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[防腐蚀表面处理工艺] PVD涂层在干式加工中的应用

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发表于 2015-11-10 20:35:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
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PVD涂层在干式加工中的应用

PVD涂层在干式加工中的应用

        新型刀具材料(基体)的发展,表面工程和涂层技术的进步,以及切削刀具的结构优化,在干式切削领域成为越来越受关注的内容,其中,涂层技术在其中的作用越来越明显地显现出来。
        在现代机械加工工艺的发展中,对产品的质量、时间、成本、生产率以及生产灵活性的要求越来越高。在高速干式切削中,需要解决的主要问题是,在高温下如何提高刀具的抗氧化性能,提高热硬度。而涂层作为刀具基体的屏障,必须要解决这个问题。
        加工过程中的热量有两个基本来源:机械能转化和工件材料的断裂;在刀具与铁屑接触区域的铁屑形成与摩擦期间产生的热量。第一项是由材料的强度和延展性决定的,而第二项取决于接触表面。刀具涂层可以大大减少摩擦力,热量流向也受到涂层的导热系数的影响,有些更是绝缘涂层,因此可以更好地保护工具不被热损伤,从而延长刀具寿命。外部冷却剂对延长刀具寿命也有所帮助,但往往不能到达铁屑与刀具的接触面,以提供足够的润滑和冷却。
       

PVD涂层在干式加工中的应用

PVD涂层在干式加工中的应用

        涂层改变热产生和热传递
        涂层都是有导热性的,导热性越强,传递热量的能力越强,导热性越差,意味着传递热量的能力越差。从图1可以看到,不同的涂层导热性是不一样的,TiN涂层的导热性是最好的,那么在实际加工过程中,切削产生的热量很容易传递到刀具基体,达到一定的温度,刀具的红硬性下降,就很容易失效。AlCrN涂层的导热性是最差的,意味着它阻碍热量传递的能力是最强的,在实际加工中,切削产生的大部分热量随着铁屑排走,少部分的热量传递到刀具基体。
        不同的涂层与基体的摩擦系数也是不同的,摩擦系数越小,加工时产生的热量也越少;反之,产生的热量就越多。
       

PVD涂层在干式加工中的应用

PVD涂层在干式加工中的应用

        从图2可以形象地看到,在加工过程中产生的热量可以通过TiN涂层大量地传递到刀具基体,少部分随着铁屑排走;少部分的热量透过TiAlN涂层传递到刀具基体,大部分的热量随着铁屑被排走。
        目前,欧瑞康巴尔查斯涂层在干式切削中推荐的几款涂层主要是最新一代以AlCr为基材的不含钛涂层,具有很好的抗氧化性能和热硬度。从图3可以看到,TiCN涂层在600~700℃很快就被氧化了,TiAlN涂层和AlTiN涂层在超过900℃的时候,很快被氧化了,而AlCr为基材的涂层,在1100℃时候,才有很少一部分被氧化,具有极佳的抗氧化性能。
       

PVD涂层在干式加工中的应用

PVD涂层在干式加工中的应用

        从图4可以看到,TiCN在600~700℃的时候,硬度急剧下降,无法再有效地保护刀具,TiAlN涂层和AlTiN涂层在超过900℃的时候,硬度急剧下降,而AlCr为基础的涂层,在1100℃时候,硬度还能达到2400HV,意味着此时涂层还能有效地保护刀具基体。
        当我们解决了刀具涂层在高温下的抗氧化性能和热硬度,再结合合适的刀具基体、几何角度以及完美的表面质量,那么,干式切削也就能够实现了。
        Balinit AlCrona Pro涂层
        欧瑞康巴尔查斯涂层根据不同的应用场合,开发设计了几款适合于干式切削的涂层,其中Balinit AlCrona Pro涂层适合高速加工常规材料(钢件、铸铁等)的铣削和滚削,涂层材料是AlCrN(氮铬化铝),微硬度达到3200HV,最高的应用温度为1100℃,在齿轮滚削的应用案例中,采用Balinit Alcrona Pro涂层的滚刀在干式加工的情况下要比Futura NANO涂层滚刀的加工工件数量增加66%。图5是硬质合金铣刀加工的案例。
       

PVD涂层在干式加工中的应用

PVD涂层在干式加工中的应用

        Balinit Helica涂层
        Balinit Helica涂层主要是针对钻孔加工而设计的一款涂层,无论是在钢材还是铸铁上,无论是湿加工或者干加工甚至使用微量润滑加工(MQL),新颖的多层Balinit Helica涂层都能大大提升生产力和可靠性。Balinit Helica涂层材料以铝铬为基础,微硬度为3000HV,与钢材的干摩擦系数是0.25,它具有以下优点:更长的工具寿命、更高的切削速度和进给量、极佳的排屑能力、大大增加重磨次数并能提高钻孔质量等。
        图6是直径为6.8mm硬质合金钻头加工45钢的案例,线速度Vc=120m/min,进给量f=0.2mm/r,加工孔深为34mm,外部冷却。采用Balinit Helica涂层的钻头磨损量VB为0.12mm,钻孔数为3200个,而TiAlN涂层的钻头磨损量达到VB为0.26mm,钻孔数为2600个。寿命大大延长,磨损量明显减少,使钻头的重磨次数大大增加。
        在直径6.8mm的硬质合金麻花钻加工铸铁的案例中,孔深为30mm,内冷却,采用Balinit Helica涂层的钻头使用寿命超过竞争对手TiAlN涂层钻头的5倍。
       

PVD涂层在干式加工中的应用

PVD涂层在干式加工中的应用

        BALINIT ALDURA高效涂层
        在切削硬度大于60HRC的钢材时,铣削工具承受极大的压力,在极大的热量和机械负荷的环境,特别是在切削刃上,这种压力会更大。钛合金和镍合金是航空航天领域极其重要的材料,加工这些材料的工具承受的不仅仅是高热量还有巨大的机械负荷,这些材料的低导热性是它们在被加工过程中产生高温的原因之一,在切削工程中产生的热量无法快速通过切削屑排出。
        欧瑞康巴尔查斯为解决这些问题特别推出了BALINIT ALDURA高效涂层,它创新的双重结构涂层结合并提高了各层系统的强度。完美的TiAlN基础涂层保证了卓越的结合力并提高了巨大的机械强度,纳米晶体结构的铬铝基涂层具有优越的红硬性、抗氧化性和隔热性。这个结合开启了通往硬加工和难加工材料加工性能新领域的大门。涂层独特的特质确保了切削过程中产生的高温不会传导至工具。并且,BALINIT ALDURA 涂层过的铣削刀具具有以下特性:极强的抗磨损能力、极大的机械承载能力和卓越的切削刃强度,还减少了切削阻力。
        图7是3个不同的刀具制造企业直径10mm的球头铣刀,分别采用他们自己的涂层和采用BALINIT ALDURA涂层,加工D2模具钢的案例,采用BALINIT ALDURA涂层的刀具,寿命要远远超过采用他们自涂层的刀具。
        在直径为6mm的球头铣刀加工钛合金案例中,BALINIT ALDURA涂层的刀具寿命更长。
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