切削模具鋼的專用高效刀具涂層
作為典型難加工材料的高硬度模具鋼(硬度達HRC60~65)，由于具有延伸率小、塑性低，耐磨性好等諸多優良的性能，且易于形成高光潔加工表面，在汽車、電子等諸多行業模具制造中得到廣泛的應用。
長期以來，人們較多采用磨削或者電火花加工(EDM) 的方法實現對模具的加工。雖然電火花加工具有與工件硬度無關的工藝特點，但較低的材料去除率使它的應用范圍受到限制。隨著現代加工技術的發展及及超硬銑刀材料和先進耐熱涂層的出現，以銑代磨、以銑代EDM 進行高效經濟的高硬度模具鋼的加工已成為可能，并在生產中取得了顯著的經濟效益。
對高硬度淬硬鋼進行高效銑削是一種先進加工技術，屬于有效的硬銑技術之一。采用硬銑技術加工模具，不但使加工周期大為縮短,而且加工質量得到了可靠保證。但是由于淬硬鋼本身硬度很高，對其進行銑削加工時存在著由于切削溫度和切削力過高引起的諸多問題，如較差的表面質量以及較低的刀具壽命等，因此對切削刀具材料的要求極為苛刻，故常采用硬質合金、陶瓷或CBN刀具加工；但是更多的、更經濟的是采用各種先進涂層硬質合金刀具，因目前先進的涂層技術能夠使各類涂層刀具制備成為現實，很好地滿足切削加工過程對刀具的耐磨性和韌性的苛刻要求。特別是當目前這種高硬度模具鋼普遍采用干式切削時，采用新型涂層刀具進行加工更是其發展趨勢。
刀具涂層的優劣會直接影響切削淬硬鋼的加工效率和加工精度。高性能的刀具涂層能成倍地提高生產效率，且能方便地得到最佳尺寸精度、形狀精度和表面質量的零件。此外對于刀具涂層來說，需要能夠對生產條件進行正確匹配，如果不考慮這一點，一昧地使用超高性能涂層銑刀，效果反而適得其反，不僅增加成本而且降低穩定性和加工質量，故此開發與生產條件相匹配的刀具涂層至關重要。
上海工具廠有限公司采用陰極大平面矩形靶沉積技術，輔以特殊的涂前預處理技術，在傳統TiAlN工藝基礎上優化涂層梯度結構，大大提高膜基結合力與涂層韌性，目前開發出了專用于高效銑削高硬度材料的新型硬質合金刀具涂層－火鳳凰系列涂層，該涂層具有高顯微硬度(≥Hv3500)、低切削阻力、良好的抗高溫(≥900℃)與摩擦磨損等性能。
我們選用極具代表性的整體淬硬模具鋼SKD11(HRC61)進行銑削實驗，圖1給出了其1000倍的金相顯微圖。
試驗使用的銑刀共有三類，分別是火鳳凰涂層銑刀、常用于高硬度模具鋼加工的TiAlN涂層銑刀以及無涂層銑刀，三類刀具幾何結構一致，刀具材質皆為相同牌號的硬質合金，刀具直徑為12mm，均為4齒，使用干式銑削，銑削參數為切削速度80m/min，每齒進給量0.1mm/z，軸向切深6mm，徑向切深0.3mm，銑刀懸長30mm。
圖2所示為火鳳凰涂層銑刀、TiAlN涂層銑刀以及無涂層銑刀三類銑刀的切削合力對比。從圖中可以看出，火鳳凰涂層刀具具有最小的切削力，其切削力比TiAlN涂層低25%，比無涂層刀具低30%，這得益于火鳳凰涂層帶來的良好的摩擦性能，切削過程中能夠有效的降低摩擦力，從而使得切削力降低。
圖3所示為火鳳凰涂層銑刀、TiAlN涂層銑刀以及無涂層銑刀三類銑刀的切削溫度對比。從圖中可以看出，無涂層刀切削溫度最大，而涂層銑刀切削溫度較小。可見火鳳凰涂層能夠將切削溫度控制在一個較小的范圍內，這對切削過程有著極大的益處，這能夠使刀具磨損情況改善，有效提高刀具耐用度。
圖4所示為火鳳凰涂層銑刀、TiAlN涂層銑刀以及無涂層銑刀三類銑刀的刀具后刀面磨損曲線對比對比。從圖中可以看出，無涂層刀在切削開始階段即告失效，而TiAlN涂層刀具在銑削長度達到10米的時候后刀面磨損達到了0.31mm，刀具失效。而火鳳凰涂層銑刀在銑削10m之后，其后刀面磨損僅為0.11mm，可見火鳳凰涂層銑刀有更長的刀具壽命。圖6和圖7分別給出了火鳳凰銑刀和TiAlN涂層銑刀的磨損過程照片。
從圖5中可以看出在火鳳凰涂層銑刀在整個加工過程中刀具磨損很均勻，切削狀態較好，故此該涂層刀具對淬硬鋼具有良好的切削性能。而TiAlN涂層刀具在銑削距離為8m時，刀具開始發生崩刃現象，在銑削距離為10m時刀具失效。此外，火鳳凰涂層銑刀粘屑情況也明顯比TiAlN涂層銑刀要輕微。為了對其磨損情況進行進一步分析，將其刀具最終磨損形態使用SEM照片進行深入分析，圖8為火鳳凰涂層刀具的主切削刃后刀面不同放大倍數的SEM照片。從圖中可以看出刀具磨損狀態較好，但是加工后期出現了一定程度的微崩刃，同時刀刃磨損帶出現了輕微粘結。圖8給出了后刀面磨損位置的EDS分析，此處的刀具涂層已完全被剝離，掃描區域所顯示的成分為硬質合金基體的組元W和Co。
圖9給出了磨損帶粘結物的EDS分析，所掃描的元素成分表明刀刃上粘結的片狀黑色粘結物為模具鋼材料(Fe、Cr和Mn)。
從以上分析可以知道，在銑削高硬度淬硬模具鋼的過程中，火鳳凰涂層刀具具有很好的切削性能，具有更小的切削力和切削溫度，能夠得到更大的刀具壽命，刀具磨損過程平穩。
由于采用整體涂層銑刀銑削高硬度模具鋼大多是對模具進行精加工，故此必須保證良好的表面質量。而加工表面質量是衡量模具加工的重要指標，特別是目前大型模具加工所占比例不斷增長，在加工過程中不僅要求銑刀耐用度較好，而且更關鍵的是在刀具耐用度內所加工的工件表面質量能夠得到保障。故此在開發高性能涂層銑刀必須要考慮保證良好銑削表面質量。
所評測的火鳳凰涂層和TiAlN涂層銑刀在切削過程中表現出了一些共性，在穩定加工階段三類刀具所加工的表面粗糙度均能夠達到Ra0.4µm左右。此外已加工表面硬度在整個加工過程是一個先硬化后軟化的過程，加工前期表面硬度比原始工件表面硬度要高約30至50Hv，而加工后期則低約40 Hv左右，在刀具正常磨損階段表面硬度和工件原始硬度幾乎一致。故此這里需要提起注意的是，更長的刀具壽命才有利于保證更多穩定的切削表面，無疑，火鳳凰涂層銑刀更長的刀具壽命能夠得到更高質量的加工表面。
在表面質量的一個重要指標——已加工表面的殘余應力指標中，火鳳凰涂層銑刀則表現出了其優勢。圖10為殘余應力測量方向示意圖，X方向是刀具進給方向，Y方向是垂直于刀具進給方向的軸向。圖11和圖12分別為三類銑刀在正常磨損階段已加工表面X方向和Y方向殘余應力對比。從圖中可以看出，三類銑刀都向已加工表面施加了相反方向的應力。由于涂層后導致銑刀鈍化，故此涂層銑刀引入的應力普遍比無涂層要大。從保證被加工零件特別是模具工作穩定性以及延長零件壽命這方面考慮，絕大多數加工研究保證其壓應力的引入，故此銑刀作為精加工最后一道工序，對被加工零件的應力分布極為重要，這也是保證被加工零件質量的重要一環，而這個因素卻很少被制造者注意到。從圖中可以看出，上海工具廠有限公司所開發的火鳳凰涂層銑刀引入的應力遠遠小于TiAlN涂層銑刀。常規TiAlN涂層銑刀在加工過程中引入了極大的拉應力，這是被加工零件，特別是模具提前失效的主要原因之一。故此，在延長被加工零件壽命和提高被加工零件質量方面，火鳳凰涂層銑刀更勝一籌。
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