加工模具用高效長壽命切削刀具材料

《Amada》

瑞典山特維克公司的新型GC1030硬質(zhì)合金牌號是全球率先開發(fā)的TiAlN超多層涂層硬質(zhì)合金刀具材料，它在模具材料的加工中，發(fā)揮出了提高加工效率、延長刀具壽命的卓越性能。
（1）模具材料變化帶來的問題
           近年來，隨著模具材料的性能不斷提高，模具的壽命不斷延長，但同時模具材料的可加工性（切削和磨削）也越來越差。近年來，模具的加工方法發(fā)生了很大變化，正從機(jī)械加工→淬火→精加工的傳統(tǒng)加工方式向直接切削加工淬硬材料的方式轉(zhuǎn)變，從而減少了加工工序，降低了加工成本。對于SKD61等淬硬材料，直接切削加工不會出現(xiàn)太大問題；但對于近年來新開發(fā)的跨世紀(jì)的新型模具材料，則既無法提高切削條件，也難以保證刀具壽命。這是一個不能忽視的大問題。
" w" [- M) m& P/ o) `! N& }+ M- R（2）可切削性惡化的原因
           當(dāng)前，對應(yīng)于各種不同的使用目的，對模具材料的性能進(jìn)行了最優(yōu)化，其共同追求的性能特點是高硬度、高韌性、高耐蝕性、已加工表面光潔美觀、質(zhì)量優(yōu)良等。為了滿足這些特性要求，需要采取添加各種合金元素、控制材料結(jié)晶組織、清除雜質(zhì)等措施。但是，從切削刀具的角度來看待這些性能改進(jìn)，就會發(fā)現(xiàn)它給刀具帶來了比切削抗力上升、因粘結(jié)導(dǎo)致刀尖損壞的危險性增大、易切削成分減少等難題。為了解決這些問題，就必須開發(fā)耐熱性、抗粘結(jié)性等切削性能優(yōu)異的刀具材料。
（3）開發(fā)新型刀具材料的必要性
; P' l7 f+ `. E/ U0 X' N1 `           為了解決上述問題，山特維克公司開發(fā)了銑削模具用涂層硬質(zhì)合金材料。在銑削一般硬度材料時，可采用具有較高的耐熱性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性的涂層硬質(zhì)合金刀具。而在銑削SKD61淬硬鋼時，使用以K類（GC3040）硬質(zhì)合金作為基體、涂有M2O3涂層的刀具是最好的選擇。但是，這些刀具對于跨世紀(jì)的新型模具材料并不適用。用CVD法涂覆的涂層硬質(zhì)合金刀具不能保持鋒利的切削刃，在涂層內(nèi)部殘留有拉應(yīng)力，在銑削粘而硬的模具材料時，在切削刃的涂層上容易產(chǎn)生微崩刃，并會逐步擴(kuò)展為較大崩刃。
           用2種PVD涂層刀具材料和3種CVD涂層刀具材料做了銑削DAC55（硬度HRC47）模具材料的刀具壽命對比試驗。3種CVD涂層材料是在不同基體材料表面涂覆不同厚度的TiN-Al2O3-TiCN三元涂層材料；2種PVD涂層材料是在不同基體材料上涂覆含Al比例不同的TiAlN涂層。觀察切屑厚度與刀具壽命的關(guān)系，可以看出，PVD-TiAlN涂層材料排在第1和第2位，尤其是含Al量多的PVD-TiAlN涂層材料的切削壽命優(yōu)于其他四種材料。TiAlN涂層之所以能獲得高耐熱性，是由于在涂覆過程中，Al與空氣中的氧反應(yīng)生成氧化鋁的結(jié)果。但是，由于PVD涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度有一定限度，因此對于粘性材料的加工就不大適應(yīng)。在切削DAC55工件材料（HRC47）的加工實例中（試驗刀具：R210-063Q22-14M；切削速度：Vc=50m/min；刀齒數(shù)：z=1；軸向切削余量：ap=1mm；徑向切削余量：ae=1mm；順銑；干切削；刀具壽命判斷標(biāo)準(zhǔn)：VB=0.2mm），最長的刀具壽命也只有25分鐘。因此，需要開發(fā)高性能的新型涂層材料。（4）超多層涂層的開發(fā)
6 F$ w5 |8 H- v) _+ c' `山特維克公司幾年前就開始關(guān)注超多涂層的作用，推進(jìn)車削刀片、整體硬質(zhì)合金立銑刀用超多涂層的研究開發(fā)及商品化，為提高生產(chǎn)效率和刀具壽命做出了重大貢獻(xiàn)。所謂超多涂層，是將數(shù)微米厚的PVD或CVD涂層交替組合重疊涂覆的涂層構(gòu)造，其優(yōu)點是涂層內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋將在中途停止擴(kuò)展，從而降低涂層脫落的可能性。而對于單層涂層來說，當(dāng)涂層裂紋擴(kuò)展到基體表面時，此處就成為涂層剝離的起點。因此可以說，不容易發(fā)生此類情況的涂層就是優(yōu)質(zhì)涂層。
  j( x% Z- b' F+ ^4 T# k, W, {8 l5 G- ?           GC1030涂層牌號在4μm厚的PVD涂層內(nèi)為多達(dá)數(shù)千層的超多層涂層構(gòu)造，構(gòu)成涂層的元素有鈦（Ti）、鋁（Al）和氮（N）。從涂層的整體結(jié)構(gòu)來看，是一種超多層的TiAlN涂層；從微觀結(jié)構(gòu)上看，是通過改變各層Ti和Al的配比并交替重疊組合而成的超多層TiAlN涂層，其結(jié)果是形成了具有高耐熱性的含Al成分高的涂層和高韌性涂層交替重疊的涂層構(gòu)造。從整體上構(gòu)成了前所未有的高耐熱性和抗剝離性兼?zhèn)涞腡iAlN涂層材料。
（5）性能對比
           用山特維克公司原有的TiAlN涂層刀片與GC1030超多層TiAlN涂層刀片進(jìn)行了切削DAC3工件材料（HRC41）的性能對比試驗（切削速度：Vc=90m/min；每齒進(jìn)給量：fz=0.15mm/齒；刀齒數(shù)：z=1；軸向切削余量：ap=2mm；徑向切削余量：ae=20mm；順銑；干切削）。原有TiAlN涂層中含Al成分較多，是一種具有高耐熱性的刀片。比較兩種刀片試驗后的切削刃可知，GC1030牌號TiAlN涂層刀片不僅加工時間長，且切削刃磨損很小，是一種性能優(yōu)異的超多層構(gòu)造的TiAlN涂層材料。
           GC1030涂層與其他公司含Al成分多的TiAlN涂層的切削對比試驗（試件材料仍為DAC3，切削速度：Vc=90m/min；每齒進(jìn)給量：fz=0.13mm/齒；刀齒數(shù)：z=1；軸向切削余量：ap=3mm；徑向切削余量：ae=3mm；順銑；干切削）結(jié)果表明，其他公司的TiAlN刀具加工20分鐘后局部磨損很大，這是由于涂層（或涂層與基體的一部分）和積屑瘤剝離造成的。與此相反，GC1030超多層TiAlN涂層刀具加工時間超過50分鐘時仍未發(fā)現(xiàn)大的崩刃。由此可見，GC1030涂層可放心應(yīng)用于如淬過火的DAC3那樣粘而硬的材料加工。此外，GC1030涂層材料在各種鈦合金加工中也優(yōu)于原有TiAlN涂層材料，可獲得很好的效果。雖然其因果關(guān)系的科學(xué)機(jī)理尚不清楚，但可以確定，超多層構(gòu)造涂層對切削性能具有良好的正面影響，不僅適用于粘而硬的模具材料加工，對于飛機(jī)構(gòu)件、醫(yī)療產(chǎn)品等的加工也是一種不錯的刀具材料。
7 n: ^  [# J3 e, }# x( j- p; |           山特維克公司將把GC1030超多層TiAlN涂層材料用于PVD涂層硬質(zhì)合金銑削刀具。2006年春季應(yīng)用于所有的可樂滿銑刀，到秋季應(yīng)用于可樂滿245端面銑刀的新型切削刃刀片、可樂滿210大進(jìn)給銑刀的正前角斷屑槽刀片和可樂滿300低切削抗力圓刀片機(jī)夾銑刀的磨削級正前角刀片等，使GC1030型超多層TiAlN涂層材料逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，并占據(jù)主導(dǎo)地位。