工具表面改性处理

刀具开发技术的改进导致越来越多高效率切削材料的应用。这种不断的技术开发使刀具的效率在20世纪中提高了约30倍。CVD薄涂层和PVD涂层对刀具表面性能有很大的改善作用,直到现在这种作用也远远没有穷尽。利用现代分析技术,可以清楚观察到刀具表面的微观结构,从而准确地认识其显著的优化作用。

以前,刀具的表面结构都是通过预定的工艺程序来实现的,如今可根据最优化的工具性能进行功能设计。

表面改性处理的目的是改善表面摩擦条件,从而有利于提高刀具寿命或加工效率,有利于提高刀具耐磨性,有利于降低摩擦热,减少磨损。最常用的表面改性处理方法为材料的表面涂层。通过高硬度金属的碳化物、氮化物和氧化物的复合化,可以调整单种化合物的性能,特别是在提高抗磨性、抗氧化磨损、扩散磨损和粘结磨损等的能力方面。当然,将其他材料引入表面(如通过注入法)也可以对材料的表面性能产生持久的影响。

切屑与工具之间的粘附机理除了机械性咬合,主要表现为摩擦。通过一种材料改性处理方法——在刀具表面沉积软涂层—一可以有效改善摩擦性能。

此外还可以进行表面形貌方面的改性处理,如通过抛光或有目的的打毛(为了形成润滑油槽)来实现。抛光是一种传统的、通过机械方式来降低摩擦的方法,特别适用于不加润滑剂到切削区的切削刀具,抛光在大多数情况下都是一种有效降低摩擦的方法。

周期性的表面结构可通过抛光加工形成。用平版印刷方法或激光也可获得某种形状的结构元素。与金属板材加工相比,目前这些方法在切削加工中还不常见。该方法的一个理论依据是,微观结构化可降低在切屑与工具之间的热传递,并减少刀具的热负荷。

PVD涂层的抛光

抛光工艺属于表面形貌的改性处理。对磨削的或涂层的表面有各种不同的抛光方法。除了用于大批量零件的特鲁瓦抛光法外,还有常用于刀具生产中的毛刷法和喷砂法。这些方法都不新颖,已在切削刀片生产中使用多年,如用于抛光CVD厚涂层的花椰菜状表面结构。抛光过的切削刀片在切削6分钟时间后显示出非常均匀的磨损。而未抛光的刀片显示出平行的微观裂缝,这会导致磨损带迅速变宽,并使刀具提前失效。

这些抛光方法现在也常常用于PVD涂层。如在一个PVD涂层的孔加工刀片表面上,可以看到在PVDARC方法中被称为“液滴”的结构。这些液滴的作用就象河床中的石头,阻碍着切屑的排除进程,这在孔加工中特别不利。如果能使切屑快速并少摩擦地排除,那么切屑和工具之间的接触时间减少,向刀具传递的热量也减少。不受阻碍的切屑排除使切削力更小,避免了切屑在钻头、铣刀槽中产生咬合和堵塞。抛光的质量取决于抛光方法的选择和工艺参数的调节。

抛光工序的好处是明显的,我们来看一个麻花钻头的例子。一台为终检而开发的测量仪器,可测定切屑槽中的摩擦力。摩擦力的降低与表面状况有关。抛光过的钻头槽摩擦系数只有未抛光的25%。处理过的钻头允许更高的切削用量和钻孔深度。此外,更稳定的切屑排除还延长了刀具的寿命。

表面宏观处理工艺

表面的抛光避免了可能对刀具性能产生不利影响的跑合效应。研究表明,整体硬质合金刀具在最初所作的10次钻孔时都是处于“跑合”状态,并且进给力几乎都只有一半。抛光过的刀具显示出非常好的如同没有“跑合”的性能。为了保证刀具的性能,这种表面处理在干式切削中是绝对必要的。但即使是在传统的湿式切削中,通过适当的表面抛光也可显著延长刀具寿命,使切削更加可靠。

磨削后的表面大多呈现一种具有典型磨削痕迹的周期性结构。如果立刻进行涂层,这种形状就会保留下来。但是,由于会对表面产生影响的工序如刃口倒圆(大多通过喷砂或刷拂进行)或涂层预处理都是必需的,因此必须进行磨削表面的改性处理。这些工序的正确进行可以产生有利的影响。沿切屑排出方向的横向磨削痕迹会对切屑的排出产生不利影响,应当将它平整,获得一种宏观上光滑的表面。这样预处理过的表面可以在涂层后再次进行抛光,这样更为简单和有效。

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