干式钻削刀具涂层介绍

 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BobHellinger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DennisT.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RichMaton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。