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刀具涂层对切削过程的影响


为什么航空航天工业所用材料比通常用于汽车工业的铸铁、钢材等更难加工?金属切除过程是工件材料由塑性变形到断裂并形成切屑的过程。由材料学的标准拉伸试验获得的应力—应变图,给出了材料在达到断裂或强度极限时的塑性变形量,其相关数据可从标准的材料手册中查到。各种钢材根据其不同成分和热处理状态对应的可加工性分布位置。大体上可分为普通碳钢、未淬硬的合金钢和淬硬的合金钢。硬度低、?#30001;?#29575;大的材料在加工时产生较大的塑性变形,形成长切屑;相反,硬度高、?#30001;炻市?#30340;材料形成短切屑。

材料的单位断裂能与断裂应力和断裂应变的乘积成正比,它是材料塑性变形消耗的能量,并在切屑形成过程中转变为热量,是切削区的第一个热源。切削区的第二个热源是切?#21152;?#21069;刀面摩擦产生的热,材料的韧性越好,与前刀面的接触长度越长,产生的摩擦热也越多。

航空航天工业用的钛合金、镍基超级合金(Inconel等)由于具有很高的强度和韧性,切削时需要很大的塑性变形能,并与刀?#24515;?#25830;产生大量切削热,而它们很低的导热系数使热量集?#24615;?#20999;削区和刀/屑界面,对刀具寿命造成不利影响。因此,如何有效加工此类材料是 对切削加工的极大挑战。

刀具涂层技术是针对切屑形成过程中产生很高的力和热对刀具造成不利影响而开发的新技术,根据不同的应用领域,涂层刀具比未涂层刀具的寿命可提高2~10倍。

涂层的正确选择应与工件材料、切屑变形特性和切削条件相匹配,早期开发的TiN和TiCN涂层仍然适用于在一般切削条件下加工碳钢和合金钢。但是,随着切削速度的提高,就需要采用TiAlN涂层,因为这种涂层在高温下具有很好的稳定性。

加工难切削的航空航天材料时,要求刀具有最佳的切削刃设计,包括与切削刃锋利性相关的微观几何形状。例如,切削刃的倒棱或钝化,钝化程度在切削刃全长上有的要求均匀一致,有的要求有所变化。典型的钝化?#19981;?#21322;径为0.025mm,?#36234;?#20302;刃口应力的集中程度,更好地保护PVD涂层。

为了更好地加工难加工材料,材料科学家已经开发了新的涂层牌号,包括添加Si到TiN中形成的TiSiN涂层,或在AlTiN涂层?#24615;?#21152;Al含量,或用Cr代替Ti开发出AlCrN涂层,以及具有更高硬度、韧性?#28034;?#39640;温氧化性能的纳米结构涂层。与未涂层刀具相比,涂层刀具可以在其它条件相同的情况下采用更高的切削速度和获得更长的刀具寿命。一些研究成果解释了在不同切削条件下涂层的工作机理,开发了耐磨粒磨损、?#31181;?#24494;观裂缝、降低摩?#26009;?#25968;、形成稳定的AlCr氧化膜和更好耐热性等多样化的涂层功能。

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