涂层刀具在机械加工中的应用实例

林成虎，任靖日＊，周俊宏

（1.延边大学工学院 机械工程系，吉林 延吉133002；2.一汽丰田（长春）发动机有限公司，吉林 长春130000）

涂层刀具在机械加工中的应用实例

林成虎1，任靖日1＊，周俊宏2

（1.延边大学工学院 机械工程系，吉林 延吉133002；2.一汽丰田（长春）发动机有限公司，吉林 长春130000）

在曲轴和连杆加工中采用涂层与未涂层刀具进行对比试验，并通过光学显微镜对每种刀具的寿命和磨耗进行了观察和分析.结果表明，涂层刀具较未涂层刀具相比，刀具磨耗更小，刀具寿命更长，并且可提高加工效率和加工件的精度.

涂层刀具；曲柄；连杆；磨耗；刀具寿命

0 引言

涂层刀具是在高速钢和硬质合金（少数在陶瓷和超硬材料）上利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而获得的［1］，它具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、摩擦因数小和热导率低等特性［2］.由于一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具品种的库存量，简化刀具管理，降低刀具设备成本，提高加工效率［3］.目前，发达国家制造工业中涂层刀具的应用率已超过80%，特别是在CNC机床所用切削刀具中，涂层刀具的应用率已超过90%；但在国内由于人们缺少对涂层刀具的足够认识，以及受价格等因素的影响，使得涂层刀具在我国的制造工业中未能得到广泛应用（仅占20%）［4－5］，仍以硬质合金、高速钢、金属陶瓷以及立方氮化硼等一些无涂层刀具为主［6］.本文以曲轴前端螺纹孔攻丝和半精镗发动机连杆大端孔加工为例，对涂层与未涂层刀具磨耗和刀具寿命进行观察分析，为涂层刀具在我国机械加工中的应用和推广提供参考.

1 曲轴前端螺纹孔攻丝实验

1.1 实验方法

使用小型加工中心做曲轴前端螺纹孔攻丝实验.工件材质为锻钢，硬度为240 Hv，原丝锥寿命设定300件.分别使用10支涂层高速钢丝锥（涂层为TIN涂层）和10支未涂层高速钢丝锥进行试验，每支丝锥可使用4回，并以光学显微镜进行观测.

1.2 结果与分析

图1和图2分别为涂层高速钢丝锥与未涂层高速钢丝锥使用300件后的磨耗示意图（所加工工件经检测全部合格）.图1显示，丝锥的TIN涂层开始出现剥落的迹象，而高速钢基体牙型仍完整.图2显示，丝锥前刀面已经出现磨损点，边缘处已经磨圆，丝锥磨耗较大，牙型已不完整，需要重新研磨.图3为涂层高速钢丝锥用500件后的磨耗示意图.图3显示，丝锥的TIN涂层出现部分剥落，但高速钢基体牙型较完整，齿阔仍为圆形，仍可继续使用.

图1 涂层高速钢丝锥加工300件后的磨耗示意图

图2 未涂层高速钢丝锥加工300件后的磨耗示意图

图3 涂层高速钢丝锥加工500件后的磨耗示意图

2 半精镗发动机连杆大端孔实验

2.1 实验方法

使用专用NC镗床（非标）做半精镗发动机连杆大端孔实验.工件材质为粉末冶金，硬度为320 Hv，n＝1 057 r／min，原刀具寿命设定为100件.分别使用10片涂层金属陶瓷刀具（涂层为TIN涂层）和10片未涂层金属陶瓷刀具进行试验，每片可使用8回，并以光学显微镜进行观测.

2.2 结果与分析

图4和图5分别为涂层金属陶瓷刀具和未涂层金属陶瓷刀具加工100件后的磨耗示意图（刀具所加工工件经检测全部合格）.图4显示，涂层金属陶瓷刀具的1个角的磨耗很低，可以忽略不计，另外3个角的磨耗分别为0.055、0.093 mm和0.087 mm.在实际生产中此类刀具的最终使用磨耗一般控制在0.2 mm左右，所以此刀具还存在较大的提寿空间.图5显示，未涂层金属陶瓷刀具的4个角的磨耗分别为0.154、0.200、0.161 mm 和0.276 mm，说明刀具磨耗较大（有2个角的磨耗已超出0.2 mm），已不具备提寿条件.图6为涂层金属陶瓷刀具加工150件后的磨耗示意图（刀具所加工工件经检测全部合格）.图6显示，当涂层金属陶瓷刀具加工到150件时，刀具4个角的磨耗分别为0.171、0.167、0.127 mm和0.143 mm.刀具的磨耗仍在0.2 mm以内，表明刀具还有提寿空间.

图4 涂层金属陶瓷刀具加工100件后的磨耗示意图

图5 未涂层金属陶瓷刀具加工100件后的磨耗示意图

图6 涂层金属陶瓷刀具加工150件后的磨耗示意图

3 结论

本文研究表明，涂层刀具寿命是未涂层刀具寿命的1.5～1.7倍，且由于涂层刀具磨耗小，所以被加工工件可获得较高的表面加工精度和工件尺寸的稳定性.同时，由于涂层刀具使用寿命提升，可提高生产效率和生产的稳定性.因此，应积极在我国的机械加工中推广和使用涂层刀具，以促进我国机械制造业的发展.

［1］戈广岭.刀具涂层技术在普通机床加工中的应用［J］.工具技术，2008，42（4）：83－84.

［2］付德君，杨慧娟，吴大维，等.刀具涂层技术的新进展［J］.航空制造技术，2009（13）：80－83.

［3］刘建华，邓建新，张庆余.TiALN涂层刀具的发展与应用［J］.工具技术，2006，40（4）：9－13.

［4］雒有成.刀具涂层技术及其发展［J］.硬质合金，2007，24（4）：252－257.

［5］李洪林，李波，胡恒宁，等.刀具涂层技术的最新发展状况［J］.工具技术，2010，44（4）：3－6.

［6］和文云.涂层刀具推进切削加工发展［J］.企业技术开发，2010，29（3）：107－123.

The application of coated tools in machining

LIN Cheng－hu1，REN Jing－ri1＊，ZHOU Jun－hong2
（1.DepartmentofMechanicalEngineering，YanbianUniversity，Yanji133002，China；2.FawToyota（Changchun）EngineCo.Ltd.，Changchun130000，China）

Coated tools and non－coated tools are used in producting crankshaft and connecting link.The tool life and tool detrition of both tools are examined by OM.The results sho wthat comparing with non－coated tools，coated tools have not only less defacement and detrition but also higher tool life，while improving the machining efficiency and machining accuracy.The results can give the reference to choose and apply rational tools for the machinery manufacting.

coated tool；crankshaft；connecting link；detrition；tool life

TG711

A

1004－4353（2012）01－0092－03

2012－02－22

＊通信作者：任靖日（1960—），男，博士，教授，研究方向为材料摩擦学特性.