刀具涂層對切削過程的影響

為什么航空航天工業所用材料比通常用于汽車工業的鑄鐵、鋼材等更難加工?金屬切除過程是工件材料由塑性變形到斷裂并形成切屑的過程。由材料學的標準拉伸試驗獲得的應力—應變圖，給出了材料在達到斷裂或強度極限時的塑性變形量，其相關數據可從標準的材料手冊中查到。各種鋼材根據其不同成分和熱處理狀態對應的可加工性分布位置。大體上可分為普通碳鋼、未淬硬的合金鋼和淬硬的合金鋼。硬度低、延伸率大的材料在加工時產生較大的塑性變形，形成長切屑;相反，硬度高、延伸率小的材料形成短切屑。

材料的單位斷裂能與斷裂應力和斷裂應變的乘積成正比，它是材料塑性變形消耗的能量，并在切屑形成過程中轉變為熱量，是切削區的第一個熱源。切削區的第二個熱源是切屑與前刀面摩擦產生的熱，材料的韌性越好，與前刀面的接觸長度越長，產生的摩擦熱也越多。

航空航天工業用的鈦合金、鎳基超級合金(Inconel等)由于具有很高的強度和韌性，切削時需要很大的塑性變形能，并與刀刃摩擦產生大量切削熱，而它們很低的導熱系數使熱量集中在切削區和刀/屑界面，對刀具壽命造成不利影響。因此，如何有效加工此類材料是 對切削加工的極大挑戰。

刀具涂層技術是針對切屑形成過程中產生很高的力和熱對刀具造成不利影響而開發的新技術，根據不同的應用領域，涂層刀具比未涂層刀具的壽命可提高2～10倍。

涂層的正確選擇應與工件材料、切屑變形特性和切削條件相匹配，早期開發的TiN和TiCN涂層仍然適用于在一般切削條件下加工碳鋼和合金鋼。但是，隨著切削速度的提高，就需要采用TiAlN涂層，因為這種涂層在高溫下具有很好的穩定性。

加工難切削的航空航天材料時，要求刀具有最佳的切削刃設計，包括與切削刃鋒利性相關的微觀幾何形狀。例如，切削刃的倒棱或鈍化，鈍化程度在切削刃全長上有的要求均勻一致，有的要求有所變化。典型的鈍化圓弧半徑為0.025mm，以降低刃口應力的集中程度，更好地保護PVD涂層。

為了更好地加工難加工材料，材料科學家已經開發了新的涂層牌號，包括添加Si到TiN中形成的TiSiN涂層，或在AlTiN涂層中增加Al含量，或用Cr代替Ti開發出AlCrN涂層，以及具有更高硬度、韌性和抗高溫氧化性能的納米結構涂層。與未涂層刀具相比，涂層刀具可以在其它條件相同的情況下采用更高的切削速度和獲得更長的刀具壽命。一些研究成果解釋了在不同切削條件下涂層的工作機理，開發了耐磨粒磨損、抑制微觀裂縫、降低摩擦系數、形成穩定的AlCr氧化膜和更好耐熱性等多樣化的涂層功能。