分析刀具的涂層技術(shù)

張士川

摘要：采用涂層技術(shù)可有效提高刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高加工效率。本文主要探討了基于低合金鋼刀具的涂層技術(shù)。

關(guān)鍵詞：刀具;涂層技術(shù)

引言：

合金鋼是常用的家用刀具材料。合金鋼的特殊優(yōu)點(diǎn)使其不可能被其他更硬、更耐磨的材料取代，如：HSS、碳化物或鎢鉻鈷合金。這項(xiàng)研究的目的是為了提高由復(fù)合涂層（雙涂層）覆蓋的合金鋼制成的刀具邊緣的耐磨性。該方法以低溫離子滲氮為基礎(chǔ)，通過在預(yù)滲氮刀具表面沉積硬質(zhì)薄膜來強(qiáng)化改性效果。研究結(jié)果表明，在預(yù)氮化表面沉積Cr-XN薄膜，可以提高刀具的耐磨性。

1.刀具的涂層技術(shù)

由于合金鋼的優(yōu)點(diǎn)（價格相對較低，抗沖擊）和所需的刀具形狀（長度： 60～200mm，刀包角：30-40度），不可能用其他更硬、更耐磨的材料（如：HSS、碳化物或鋼）代替這種鋼。提高刀具耐磨性的現(xiàn)代技術(shù)是在刀具表面涂覆TiN、CrN、CN等硬質(zhì)涂層，這種方法在金屬切削中得到了成功的應(yīng)用，但由于木材的特殊摩擦學(xué)性能，在木材和木材材料的加工中尚未得到應(yīng)用。這些性能要求涂層與核心材料之間有很高的附著力。當(dāng)考慮離子氮化表面改性時，我們沒有處理兩種不同的材料，一種在另一種之上，但我們有相同的材料具有層間區(qū)。在這一層中引入氮離子，并從表面產(chǎn)生硬度梯度分布。CrN在氮化表面沉積時具有較好的附著力。與氮化表面相比，CrN涂層更硬、更耐高溫。本研究的目的是提高合金鋼復(fù)合涂層刀具邊緣的耐磨性，該方法是基于低溫離子滲氮的方法，通過在已有的氮化刀具表面沉積硬質(zhì)膜來增強(qiáng)改性效果。[1]

2.道具涂層實(shí)驗(yàn)

2.1載荷作用下刀具的應(yīng)力分布

通過有限元數(shù)值模擬，建立了結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的分布規(guī)律。刀具在載荷作用下的切削特性。對二維有限元模型進(jìn)行了分析。模型在切削刃處加載，載荷為FX=20（N）和FY=18（N）。

2.2切削過程

實(shí)驗(yàn)是用微型車床進(jìn)行的。用一種方法進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。該方法由中密度纖維板（MDF）組成，由磨料和相對均一的木材衍生材料代替濕式木材制成。此外，還有一些礦物。中密度纖維板所包含的部件能夠檢查改性表面的抗沖擊能力。在實(shí)驗(yàn)中使用的刀具在邊緣被誘導(dǎo)硬化。測試刀的形狀具有典型的工業(yè)應(yīng)用價值，刀刃的楔形角為20度，切削過程中的切削工藝參數(shù)得到了優(yōu)化和保持不變。因?yàn)樵诘谝幻浊邢鲿r，刀處于一個穩(wěn)定的位置，當(dāng)間隙和前刀面的力相等時，切削速度為0.5ms-i，以避免刀刃受熱。切削厚度為300，以保證切削過程（切屑的產(chǎn)生），減少材料在刀面上的磨料作用。在切割過程中測量的力單位是切削寬度的10毫米。用垂直于基線間隙面的光學(xué)顯微鏡測量了切削刃的磨損情況。基線通過沒有參與切割過程的邊緣部分。[2]

2.3Lon滲氮與CrxN涂層沉積

離子滲氮的優(yōu)化包括選擇合適的溫度與氮化時間的關(guān)系。這一過程是在波蘭華沙科技大學(xué)建造的半技術(shù)儀器中完成的.氮化工藝參數(shù)為：氮化nr 1：溫度350攝氏度，時間3 h，氮化2小時：溫度300攝氏度，時間3 h，選擇了CrxN硬膜，在初步實(shí)驗(yàn)中獲得了最佳的結(jié)果，采用磁控濺射法制備了CrxN薄膜。改進(jìn)參數(shù)為：氣體混合物-Ar+N，工作壓力0.02Pa，溫度—200攝氏度，靶功率-650 W，膜厚-1μm，對LAS進(jìn)行了早期研究。[3]

3.結(jié)果和討論

3.1有限元計(jì)算應(yīng)力場

從有限元分析中得到的應(yīng)力場。應(yīng)力分量（作用于刀模型的水平軸）。力值都是以兆帕為單位給出的。可以看出，最大的應(yīng)力發(fā)展在刀刃附近，無論如何，最大值都是在離刀刃一定距離處觀察到的。還應(yīng)注意的是，所獲得的數(shù)值與刀具材料的屈服應(yīng)力或楊氏模量值相比很低，不能造成刀具的損壞，但要記住，這些應(yīng)力是根據(jù)實(shí)際操作條件下的靜態(tài)特性計(jì)算出來的，在實(shí)際操作條件下，這些應(yīng)力是動態(tài)的。[4]

3.2復(fù)合涂層的磨損試驗(yàn)

修整刀刃折減值隨切削路徑變化的磨損試驗(yàn)結(jié)果。在氮化過程中，溫度為300℃，氮化時間為3h時，滲氮效果最好。對雙相涂層刀具與純氮化刀具的邊緣縮小進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，硬CrxN膜提高了刀具的耐磨性，與氮化處理的結(jié)果相當(dāng)。這意味著薄膜起著添加劑的作用。本研究的最佳結(jié)果是用Cr?N膜對氮化nr2刀進(jìn)行了改性，取得了較好的效果。經(jīng)過800 m的切割路徑，其邊緣磨損約為90μm。在獲得這一邊緣縮小值之前，未經(jīng)修改的刀切約300米的板.因此，刀具的使用壽命提高了2.5倍以上。刀具氮化的另一個優(yōu)點(diǎn)是其硬度在整個渦流中的均勻化。特別是，在邊緣感應(yīng)硬化是不均勻硬，結(jié)果也是不均勻的耐磨性。給出了誘導(dǎo)硬化葉片滲氮前后的顯微硬度分布.修改和未修改刀的刀刃相對于修整路徑的減少。當(dāng)這些值相對較高時，這意味著邊緣有很大的磨損坑。這類刀的磨損是由中密度纖維板中的礦物元素引起的。

結(jié)束語：

Cr-XN硬質(zhì)薄膜對氮化刀具的耐磨性有額外的改善作用。在快速磨損試驗(yàn)中，刀具的使用壽命提高了2.5倍以上。對刀片邊緣的修改也提高了它們對切割過程中動態(tài)力引起的沖擊的抵抗力。

參考文獻(xiàn)

[1]王佳.基于專利分析的我國刀具涂層技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與對策研究[J].情報(bào)探索，2015，（12）：26-31.

[2]張龍，孟穩(wěn).涂層硬質(zhì)合金刀具磨損對零件表面粗糙度的影響試驗(yàn)分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020，（5）：123-124.

[3]余宗寧，周利平，江凡， 等.基于仿真與試驗(yàn)分析的高硅鋁合金涂層刀具銑削性能研究[J].工具技術(shù)，2018，52（8）：26-29.

[4]余宗寧，周利平，劉小瑩， 等.金剛石涂層銑刀銑削高硅鋁合金CE11的刀具磨損分析[J].工具技術(shù)，2019，53（3）：33-37.

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