斷颓蛀。

　　風冷切削一般可采用液氮致冷和壓縮空氣致冷兩種方式境薪，并可對切削區(qū)輔以油霧潤滑，以提高加工表面光潔度鹰坐。風冷切削可獲得較好加工效果好啸，但加工成本較高。干式切削省去了冷卻苍煎、潤滑裝置甚负，可降低加工成本，減少環(huán)境污染审残。為實現(xiàn)干式切削梭域，刀具涂層必須具有兩個重要功能：①可在刀具與工件之間起到熱壁壘的作用，以減小作用于刀具基體的熱應力；②可起到固體潤滑劑的作用病涨，以減小切削摩擦及切屑對刀具的粘附富玷。TiAlN涂層就是一種可較好滿足上述要求的高性能涂層。

　　許多新型硬質合金刀具牌號（尤其是帶涂層牌號）在高速切削時采用干切削方式可獲得更高切削效率既穆。事實上赎懦，對于間斷切削，切削區(qū)溫度越高幻工，越不適合使用切削液励两。銑削時加切削液可使刀具承受劇烈的溫度變化（銑刀片自工件切出時被冷卻，切入工件時溫度再次上升）囊颅。雖然干切削時也存在類似的加熱-冷卻循環(huán)当悔，但溫度變化幅度比加切削液時緩和得多。溫度的劇烈變化可導致刀片中產(chǎn)生應力刺勇，從而引起裂紋瓢身。

　　涂層厚度（一般為2~18μm）對于刀具性能具有重要影響。對于沖擊力較大觅氢、刀具快速冷卻和加熱的間斷切削宝辛，薄涂層承受溫度變化的性能優(yōu)于厚涂層，其應力較小虐恋，不易產(chǎn)生裂紋枕泽，因此薄涂層刀片干式切削時的壽命可延長40%.一般來說，PVD工藝可獲得比CVD工藝更薄的涂層奇搪，且與基體結合較為牢固曼中，因此圓形刀具和銑刀片等常采用PVD涂層。此外住龙，由于PVD涂層的沉積溫度較低肯绅，因此較多應用于刃口鋒利的刀具及大正前角銑刀、車刀等监征。

　　TiAlN涂層是目前適用于高速干式切削的性能最佳的PVD涂層芽接，其高溫連續(xù)切削性能指標比氮化鈦（TiN）涂層高4倍，這主要得益于高溫切削時涂層表面的鋁氧化后在切屑/刀具界面上形成的非結晶氧化鋁薄膜括眠。

　　分別用VC-MD型號TiAlN涂層銑刀彪标、TiN涂層銑刀和未涂層銑刀高速銑削AlSi H13/JIS SKD61模具鋼（52HRC）（進給速度：0.10mm/齒；軸向切深10mm,徑向切深0.5mm;順銑掷豺，風冷）捞烟，加工長度達50m后刀具周邊后刀面的磨損情況表明：當切削速度V=100m/min時，加工時間為60min,TiAlN涂層銑刀的磨損量僅為其它刀具的1/2~1/3.當V=600m/min時当船，TiAlN涂層銑刀加工同樣長度僅需時10min,磨損量增大2倍题画；TiN涂層銑刀和未涂層銑刀在V=200m/min時磨損量已較大默辨，V繼續(xù)增大時則出現(xiàn)劇烈磨損。分析磨損曲線的變化趨勢可知苍息，TiAlN涂層銑刀的磨損曲線斜率較小缩幸，走勢較平坦；其它兩種刀具的磨損曲線斜率則較大竞思。表明隨著切削速度的增加表谊，TiAlN涂層的磨損量變化很小，非常適合高速切削盖喷。

　　TiAlN涂層銑刀高速銑削鈦合金的切削性能

　　用VC-2MS型號TiAlN涂層銑刀（φ10mm）銑削鈦合金材料（Ti-6Al-4V）時（銑削深度：徑向切深0.2mm,軸向切深10mm,側面銑削爆办；冷卻壓力：4.4M），銑削速度與刀具后刀面磨損的關系表明：鈦合金屬于難加工材料凹毛，當TiAlN涂層銑刀低速銑削時宦逃，刀具磨損量很小葬爽，磨損曲線較平坦鸳岩。隨著切削速度不斷增大，刀具磨損量緩慢增加嘱董。但當切削速度超過10000r/min后听番，刀具磨損量快速增加。斷續(xù)切削鈦合金材料產(chǎn)生的高溫會使刀片的切削刃與其它部分之間產(chǎn)生較大溫差图兑，導致切削刃產(chǎn)生裂紋核看，裂紋的擴展將導致切削刃破裂及刀片破損。

　　用六刃TiAlN涂層銑刀（φ10mm）銑削Ti-6Al4V,當改變銑削速度與銑削深度時（進給速度：0.10mm/齒蔫卦；軸向切深10mm,側面銑削）券豺，銑刀轉速與徑向切深的關系曲線表明：銑削鈦合金材料時，切削速度越高桨座，可保證正常銑削的徑向切深量就越小读黑。如在臨界轉速（10000r/min）時，徑向切深量取0.1mm可保證正常銑削破讨，如徑向切深量取0.2mm則刀具磨損量較大丛晦，當轉速進一步增加時磨損將迅速增大。選取5000r/min的轉速較為安全提陶，可在0.4~0.6mm的徑向切深量范圍內實現(xiàn)正常加工烫沙，排屑量為15cc/min.排屑量通常隨徑向切深量的減小而減少，切屑排出量越大隙笆，所需加工功率也越大锌蓄。根據(jù)切削試驗結果，銑削鈦合金時撑柔，選取轉速5000r/min瘸爽、徑向切深量0.4~0.6mm較為合理仰冠，此時銑刀磨損小、壽命長蝶糯，銑削功率大洋只，加工效率高。

　　兩種高效銑削方法

　≈绾础（1）圓弧銑槽

　　銑削鍵槽時驮尘，選用銑刀直徑應小于鍵槽寬度，否則銑削阻力較大央匀，影響銑刀壽命温辉。如選用φ10銑刀加工槽寬10mm的鍵槽，每次切深為1mm,需來回銑削10次才能完成加工试著。為提高加工效率亡铺，可采用圓弧銑槽方法。采用φ6銑刀沿一定弧度進行旋轉銑削橱柒，可高效完成切深10mm的加工厕猴。圓弧銑槽的尺寸計算公式為：

　　θ=arccos[1-2Rd（t-Rd）/φ（t-φ）]

　　式中：θ為最大銑削角度，Rd為徑向切深主靡，t為被加工槽寬盲外，φ為銑刀直徑。

　　采用VC-MD型號TiAlN涂層端銑刀（φ12mm）對AlSi H13/JIS SKD61模具鋼材料（52HRC）進行圓弧銑槽加工（槽深10mm）（銑削速度：313m/min（8300r/min）否艺；進給速度：5000mm/mi（0.10mm/齒）棺蛾；風冷）。

　　用TiAlN涂層球頭銑刀以螺旋銑削方式加工孔可獲得較高的加工效率和較長的刀具使用壽命盒苛。用VC-2MB R3型TiAlN涂層球形銑刀對AlSi H13 / JIS SKD61模具鋼材料（52HRC）工件進行螺旋銑孔加工（孔深：9mm;X怜俐、Y向進給速度：1500mm/min;銑削速度：283m/min,相當于15000r/min）時，被加工孔徑與螺旋式銑削的軸向進給率（螺旋前進一周的軸向移動量）Fa取值的關系表明：Fa取值較小時可加工較大的孔徑邓尤。當被加工孔徑為φ9mm時拍鲤，F(xiàn)a最大可取值0.6mm,如超過該值則銑刀磨損將加劇。以軸向進給率Fa=0.3mm加工φ7mm孔徑時的銑孔數(shù)量與銑刀磨損量的關系表明：銑100個孔的后刀面磨損量約為0.03mm,銑500個孔的后刀面磨損量約為0.05mm,可見隨銑孔數(shù)量的增加裁赠，TiAlN涂層銑刀的磨損量變化不大殿漠，其耐用度較高。

　　TiAlN涂層具有優(yōu)于TiC佩捞、TiN绞幌、TiCN等涂層的機械物理性能，并可與其它涂層配合組成多元多層復合涂層一忱。切削試驗及加工實踐表明莲蜘，TiAlN涂層刀具化學穩(wěn)定性好，抗氧化磨損能力強帘营，高速加工高合金鋼票渠、不銹鋼逐哈、鈦合金、鎳合金等難加工材料時裙闪，其工作壽命可比TiN涂層刀具提高3~4倍蒙玩。TiAlN涂層中具有較高Al濃度，切削加工時涂層表面會生成一層極薄的非晶態(tài)Al2O3,從而形成硬質惰性保護膜俯够，非常適合應用于高速切削加工绅刨。TiAlN涂層刀具的普及應用將大大提高刀具耐用度，減少加工輔助時間峰适，降低切削加工成本抗钻，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

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