发布于 2016年03月02日
浅述用于干式钻削刀具涂层的性能研究。
金属切削液对于提高加工生产率居功至伟。冷却液可以降低切削温度、提供润滑作用和辅助排屑。然而，冷却液的成本、对废液处理造成的环境影响日益增加的关注，以及对切屑回收再利用的考虑，正促使许多加工车间将干式切削或最小量润滑(MQL)切削视为可能的替代加工方案。
干式切削的生存能力取决于几个要素。某些工件的特点可能会使干式切削显得不切实际：加工散热性差、会很快发生加工硬化或粘性较大的工件材料可能仍然需要使用冷却液。金属切削工艺本身的特性也起着至关重要的作用。例如，在铣削和车削加工中，切屑的形成不受阻碍，而在钻削加工中，刀具、切屑以及产生的切削热都深藏于工件内部，排屑和散热都很困难。
刀具制造商Guhring公司的国内销售经理Bob Hellinger认为，在某些车削加工中，采用干式切削可能会获益匪浅，因为大部分切削热可以通过切屑带走。但在钻削加工中，切削热更多地传入刀具之中，可能使工件材料熔焊到钻头上，并导致钻头失效。
Hellinger说，尽管干式钻削颇具挑战性，但该工艺和与其相近的最小量润滑(MQL)钻削在铝和铸铁材料的加工中正日益流行。“汽车制造业大量使用这些材料，并通过干式钻削和MQL钻削获得了减少使用冷却液的益处。”不过他补充道，在实施干式钻削时，刀具涂层必不可少。
据表面工程顾问、刀具行业资深专家Dennis T. Quinto博士介绍，干式钻削刀具涂层的一个主要发展方向是增加具有自润滑功能、相对较软的涂层。此类涂层通常包括碳化钨/碳(WC/C)涂层、类金刚石无定形碳(DLC)涂层或钼基材料涂层。
“软涂层”是一个相对的概念。传统的硬涂层(如TiCN或TiAlN涂层)其硬度大约为HV2000-3000，而自润滑涂层的硬度约为HV500-1200。Quinto博士说，较软的涂层通常涂覆在硬涂层的上面。“先在刀具基体上涂覆一种最优化的PVD涂层，然后在其上涂覆WC/C、DLC或钼基材料。”
涂覆在硬涂层之上的润滑涂层主要起到两个作用。第一，减小刀具切削刃的摩擦和减轻“磨合”现象。在切削开始后的最初几秒钟或几分钟，刀具通常会有一个磨损快速增大的阶段(即磨合阶段)，此后刀具磨损逐渐减小，进入较轻微的、循序渐进的正常磨损阶段。Quinto博士说，“在初始磨损阶段，软涂层可以减小切削力。然后，当软涂层被磨损殆尽后，就主要由下面的硬涂层发挥作用了。”
润滑涂层的第二个作用是加速排屑，这对于干式钻削非常关键。Quinto博士解释说，“当切屑形成后，必须将其迅速排出，以免发生切屑堵塞。”涂覆在钻头实际切削刃后面的排屑槽上、具有润滑作用的软涂层能促使切屑流更快地通过排屑槽排出孔外，因为在排屑槽部位不会发生严重的磨料磨损。
Guhring公司的Hellinger说，该公司大约在10年前开始与德国政府合作，开发在切削加工中减少使用冷却液的技术。“我们开发的第一种真正的干式切削刀具涂层由多层TiAlN和TiN涂层组成，其顶层采用了具有润滑功能的二硫化钼型涂层。”这种复合涂层采用PVD工艺涂覆。涂层顺序为：底部为多层的硬涂层(Guhring公司称其为Firex涂层)，先涂一层TiN涂层，其上再涂一层TiAlN涂层，然后交替涂覆这两种涂层。Hellinger解释说，“这些硬涂层可以起到抗磨损和耐热的作用，因为这种材料的开始氧化温度为800℃。”他认为，顶部的二硫化钼涂层(称为Moly-Glide涂层)很像用于不粘锅表面的特氟龙。尽管它并不具有硬涂层的耐磨功能，但“将其涂覆在任何涂层或基体的最上面时，就能防止其他材料与其发生粘附。从而可以消除积屑瘤，并使切屑顺畅流动，其作用就像润滑剂一样。”
关于涂层性能的比较，Hellinger列举了一个在铸铁材料上钻削孔径18mm、孔深50mm孔的加工实例。用一支TiAlN涂层钻头，以100sfm的切削速度、14.7ipm的进给率进行干式钻削，在必须重磨钻头之前，能够加工400个孔。而用Guhring公司相同直径、但采用Firex/MolyGlide多层涂层的钻头以相同的切削参数进行加工时，在重磨钻头前可以加工1200个孔。尽管Firex/MolyGlide涂层钻头的成本要比原来使用的TiAlN涂层钻头高出大约30%，但由于原来的钻头寿命较短而导致的重磨和停机成本却比替换钻头高3倍。
Guhring公司最近推出一种纳米多层牌号的Firex涂层，该涂层由大约80层纳米尺度的涂层组成，总厚度为1.5-5μm。Hellinger解释说，“每层涂层的厚度更薄，有助于防止裂纹扩散，避免裂纹向下延伸到基体材料而对刀具造成更大冲击。”
Quinto博士认为，PVD工艺用于涂覆这种多层涂层具有一定优势，因为它能提供一种“混合和匹配涂层的能力，你可以将多层涂层中每一层的厚度设计得非常薄，通常厚度可小至20-30nm。你可以随时调整涂层的成分和结构，你还可以通过设计增加涂层的韧性。”
涂层各层厚度的优化调整是刀具制造商住友电工硬质合金公司最近升级更新的一种类金刚石碳(DLC)涂层的关注焦点。该公司的助理工程经理Rich Maton介绍说，该涂层最初是一种单独使用的涂层(而不像现在这样涂覆在一种传统的硬涂层之上)，用于切削加工铝和其他有色金属材料。“当刀具切削加工铝件时，切屑持续不断地滑过刀片的刀面。铝极具磨蚀性，并会产生大量切削热。”DLC涂层能减小工件与刀具之间的摩擦系数。
这种改进后的新涂层采用了更多的层数，以增大涂层的最终厚度。以前的涂层总厚度为0.05-0.1μm，而改进更新后的涂层总厚度达到0.4-0.5μm。在刚开始尝试生产一种较厚的涂层时，遇到了涂层与刀具基体粘附性能不稳定的问题。Maton说，住友公司开发了能将很多较薄的DLC层重叠成较大的最终厚度，同时又能提高涂层与基体粘附性能的技术。这种改进后的涂层既具有润滑能力，同时又通过增大涂层厚度，提高了耐磨性能。
Maton指出，最初的DLC涂层是一种有光泽的金属蓝色，而现在新的DLC涂层则呈现出金色和绿色，这是因为涂层层数的变化改变了涂层表面的棱镜折射特性。
改进后的涂层也进一步提高了润滑性。Maton说，“我们有一种表面高度磨光、用于铝加工的未涂层硬质合金牌号H1，当我们在其上加涂了DLC涂层(DL1000牌号)后，刀具表面变得极其光滑，不仅切屑能很容易地从上面流过，而且刀具表面具有更好的润滑性和更小的摩擦系数。”另一个结果是提高了高磨蚀性加工中的刀具寿命，“不仅切屑不会粘结在硬质合金刀片上，而且刀片的耐磨性也进一步提高。”
干式钻削的关键是控制会降低刀具性能的切削热。与TiN涂层相比，TiAlN和AlTiN涂层具有更好的耐热性，因为铝在加工过程中会形成氧化铝薄膜，它可以起到热屏障的作用，并促使切削热传入切屑(而不是刀具)之中。最近，刀具制造商开发了包含铬元素和硅元素的新型涂层材料，以通过形成氧化铬和氧化硅，进一步增强涂层的热屏障作用。
涂层供应商欧瑞康巴尔查斯美国公司(Oerlikon Balzers USA Inc.)的销售部高级经理Thomas Schattauer介绍说，该公司的AlCr基Balinit Helica多层涂层特别适合干式钻削，因为该涂层在典型的钻削高温下具有高硬度，并能提供高达1100℃的抗氧化温度。此外，它还拥有低摩擦系数(与钢的干摩擦系数为0.25)，有助于排屑。
Schattauer指出，在干式钻削中，为确保通过切屑排除切削热，选用适当的进给率至关重要。如选用的进给率太小，切屑吸收的热量有限，会使大部分热量流入刀具中，从而加速其失效。许多加工车间认为，为了成功实施干式钻削，必须选用非常保守的切削参数。但实际上，为了使高效涂层发挥作用，就需要选取较大的切削参数。例如，与采用非涂层钻头相比，采用Balinit Helica涂层钻头进行干式钻削时，允许将进给率提高30%。
位于美国明尼苏达州的Rushford (Minn.) Hypersonic LLC公司推出了一种可以提高干式钻削生产率的涂层技术。该公司成立于2007年，主要从事极超音速等离子体颗粒沉积(HPPD)涂层工艺的商业化应用工作。该技术由明尼苏达大学机械工程系开发并拥有专利。这种涂层工艺集成了化学气相沉积(CVD)工艺与纳米颗粒等离子体沉积工艺的特点。当粒度为4-40nm的纳米颗粒涂层材料以超过8倍音速(2400m/sec以上)的运动速度撞击被涂表面时，就会因撞击而发生相变，使其渗入基体表面并与其牢固结合在一起，而不仅仅是简单地涂覆在基体表面。这种涂层的硬度范围为36-50GPa，断裂韧性约为6MPa。通过将气相硅和碳氢化合物前体注入ArNH2等离子体中，就可以制备出各种硅、碳和碳化硅涂层。
Rushford Hypersonic公司总裁兼首席执行官Daniel Fox表示，这种涂层由厚度约为1-10μm(取决于加工要求)的单层涂层构成。由于涂层成分与基体材料牢固地结合为一体，因此，“如果要想取下涂层材料，就必须连同基体的一部分一起取下来。”
最近，该公司委托Connaughty工业公司的加工分部进行了一系列切削试验，对直径为6.35mm、通过HPPD工艺进行了涂层的高速钢钻头与取自同一制造批次的未涂层钻头的切削性能进行了对比，试验加工材料为厚度12.7mm的304不锈钢板(未预钻中心孔定位)。在经过以转速370rpm、进给率1ipm、提钻周期2.54mm的切削参数钻削了40个孔的试钻阶段后，钻头以转速600rpm、进给率1.5ipm、提钻周期1.27mm的切削参数进行加工。全部试验都在不使用冷却液的情况下进行。
Connaughty工业公司的试验结果表明，HPPD涂层钻头在发生崩刃之前共钻削了1480个孔，而涂层看起来完好无损。继续用该钻头进行钻削，直至钻到第1547个孔时钻头因切削刃破裂而失效，此时HPPD涂层仍然保持完好。经测量，钻出的第一个孔的孔径尺寸为6.4262mm，而最后一个孔为6.3373mm。
表现最好的未涂层钻头一共钻削了233个孔。当其切削刃破损、过热和断裂时，很快就会失效。未涂层钻头钻出的第一个孔和最后一个孔的孔径尺寸为6.35mm。
Fox说，进行这些初期切削试验的目的是“对价格最便宜的钻头进行涂层，并考察可以期望其达到多长的使用寿命。”Rushford公司目前正开始对铣削用涂层进行试验。Fox补充说，HPPD涂层的应用并不仅仅局限于切削刀具，它也能用于模具、拉挤成型设备、轴承、凸轮、气缸壁和可植入人体的医疗器件等，以起到减轻磨损的作用。
干式钻削的任何潜在应用都必须考虑刀具系统、工件以及零件的特点和要求。同时也要考虑其他一些因素，例如，住友公司的Maton指出，决定是否采用干式钻削应考虑加工批量，“如果需要以尽可能快的速度加工大批量的孔，通常应使用冷却液;但如果加工批量不大，则可以采用干式钻削。选择加工方式时必须综合权衡。”不过，当加工车间在权衡了各种因素后，决定采用少用或不用冷却液的加工方式时，刀具制造商将为它们开发和提供能最大限度提高生产率的各种先进涂层。
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