分析刀具的涂层技术

张士川

摘要：采用涂层技术可有效提高刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高加工效率。本文主要探讨了基于低合金钢刀具的涂层技术。

关键词：刀具;涂层技术

引言：

合金钢是常用的家用刀具材料。合金钢的特殊优点使其不可能被其他更硬、更耐磨的材料取代，如：HSS、碳化物或钨铬钴合金。这项研究的目的是为了提高由复合涂层（双涂层）覆盖的合金钢制成的刀具边缘的耐磨性。该方法以低温离子渗氮为基础，通过在预渗氮刀具表面沉积硬质薄膜来强化改性效果。研究结果表明，在预氮化表面沉积Cr-XN薄膜，可以提高刀具的耐磨性。

1.刀具的涂层技术

由于合金钢的优点（价格相对较低，抗冲击）和所需的刀具形状（长度： 60～200mm，刀包角：30-40度），不可能用其他更硬、更耐磨的材料（如：HSS、碳化物或钢）代替这种钢。提高刀具耐磨性的现代技术是在刀具表面涂覆TiN、CrN、CN等硬质涂层，这种方法在金属切削中得到了成功的应用，但由于木材的特殊摩擦学性能，在木材和木材材料的加工中尚未得到应用。这些性能要求涂层与核心材料之间有很高的附着力。当考虑离子氮化表面改性时，我们没有处理两种不同的材料，一种在另一种之上，但我们有相同的材料具有层间区。在这一层中引入氮离子，并从表面产生硬度梯度分布。CrN在氮化表面沉积时具有较好的附着力。与氮化表面相比，CrN涂层更硬、更耐高温。本研究的目的是提高合金钢复合涂层刀具边缘的耐磨性，该方法是基于低温离子渗氮的方法，通过在已有的氮化刀具表面沉积硬质膜来增强改性效果。[1]

2.道具涂层实验

2.1载荷作用下刀具的应力分布

通过有限元数值模拟，建立了结构应力场的分布规律。刀具在载荷作用下的切削特性。对二维有限元模型进行了分析。模型在切削刃处加载，载荷为FX=20（N）和FY=18（N）。

2.2切削过程

实验是用微型车床进行的。用一种方法进行了磨损试验。该方法由中密度纤维板（MDF）组成，由磨料和相对均一的木材衍生材料代替湿式木材制成。此外，还有一些矿物。中密度纤维板所包含的部件能够检查改性表面的抗冲击能力。在实验中使用的刀具在边缘被诱导硬化。测试刀的形状具有典型的工业应用价值，刀刃的楔形角为20度，切削过程中的切削工艺参数得到了优化和保持不变。因为在第一米切削时，刀处于一个稳定的位置，当间隙和前刀面的力相等時，切削速度为0.5ms-i，以避免刀刃受热。切削厚度为300，以保证切削过程（切屑的产生），减少材料在刀面上的磨料作用。在切割过程中测量的力单位是切削宽度的10毫米。用垂直于基线间隙面的光学显微镜测量了切削刃的磨损情况。基线通过没有参与切割过程的边缘部分。[2]

2.3Lon渗氮与CrxN涂层沉积

离子渗氮的优化包括选择合适的温度与氮化时间的关系。这一过程是在波兰华沙科技大学建造的半技术仪器中完成的.氮化工艺参数为：氮化nr 1：温度350摄氏度，时间3 h，氮化2小时：温度300摄氏度，时间3 h，选择了CrxN硬膜，在初步实验中获得了最佳的结果，采用磁控溅射法制备了CrxN薄膜。改进参数为：气体混合物-Ar+N，工作压力0.02Pa，温度—200摄氏度，靶功率-650 W，膜厚-1μm，对LAS进行了早期研究。[3]

3.结果和讨论

3.1有限元计算应力场

从有限元分析中得到的应力场。应力分量（作用于刀模型的水平轴）。力值都是以兆帕为单位给出的。可以看出，最大的应力发展在刀刃附近，无论如何，最大值都是在离刀刃一定距离处观察到的。还应注意的是，所获得的数值与刀具材料的屈服应力或杨氏模量值相比很低，不能造成刀具的损坏，但要记住，这些应力是根据实际操作条件下的静态特性计算出来的，在实际操作条件下，这些应力是动态的。[4]

3.2复合涂层的磨损试验

修整刀刃折减值随切削路径变化的磨损试验结果。在氮化过程中，温度为300℃，氮化时间为3h时，渗氮效果最好。对双相涂层刀具与纯氮化刀具的边缘缩小进行了比较，结果表明，硬CrxN膜提高了刀具的耐磨性，与氮化处理的结果相当。这意味着薄膜起着添加剂的作用。本研究的最佳结果是用Cr?N膜对氮化nr2刀进行了改性，取得了较好的效果。经过800 m的切割路径，其边缘磨损约为90μm。在获得这一边缘缩小值之前，未经修改的刀切约300米的板.因此，刀具的使用寿命提高了2.5倍以上。刀具氮化的另一个优点是其硬度在整个涡流中的均匀化。特别是，在边缘感应硬化是不均匀硬，结果也是不均匀的耐磨性。给出了诱导硬化叶片渗氮前后的显微硬度分布.修改和未修改刀的刀刃相对于修整路径的减少。当这些值相对较高时，这意味着边缘有很大的磨损坑。这类刀的磨损是由中密度纤维板中的矿物元素引起的。

结束语：

Cr-XN硬质薄膜对氮化刀具的耐磨性有额外的改善作用。在快速磨损试验中，刀具的使用寿命提高了2.5倍以上。对刀片边缘的修改也提高了它们对切割过程中动态力引起的冲击的抵抗力。

参考文献

[1]王佳.基于专利分析的我国刀具涂层技术发展现状与对策研究[J].情报探索，2015，（12）：26-31.

[2]张龙，孟稳.涂层硬质合金刀具磨损对零件表面粗糙度的影响试验分析[J].现代制造技术与装备，2020，（5）：123-124.

[3]余宗宁，周利平，江凡， 等.基于仿真与试验分析的高硅铝合金涂层刀具铣削性能研究[J].工具技术，2018，52（8）：26-29.

[4]余宗宁，周利平，刘小莹， 等.金刚石涂层铣刀铣削高硅铝合金CE11的刀具磨损分析[J].工具技术，2019，53（3）：33-37.

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