1 引言

　　數(shù)控切削加工在制造業(yè)中占有重要地位，它在為人類社會(huì)創(chuàng)造財(cái)富的同時(shí)，也在大量消耗有限的自然資源。為滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對(duì)高效率、高精度、高可靠性的要求，采用涂層技術(shù)可有效提高切削數(shù)控刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率。因此，涂層技術(shù)與材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)代CNC數(shù)控機(jī)床的高精度、高速、大切削量加工刀具；干切削；高效率加工、大批量生產(chǎn)等場(chǎng)合。高性能涂層在鉆孔刀、銑刀和齒輪滾刀上都有很好的表現(xiàn)。針對(duì)鉆孔刀而開發(fā)的復(fù)合涂層在原有涂層的基礎(chǔ)上加DLC涂層，從而得到極為光滑的表面，降低摩擦系數(shù)，從根本上解決深孔加工中的排屑問題而導(dǎo)致的孔徑尺寸超差現(xiàn)象的發(fā)生，從而極大地提高數(shù)控刀具的性能，下面我們針對(duì)刀具的涂層材料，談?wù)勌岣邤?shù)控刀具加工性能的方法。

2 數(shù)控刀具表面處理的必要性

　　對(duì)數(shù)控刀具表面進(jìn)行處理的主要目的在于提高工具表面硬度、耐磨性和耐蝕性等，從而提高產(chǎn)品性能及使用壽命。各種先進(jìn)涂層技術(shù)的廣泛開發(fā)和應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)開辟了多種途徑，在機(jī)加工領(lǐng)域CVD涂層和PVD涂層可以大幅度提高數(shù)控刀具的加工性能，并且能夠使得某些具有高度復(fù)雜幾何形狀的齒輪生產(chǎn)變得可靠而又經(jīng)濟(jì)。不同的刀具涂層影響著刀具的壽命。比如：在加工球墨鑄鐵QT40的過程中，我們采用具有六角刀片的面銑刀粗銑加工平面，進(jìn)行干式切削，加工參數(shù)為：Vc=250mm/min，F(xiàn)：0．3mm，Z=5(CVD涂層)，Z=3(采用Alox SN2涂層)。經(jīng)過CVD涂層處理的刀具加工壽命為48min，而使用Alox SN2涂層的刀具加工壽命為70min，總體刀具使用壽命增加45％，如圖1所示。

　　不同的涂層影響著數(shù)控刀具的磨損。針對(duì)難加工材料，HYERLOX超氮涂層無論是在滾齒和插齒當(dāng)中均表現(xiàn)出良好的耐沖擊性。HYPERLOX涂層與刀具完美配合，保證了數(shù)控刀具的壽命及再利用性，加工效率得到成倍增加。如圖2所示，HYPERLOX涂層在滾齒加工中的應(yīng)用情況與其他涂層應(yīng)用的對(duì)比。在加工模數(shù)為2.25的三檔輸出齒輪時(shí)，我們采用滾齒加工，刀具材質(zhì)為粉末冶金、高速鋼(20CrMnTi)，切削速度為170re/rain，進(jìn)給速度為3.6mm/r。主要失效形式為刀具磨損，采用其他涂層后，滾刀在加工到1500件產(chǎn)品時(shí)前刀面出現(xiàn)月牙洼，而采用HYERLOX超氮涂層可加工零件2100件，且前刀面磨損較小。

　　涂層技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、光學(xué)、航空航天、化工、輕紡及食品工業(yè)等各個(gè)部門。運(yùn)用高科技手段不僅能沉積各類金屬和合金，還能沉積多種化合物，不僅能在金屬基體上沉積，而且在陶瓷、金剛石、玻璃甚至塑料等非金屬上沉積?？梢院敛豢鋸埖刂v，涂層技術(shù)已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，其作用和效能有目共睹，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外機(jī)床工具博覽會(huì)上，人們都會(huì)看到品種繁多、方法各異的涂層工具，應(yīng)用實(shí)例舉不勝舉。

3 涂層的種類、特點(diǎn)

　　(1)CVD涂層的特點(diǎn)

　　在CVD涂層方面，包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al_２0_３等各種化合物的多層復(fù)合涂層對(duì)改善涂層的綜合性能，如結(jié)合強(qiáng)度、韌性、耐磨性和抗磨性及耐腐蝕性具有良好的效果?，F(xiàn)在典型的VCDTiN(外層)+A1_２0_３，(中層)+TiCN(內(nèi)層)多層式結(jié)構(gòu)正在從涂層工藝上和涂膜的厚度上得到進(jìn)一步改善。MTCVD(中溫化學(xué)涂層)因有較低的工藝溫度和較快的沉積速率使得涂層與基體分界面上的脆性q相最小化，同時(shí)減少了在高溫CVD涂層中常見的由高溫導(dǎo)致的拉伸裂紋，因此，MTCVD TiCN涂層已成為CVD多層涂層中的一個(gè)主要構(gòu)成，這種MTVCD已用于α—A1_２0_３涂層，如ISCAR的α—IC9150、α—IC9250、α—IC9350和α—IC4100等，提升了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和抗后面磨損、前面磨損和抗粘附的能力。

　　盡管CVD涂層具有很好的耐磨性，但CVD工藝亦有其先天缺陷：一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度下降；二是薄膜內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài)，易導(dǎo)致刀具使用時(shí)產(chǎn)生微裂紋；三是CVD工藝排放的廢氣、廢液會(huì)造成較大環(huán)境污染，與目前大力提倡的綠色制造觀念相抵觸，因此自九十年代中期以來，高溫CVD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到一定制約。

　　(2)PVD涂層的特點(diǎn)

　　PVD技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末，由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下，因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。由于采用PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能，所以該技術(shù)自八十年代以來得到了迅速推廣，至八十年代末，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高速鋼復(fù)雜刀具的PVD涂層比例已超過60％。

　　在PVD涂層方面。也從單一的TiN或TiCN或TiAlN涂層發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)合涂層即硬涂層+軟涂層。為適應(yīng)更高切削速度和干式切削的要求，涂層刀具的紅硬性成為近幾年P(guān)VD技術(shù)的開發(fā)熱點(diǎn)。TiAIN的改進(jìn)涂層AITiN提高了薄膜中Al的含量(Al含量大于50％)，提升了涂層的紅硬性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化的性能，如ISCAR的AI—IC910(加工鑄鐵和鋼)、AI—IC900、AI—IC930(加工鋼、不銹鋼、硬鋼、鑄鐵、高溫合金等)。

　　PVD技術(shù)在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用引起了世界各國(guó)制造業(yè)的高度重視，人們?cè)诟?jìng)相開發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時(shí)，也對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展尤其是在硬質(zhì)合金、陶瓷類刀具中的應(yīng)用進(jìn)行了更加深入的研究。研究結(jié)果表明：與CVD工藝相比，PVD工藝處理溫度低，在600℃以下時(shí)對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度無影響(試驗(yàn)結(jié)果見表1)：薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，更適于對(duì)硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層；PVD工藝對(duì)環(huán)境無不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。隨著高速切削加工時(shí)代的到來，高速鋼刀具應(yīng)用比例逐漸下降、硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具應(yīng)用比例上升已成必然趨勢(shì)，因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自九十年代初就開始致力于硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)的研究，至九十年代中期取得了突破性進(jìn)展，PVD涂層技術(shù)已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

　　盡管PVD有CVD難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，也可以進(jìn)行a—A120、以外的多種硬質(zhì)涂層，但事實(shí)標(biāo)明：CVD車、銑刀具還是優(yōu)于PVD。今后兩種涂層在切削刀具涂層中將長(zhǎng)期共存和相互補(bǔ)充，并因各自優(yōu)點(diǎn)而在涂層產(chǎn)品中占據(jù)屬于自己的份額。兩種技術(shù)也可以相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，如目前應(yīng)用的PCVD涂層技術(shù)就是例證。

4 結(jié)論

　　現(xiàn)代數(shù)控刀具涂層發(fā)展的一個(gè)重要特征就是復(fù)合化，為了提高其綜合性能，涂層材料復(fù)合、涂層層復(fù)合以及CVD與PVD復(fù)合，如ISCAR的DT7150(K05一K25)通過MTCVDAI_２O_３，和PVD TiAIN復(fù)合涂層，提高了材質(zhì)的綜合性能，用于高速加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵。而多樣化是刀具涂層發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)，有各種氮化物、氧化物涂層材料，還有TiB、SN涂層、金剛石涂層、立方氮化硼涂層等等。多樣化的深層次原因是專業(yè)化，即針對(duì)不同的需求采用不同的涂層，并能對(duì)涂層的組分、百分比、結(jié)構(gòu)及厚度在更大范圍內(nèi)加以控制和改變，以適應(yīng)不同的被加工材料和不同的切削條件，從而顯著地提高刀具的切削性能。如CrAIN涂層，以Cr元素替代Ti元素，具有3200HV硬度和1100℃的氧化溫度，與TiAIN相比韌性更好，更適合斷續(xù)切削和難加工材料的加工；以Si元素代替A1元素的涂層可獲得用于硬切削的TiSiN，也可獲得有潤(rùn)滑性的CrSiN，更適合用于鋁、不銹鋼等粘附性強(qiáng)的材料加工。此外，涂層材料的細(xì)微化是現(xiàn)代刀具涂層發(fā)展的另一個(gè)令人關(guān)注的趨勢(shì)，納米復(fù)合涂層正在越來越多的地方得到應(yīng)用。在未來。刀具涂層將是一個(gè)系統(tǒng)的概念，即刀具涂層必須根據(jù)不斷變化的現(xiàn)代切削應(yīng)用條件來進(jìn)行系統(tǒng)的組合，這是一種與傳統(tǒng)觀念中的“在刀具上涂覆一層薄膜”截然不同且復(fù)雜得多的系統(tǒng)工程方法，這需要我們進(jìn)行系統(tǒng)思考。