涂层刀具：隔热保护刀具免受切屑影响

除了选择适宜的刀具材料外，刀具表面涂层对干切削来讲是非常重要的。切削刀具表面涂层技术是近几十年发展起来的材料表面改性技术。目前，所有刀具中的40％是涂层刀具，同时为了适应更宽的加工范围和优化加工工艺，新涂层也在不断地出现。涂层刀具最适宜于干切削加工，因为适宜的刀具涂层既可承受高的切削温度，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦因数，减小刀具磨损和产生的热量，还可使刀具具有强韧的基体及满足切削要求的切削刃或工作表面。因此，涂层技术与刀具材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。

涂层在干加工中的主要功能表现在以下几个方面：

1）分隔刀具和切削材料。

2）降低刀具接触区以及刀槽内的摩擦。

3）为刀具隔热，保护刀具不受切屑影响。

涂层刀具常有的基体材料主要有硬质合金和高速钢，其中以硬质合金应用最多。

1.涂层硬质合金刀具的发展

硬质合金具有高强度、高硬度等诸多优点，涂层刀具的基体通常选用硬质合金，涂层硬质合金刀具在涂层刀具中占有重要地位，应用也最为广泛。

通过气相沉积或其他方法，在硬质合金刀具基体上涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属（或非金属）化合物，是提高刀具耐磨性而不降低其韧度的有效途经之一。这样，刀具材料发展中经常要产生的一对矛盾（材料硬度及耐磨性提高会导致强度及韧度的降低）很好地得到了解决。

涂层硬质合金从20世纪60年代研制成功以来，发展非常迅速，特别是机夹可转位刀片的广泛应用，更增加了涂层工艺的实用价值。在工业发达国家，涂层刀片占可转位刀片的比例也逐年增加，近年来，随着数控机床的广泛应用，涂层刀片获得了更大的应用空间，几乎占切削刀具的80％左右。

涂层硬质合金的发展大致可分为四个时期：20世纪60年代末期涂层刀具出现时以TiC涂层为主，刀具基体一般是WC基硬质合金，称为第一代涂层；第二代涂层大约出现在20世纪70年代初期，这时对TiC涂层作了很多改进，控制了涂层与基体间脆性大的_η相层厚度，并发展了TiN、Al₂ O₃、HfN等单涂层以及上述物质的双涂层及三涂层，如TiC-TiN、TiC-Al₂ O₃、TiC-Ti（CN）-TiN、TiC-Ti（CN）-Al₂O₃等；第三代涂层出现在20世纪70年代中期，除了以上几种涂层材料外，出现了新的涂层材料及三种涂层以上的多涂层，并发展了与涂层材料匹配的特殊硬质合金基体，使涂层刀片的强度性能得到了进一步的提高；第四代涂层主要是指新涂层材料的开发，包括金刚石、立方氮化硼和氮化碳等这些超硬材料涂层刀具。

随着新的涂层材料和新的涂层工艺的出现，涂层刀具的综合性能大幅度提高，不仅能加工原先硬质合金不能加工的硬材料，同时也能适用于现代高速切削，由于涂层的作用，使刀具的耐高温性、耐磨性得到很大提高，工件的加工表面质量也得到很大的提高，并使干切削在现代生产中的应用成为可能。

基体为WC的涂层硬质合金刀具有以下性能特点：

（1）高的硬度及耐磨性 涂层的硬度一般都比硬质合金基体的硬度高得多，例如，TiC涂层硬质合金的硬度可达2500～4200HV，因而涂层刀片具有较高的抗机械摩擦和抗磨损能力。

（2）高的耐热性 涂层刀片的耐热性可达1000～1200℃，高于硬质合金基体。如果在常温下涂层刀片的硬度为2000HV，在1000℃高温下仍能保持1000HV，而未涂层硬质合金的硬度这时会降到500HV。不同碳化物的软化温度也不同，WC的软化温度为1100℃，TiC为1200℃，TiN为1300℃。如果考虑到钴的软化温度比WC还低得多，则TiC、TiN涂层刀片的抗软化能力也比硬质合金基体高得多。涂层物质的热导率低于硬质合金，切削时使切削热大部分积聚在切屑中，传到刀片基体中的热量减少，涂层起到了热障壁的作用，因而基体温度较低，可减少软化程度。

（3）高的抗粘结性能Al₂ O₃与工件材料的亲和性很小，其次是TiC及TiN，WC与工件材料的亲合性则大得多。因此，涂层刀片与工件材料的亲和性较小，不容易产生粘结，减少了刀具与工件间产生的粘附作用以及刀具的粘结磨损。

（4）高的化学稳定性 不同涂层物质与硬质合金和工件材料在高温下的反应特性不同，Al₂ O₃涂层的化学稳定性特别好，与工件材料几乎无反应，使刀具有较高的抗溶解于铁的能力，在高温下对钢与铸铁的化学惰性好。TiC与工件材料仅有轻微的反应，因此，涂层刀片比硬质合金基体有较好的抗化学磨损能力。

涂层还可明显减少刀具表面和工件材料的相互扩散作用。TiC涂层既可阻止工件材料中的铁扩散到硬质合金中，又可阻止硬质合金中的钨和钴扩散至钢中，起到了扩散障壁作用。TiN对铁族金属不易扩散，TiN中溶解的铁量低于TiC中溶解的量，在高温下TiN具有很好的阻止扩散作用，虽然TiN涂层的硬度不及TiC涂层硬度高，但抗月牙洼磨损能力却较TiC涂层优越。

Al₂ O₃在常温时的硬度虽不及TiC，但高温硬度高，在高速范围内其耐磨性比TiC涂层及TiN涂层好，其月牙洼磨损率小于TiC或TiN涂层。

（5）摩擦因数低TiC涂层刀片在切削时所形成的氮化钛薄膜可起润滑作用，故可降低摩擦因数和摩擦力。TiN与铁基材料的摩擦因数较TiC更低。另外，其他一些涂层材料与硬质合金相比，对工件材料的摩擦因数较低，如金刚石与铝，其摩擦因数仅为硬质合金的一半左右。

2.常用涂层及其性能

涂层刀具整体性能的优劣与基体材料及涂层本身的性能密切相关。常用的涂层基体材料主要是硬质合金、高速钢等，涂层材料主要有TiC、TiN、TiCN、TiAlN、Al₂ O₃、MoS₂、金刚石等，涂层方式有单涂层及多涂层。涂层厚度通常在2～18μm之间，较薄的涂层比厚涂层在冲击切削条件下，经受温度变化的性能要好，这是因为薄的涂层应力较小，不易产生裂纹。在快速冷却和加热时，厚涂层就像玻璃杯极快地加热冷却一样，容易产生碎裂，用薄涂层刀片进行干切削可以使刀具寿命提高40％。表3-13是常见涂层的物理力学性能。

表3-13 常见涂层的物理力学性能

表3-14是各种常见涂层的散热特性。由该表可知，各种涂层的散热性能与TiN相比，TiAlN最好，TiC次之。因此，干切削加工刀具大都采用了TiAlN作为涂层材料。

表3-14 各种常见涂层的散热特性

涂层根据其性质可分为硬涂层和软涂层，表3-15是几种硬涂层和软涂层的性能。表3-16则是用于干切削加工刀具的涂层。

表3-15 几种硬涂层和软涂层的性能

表3-16 用于干切削加工刀具的涂层

（1）TiN涂层TiN涂层是使用最广泛的刀具涂层材料之一。其常用的基体材料是高速钢。TiN涂层的硬度远高于高速钢，摩擦因数低，并且具有良好的韧性、很高的热硬性，能承受一定弹性变形的压力。其膨胀系数与高速钢相近，在切削过程中当温度变化时，它们之间的热应力较小，具有良好的结合强度。还具有良好的化学稳定性、耐蚀性和抗氧化性，不易与被切削金属发生化学反应。另外，TiN膜的制备方法简单，几乎可以用所有的物理和化学气相沉积法制备。

TiN涂层刀具主要用于高速切削或加工较高硬度的材料，如正火材料或调质材料的切削加工、锡青铜材料的滚切削以及螺纹加工和钻削加工。

图3-30 TiN涂层对钻头转角磨损和切削路程的影响

a）对钻头转角磨损的影响 b）对钻头切削路程的影响

1—非涂层（干切削） 2—非涂层（5％乳化液） 3—TiN涂层（干切削） 4—TiN涂层（5％乳化液）

注：钻头直径：￠18mm；钻孔深度：35mm；钻头材料：高速钢；工件材料：45钢；

工件材料硬度：200HBW；钻孔速度：35m/min；每齿进给量：0.05mm。

图3-30所示是TiN涂层钻头进行干钻削加工时，刀具使用寿命与非涂层钻头使用5％乳化液时的寿命基本相同，这就意味着TiN涂层在这里承担并代替了乳化液的功能。

图3-31是采用TiN涂层高速钢拉刀进行干切削与普通湿切削的拉削长度比较。从该图中可以看出，干拉削完全可行，拉刀寿命提高了5～10倍（工件材料为16CrNiMo6 BG和42CrMo4V），而且取消了含氯切削液的使用。

图3-31 干切削与普通切削的拉削长度比较

a）16CrNiMo BG b）42CrMo4V

注：拉削速度为10m/min，切削厚度为0.1mm

（2）Al₂O₃涂层Al₂O₃涂层具有良好的力学性能、极好的热硬性和化学稳定性，因此，Al₂O₃涂层刀片具有良好的抗月牙洼磨损能力，刀具寿命得到了很大的提高。另外，Al₂O₃涂层具有低的热导率，且随着温度的升高其热导率降低，这种特性在切削加工中，可阻碍切削热传到刀具的切削刃，防止切削刃受热发生塑性破损。

Al₂O₃涂层主要用于硬质合金刀具表面，其涂层后的刀具兼有陶瓷刀具的耐磨性和硬质合金的强度，适用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃的场合，可用于铸铁和高速钢的切削加工。

例如，用Al₂O₃涂层刀片加工汽车铸铁制动盘和制动鼓等零件时，其寿命比TiC涂层刀片、金属陶瓷及陶瓷刀要高2～4倍，比硬质合金刀具高6～8倍。在υ＝365～550m/min切削速度范围内，其性能可与陶瓷刀具相比。一般在Al₂O₃涂层与基体间增加一层TiN、TiC或TiCN膜，不但可以提高耐磨性，而且可防止高温下Co、W等元素从硬质合金基体中向涂层扩散，从而改善涂层与基体的结合强度。但中间层TiC作为脆性相，会降低膜的强度。

（3）TiAlN涂层TiAlN是一种较好的能适合高速干切削的涂层。TiAlN抗氧化温度高，在切削时会产生TiAlN膜，具有较好的抗氧化性能，开始氧化温度为700～800℃，高于TiC、TiN等涂层的氧化温度。TiAlN在高温时比TiN硬度高，热稳定性好。其高温时产生的氧化膜（TiAlN膜）可改善刀具与工件、切屑的摩擦，减少热量的产生。此外，TiAlN涂层的热导率也低于TiN等涂层，从而起到隔热作用，使刀具在干切削时能承受更高的温度。

图3-32是干铣削时，TiN和TiAlN涂层刀具的切削性能比较，结果表明TiAlN涂层具有明显的优越性。

图3-32 TiN和TiAlN涂层刀具的切削性能比较

注：切削速度：50m/min，进给量：55mm/min，铣削宽度：15mm，铣削深度：2.5mm，铣削路程：1m，工件材料stl.2379。

美国某企业研制的一种改进型的PVD－TiAlN涂层，硬度与TiCN、TiN相当，而热稳定性温度比TiCN和TiN高，达到1450℃。这种TiAlN涂层随Al含量的提高，其硬度更高，抗高温断裂性更强，而氧化温度不变。如果在其上再涂一层MoS₂或TiCN涂层，将形成具有耐高温磨损和摩擦因数低的复合涂层，适合高速切削、干切削和难加工材料的切削加工，其铰孔和钻孔加工能力比未涂层刀具提高三倍，磨损后还可重磨和重涂，而且切削温度越高，其切削效率越高。

日本某公司最初用传统的高速钢滚刀，浇注切削油进行切削，工件、滚刀参数和切削条件见表3-17。滚刀表面采用TiCN涂层，图3-33是连续加工少数工件（26件）后滚刀的磨损情况。由该图可见，滚刀左后面出现异常磨损，已超过其寿命不宜继续使用。TiN涂层滚刀的使用结果也大致相同。采用新开发的TiAlN涂层高速钢“超级干滚刀”，在与表3-17相同的加工条件下，滚刀寿命明显改善。图3-34是新滚刀的磨损状况，其寿命约提高了五倍。为了确认这种结果，在实际生产线上对这种新滚刀的使用情况进行了评价，结果见表3-18，刀具寿命的提高超过了五倍，而且在加工过程中未出现啃削现象，加工精度明显高于传统的湿滚削。这种滚刀经过重新涂覆后，仍可采用200m/min的切削速度，寿命可延长四倍。即使在开刃后不重涂，前刀面处于无涂层状态下使用，在切削速度与传统湿切相同的条件下，刀具使用寿命也能延长两倍以上，所发挥的性能仍然大大超过传统湿切。

表3-17 工件、滚刀参数和切削条件

图3-33 连续加工少数工件后普通滚刀的磨损情况

图3-34 “超级干滚刀”的磨损情况

表3-18 超级干切削滚刀在生产线上的应用情况

最近开发的一种新型涂层TiAlCrNO，是在TiAlN的基础上添加了适量的Cr和O。Cr的加入增加了TiAlN涂层的抗氧化性，而Cr和O的加入则减少了涂层的压应力，因而使得TiAlN涂层刀具具有更加优良的切削性能。

德国Guhring公司也研制了一种称之为Firex的多涂层新工艺。该涂层利用瑞士Plait公司生产的真空涂层炉，采用超薄TiN和TiAlN对刀具进行交替涂覆。所涂覆的刀具具有粘附力强、耐热性高和抗磨损性好等特性，聚集了TiN、TiAlN以及TiNC等涂层的优点，非常适合于干切削加工。例如，用Firex涂层硬质合金钻头平均一次可钻削2000个孔，而TiN涂层钻头只能钻削1200个孔；在钻削6Al4VTi材料时，Firex涂层钻头平均一次可钻削12000个孔，而TiN涂层钻头只能钻削2500个孔。由此可见，Firex涂层钻头的效率比TiN涂层钻头高。图3_-35是Firex涂层硬质合金钻头钻削45淬硬钢的磨损曲线。在1998年芝加哥国际机床展览会上，Guhring公司还配套展出了新开发出的用于亚干切削的加工设备“GumJet System”和OK460UF超细颗粒硬质合金刀具材料，配以Firex涂层工艺，完全可以对各种孔进行高效干切削加工。

图3-35 Firex涂层硬质合金钻头钻削45淬硬钢的磨损曲线

注：工件材料：45淬硬钢；刀具：DP300整体硬质合金刀片；直径：8.5mm；孔深：25mm；切削速度：395r/min；进给量：0.18mm/r。

（4）AlTiN涂层 对于铝含量（质量分数）超过50％的TiAlN涂层通常称为AlTiN涂层，以区别原来的TiAlN。由于铝含量的加大，这种涂层具有很高的硬度和非常优异的耐磨性能，在刀具/工件接触区温度高达800～900℃时，AlTiN涂层仍能保持高硬度，因而被认为是“下一代”的耐磨新涂层。目前，已经有一系列的刀具使用含铝（质量分数）超过65％的AlTiN涂层，例如，Carboloy公司的涂层铝含量（质量分数）为67％，IonBend公司的涂层铝含量（质量分数）为70％，Ceme Con公司则在2002年7月开发了一种用于生产超级氮化物涂层的工艺，铝含量（质量分数）达到80％。

AlTiN涂层刀具的理想加工速度为183～244m/min，主轴转速为20000～40000r/min或更高，但背吃刀量不宜太大。在这样的加工条件下，可改善主轴受力状况，提高生产效率，获得良好的加工表面质量。

AlTiN涂层刀具是高硬度（＞40HRC）、高耐磨性材料高速加工及干式高速加工的理想刀具，可应用于铣削、钻削、车削加工等加工中。图3-36是这种涂层在钻削加工中的应用情况；图3-37是在齿轮加工中的应用情况；图3-38是在车削加工中的应用情况；图3-39是铝合金成形加工中的应用情况。表3-19是这种涂层与其他几种涂层的性能比较。

图3-36 AlTiN涂层在钻削加工中的应用

图3-37 AlTiN涂层在齿轮加工中的应用

图3-38 AlTiN涂层在车削加工中的应用

图3-39 AlTi涂层在铝合金成形加工中的应用

（5）刀具表面的富氧TiAlON涂层TiAlN比TiN涂层有更高的耐氧化性，主要是因为TiN在600℃时会产生氧化，而TiAlN在800℃时才开始氧化，并且由于氧化易在刀具表层形成致密的Al₂ O₃层，增加了TiAlN膜抗扩散和抗氧化能力。非合金化的Al₂ O₃显微硬度比较低，（1500HV0.05），但Al₂ O₃刀具材料却具有高的抗磨损性，这主要是由于Al₂ O₃中的α相有良好的氧化稳定性和高的热稳定性。加入氮，可形成Al-O-N涂层；若再加入钛，则可形成富氧Ti-Al-O-N涂层，使涂层的显微硬度和耐磨损性得到进一步提高。因此，通过PVD沉积工艺形成的TiAlON涂层具有高的氧化稳定性，而且显微硬度提高很多，改善了刀具干切削加工时的耐磨损性。

表3-19 AlTiN涂层与其他涂层的性能比较

单层TiAlON涂层由于界面之间存在氧化杂质，其显微硬度较低（＜2000HV0.05），粘结强度不高。为了确保有良好的粘结强度和高的显微硬度，可采用TiAlN－TiAlON基的多层涂层。

德国汉诺威大学进行了将TiAlON涂层在干式钻削中的应用研究。结果表明，涂层层数不同、涂层中的元素含量比例不同，涂层的耐磨损性能也不相同。图3-40a为不同涂层形成方式（MSIP表示磁控管溅射离子涂覆；H.I.S^{T M}表示高离子流溅射；HF表示高频）及不同元素

图3-40 TiAlON涂层在干式钻削中的磨损状态

a）涂层微观组织形貌

A—W（Al）/W（Ti）为0.6 B—密集的细柱状结构晶粒 C—增加Al含量细化晶粒 G—MSIP TiAlON＋TiAlON（7层） H—H.I.S^TM TiAlON＋TiAlON（2层） J—HF辅助MSIP TiAlON＋Al₂ O₃

b）磨损曲线（2次试验）

注：加工方式：不通孔钻削，干式钻削；工件材料：45淬硬钢；

加工条件：v＝80m/min，f＝0.16mm/r，孔深为2.5倍的孔径；

刀具：P25/30麻花钻，N型，几何角度A；涂层厚度：3μm。

比例含量的涂层微观组织形貌图。图3-40b所示为TiAlON多层涂层的磨损曲线。当钻削路径为1～3m时，TiAlON涂层钻头切削刃的磨损（VB′）迅速增大。TiAlN-TiAlON双层涂层（H）的磨损速率最大，在钻削1000个不通孔（钻削路径20m）后，切削刃的磨损为0.2mm。而HF辅助的MISP TiAlN/Al₂ O₃涂层（J）和7层TiAlON涂层（G）的磨损速率则明显减小。

图3-41是TiAlON和TiAlN涂层在干钻削中的切削性能比较。w（Al）/w（Ti）为0.6的MISP涂层钻头后刀面磨损宽度最大。如果TiAlN涂层（A）和TiAlON涂层（C，H，J）的显微硬度相同，由于TiAlON涂层的高温性能明显改善，TiAlON涂层在钻削调质钢时表现出了非常优异的抗磨损性能。其中，7层TiAlN＋TiAlON涂层的抗磨损性能最好。

图3-41 在干钻削中TiAlON和TiAlN涂层的切削性能比较

注：加工方式：不通孔钻削，刀具：麻花钻，N型，几何角度A；工件材料：45淬硬钢；加工条件：v＝80m/min，f＝0.16mm/r，孔深为2.5倍的孔径；干式钻削；涂层厚度：3μm，A、B、C：MSIP。

（6）氧化物PVD多涂层 氧化物涂层具有高的耐磨性和低的摩擦因数，可以最大限度地阻止热量传入刀具基体。常用的氧化物涂层有TiAlN-Al₂ O₃、TiAlN-ZrO₂，和TiZrN-ZrO₂，其主要性能见表3-20。

表3-20 氧化物涂层主要性能

图3-42a是AlTiN-Al₂ O₃涂层的显微照片，AlTiN-Al₂ O₃涂层具有高的硬度、很好的附着力以及优良的微观结构。图3-42b是TiAlN-ZrO₂涂层的显微照片。

图3-42 AlTiN-Al₂O₃涂层和TiAlN-ZrO₂涂层的显微照片

a）AlTiN-Al₂ O₃涂层的显微照片 b）TiAlN-ZrO₂涂层的显微照片

在SGl70（德国高强度球墨铸铁牌号）材料上钻削直径6mm、深18mm的不通孔。采用和湿切削相同的切削用量，切削速度为80m/min，进给量为0.35mm/r。采用五种不同刀具，即非涂层刀具、TiAlN涂层刀具，其他三种是氧化物PVD多涂层刀具，刀具基体都是硬质合金，失效形式为切削刃的磨损宽度达到0.3mm。图3-43是这五种刀具的切削效果对比图。

由图3-43可见，没有涂层的刀具，在加工10个孔后，切削刃磨损就达到了0.3mm（切削长度0.2m），TiAlN涂层刀具切削长度可达4.5m；而氧化物PVD多涂层刀具则显示了良好的抗磨损性，TiZrN_- ZrO₂涂层刀具的切削长度可达7.2m，AlTiN-Al₂O₃涂层刀具可达16.2m，切削效果最好的TiAlN-ZrO₂涂层刀具则可达到18.1m，是一般TiAlN涂层刀具寿命的四倍。

图3-43 五种刀具的切削效果对比图

3.超硬材料涂层

（1）金刚石涂层 金刚石涂层有许多优异的性能，主要表现在以下几方面：

1）具有极高的硬度和耐磨性。

2）与有色金属的摩擦因数比其他材料都低，约为硬质合金的一半，不仅降低了变形和切削力，而且不产生积屑瘤，改善了加工表面粗糙度。

3）具有高的弹性模量，可长期保持切削刃的锋利性，有利于减少切削及磨削力。

4）金刚石涂层还具有高的化学稳定性，耐绝大部分酸、碱和溶剂的腐蚀。

但是高温下金刚石化学活性高，易与被加工工件材料发生化学反应，导致化学磨损，所以金刚石涂层刀具不适合加工铁合金。

用金刚石涂层刀具加工硅铝合金和铜合金等有色金属、玻璃纤维和碳纤维等工程复合材料，以及石墨和未烧结的陶瓷与硬质合金等制品，其切削性能和耐磨性与聚晶人造金刚石（PCD）刀具大致相当，刀具寿命是普通硬质合金刀具的50～100倍。此外，因金刚石涂层刀具中不含有金属结合剂，它是在低于1000℃的温度和低于0.1MPa的压力条件下制成的，杂质含量低，纯度接近100％，硬度和热导率比PCD刀具更高，摩擦因数更小，化学稳定性更好，可采用比PCD刀具更高的切削速度，而其价格又比同类PCD刀具要低，且易于沉积到各种复杂型面和几何形状的刀具上。近年来，刀具生产企业已相继推出了金刚石涂层的丝锥、铰刀、立铣刀，以及用于加工印制电路板上小孔的金刚石涂层硬质合金钻头和带断屑槽的各种可转位刀片。

目前，形成金刚石涂层的方法主要有三种：等离子法、材料热电子放射法和化学反应法。等离子法根据等离子发生方法的不同又可分为微波等离子法、高频等离子法及电弧等离子法；材料热电子放射法（热丝法）是最早开发的金刚石气相合成法；化学反应法是用乙炔和氧混合气体燃烧焰内得到的乙炔过剩部分生成金刚石。从金刚石成膜的稳定性、速度及整体成本来考虑，目前主要采用的方法是微波等离子法和热丝法对刀具进行涂层。

金刚石涂层一般是采用化学气相沉积法（CVD）形成。CVD金刚石在刀具上的应用主要有两种类型：即金刚石厚膜焊接刀具和金刚石薄膜涂层刀具。前者是先制备一层金刚石厚膜（厚度大于300μm），然后通过激光切割成所需要的形状，再将其焊接在刀体上。这种厚膜焊接刀具已进入商品化生产，并开始替代PCD刀具。但由于金刚石厚膜的表面粗糙，且脆性大，为此给刀具的刃磨和抛光带来较大困难。金刚石涂层刀具则是直接在刀头表面沉积一层厚度小于20μm的金刚石薄膜，其制备工艺简单，成本较低，而且可以做成各种复杂的几何形状。

金刚石涂层最本质的问题是金刚石膜与基体的附着强度，附着强度在很大程度上取决于基体材料的性质。作为金刚石涂层刀具的基体材料，除了应具有较高的硬度和韧度外，还要满足两个方面的要求：一是金刚石膜的化学气相沉积温度一般都在600℃以上，故基体材料要有较好的热稳定性；二是要有利于金刚石的成核和生长。大量的实验研究表明，基体材料的物理和化学性质对金刚石的成核和生长有极大的影响。例如，在高温高压法合成金刚石的过程中，充当催化剂的过渡金属，如铁、钴、镍等就不宜作为CVD金刚石膜的基体。因为在CVD条件下，石墨是碳的稳定相，过渡金属会稳定石墨相，抑制金刚石生长；另外，这些过渡金属对碳有较高的溶解度，也不利于金刚石形核。目前，金刚石涂层刀具多选用钨钴类硬质合金（WC-Co）或氮化硅（Si₃N₄）等陶瓷材料作基体。Si₃ N₄陶瓷基体与金刚石的热膨胀系数相近，二者之间的附着性能较好，但Si₃ N₄陶瓷的韧度较差。WC-Co硬质合金是当前应用最为广泛的刀具材料，它不仅具有较高的硬度和热硬性，而且韧度较好，能够被加工成各种复杂形状的刀具。金刚石涂层与硬质合金基体的结合，可以有效地解决传统刀具材料硬度与韧度之间的矛盾，使金刚石涂层刀具既有金刚石的硬度和耐磨性，又有硬质合金的强度和韧度。硬质合金基体的不足之处在于基体中作为粘结相的Co具有催石墨化的作用，对金刚石涂层的质量及涂层与基体之间的附着力有不利影响。

一般的铝合金，可加工性较好，用硬质合金钻头即能充分满足孔加工要求。但近年来，为了使铝合金具有高的强度，Si含量较高的铝合金日益增多。这种高硅铝合金中，Si含量（质量分数）高达12％以上，加工时往往会析出Si硬质粒子，硬质合金钻头遇到析出的Si粒子，容易造成刀具损伤，降低使用寿命。

金刚石涂层刀具加工时，可降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦因数，能承受高温，具有很高的热硬性，是铝材干切削加工时最适宜的刀具之一。例如，用金刚石薄膜涂层刀具，在C616A—1精密车床上干车削铝合金［未经热处理Si含量（质量分数）为12％～14％的共晶铸造铝硅圆棒］，刀具几何参数为：γ₀＝0°，α₀＝15°，κ_r＝κ_r′＝60°，刀尖圆弧半径r＝0.7～1.0mm，刃口钝圆半径r_n＝0.05mm；切削用量见表3-21。

表3-21 切削用量表

图3-44表示了切削路程与表面粗糙度值的关系，图3-45是金刚石涂层刀具与未涂层的YG6的磨损对比曲线。

从图3-44和图3-45可以看出：

1）用金刚石薄膜涂层刀具干切削硅铝合金，刀具初期切削时，试件表面粗糙度值不稳定，这主要是因为金刚石颗粒形成的刃口不平造成的，进入刀具正常磨损阶段，试件表面粗糙度值非常稳定，切削路程相当长，具有很好的干切削性能。

图3-44 金刚石薄膜涂层刀具切削路程与表面粗糙度值的关系

图3-45 金刚石涂层刀具与未涂层的YG6的磨损对比曲线

2）切削用量对表面粗糙度影响最大的是进给量，在较高切削速度的情况下，只要进给量合适则表面粗糙度值变化不大。因此，加大刀尖圆弧半径，进给量对表面粗糙度的影响会减小。

3）刀具损坏以涂层破损为主，因此，提高金刚石薄膜涂层刀具的寿命主要是提高涂层与基体的粘结强度。

4）金刚石涂层大大改善了刀具的切削性能，金刚石薄膜（涂层）刀片寿命比基体YG6提高10倍以上，在同等条件下，以VB＝0.15mm为标准，YG6仅切削8s，VB＝0.17mm；金刚石刀具切削174s，VB＝0.15mm，寿命是YG6的22倍。

（2）刀具表面的类金刚石涂层 类金刚石涂层DLC（Diamond Like Carbon）是一种非晶体，其大量的类金刚石结合剂在很大程度上决定了涂层的电学、光学、机械和化学特性。

通常，这类涂层不导电（电阻率为10⁶～10¹²Ω·cm），击穿电场强度约为10⁶V/cm，其颜色在深棕色到深灰色之间变化，在波长1.2～1.5μm的红外区间是透明的。它不会受任何化学物质的影响，但会很快地被氧等离子体带走。加入适当的原子，可从本质上增加这类涂层对氧等离子体的稳定性。

类金刚石涂层的主要力学性能包括：

1）显微硬度在2000～3000HV之间。

2）与金属的干摩擦因数为0.19（相对湿度为50％时）。

3）弹性模量为90％。

4）与其他材料几乎不产生粘结反应。

5）最大耐久温度，对钢基体为600℃，而对于陶瓷基体则大于800℃。

6）可以施加涂层的基体材料范围广，包括钢、铝、镁、陶瓷等。

加入适当原子的类金刚石涂层刀具可以用来加工钢材。通常碳和铁产生相互作用，但这类金刚石涂层没有这种趋势，因为掺杂物可使类金刚石碳的原子结构稳定性增加，这样就可以加工钢和铁材料，其寿命是TiN涂层的两倍。特别是在高速钻削和加工钢件螺纹时，其寿命大约是非涂层刀具的17倍。图3-46是类金刚石碳涂层与TiN、金刚石涂层的加工性能比较。加工工件材料是AlSi18。这种材料由于含有大量的偏析硅晶体，因而与刀具的粘结趋势很强。从图3-46中可以看出，类金刚石碳涂层与TiN、金刚石涂层相比，其碳涂层的磨损最小。

图3-46 类金刚石碳涂层与TiN、金刚石涂层的加工性能比较

（3）刀具表面的氮化碳（C₃N₄）涂层氮化碳是20世纪90年代初才出现的新型超硬材料。20世纪80年代后期Cohen等人通过理论计算预言类似β-Si₃N₄结构的化合物β-C₃N₄可能具有超过金刚石的硬度，此说立即引起国内外研究人员的广泛关注。1993年Niu首先宣布用激光烧蚀法得到了β-C₃N₄薄膜。随后研究人员用电子回旋共振-化学气相沉积（ECR-CVD）、热丝CVD、反应磁控溅射等方法成功合成了氮化碳薄膜。

武汉大学自1994年起研究氮化碳的合成方法。先后用射频CVD、磁控溅射等方法成功合成了氮化碳薄膜，并研究了氮化碳薄膜在高速钢基体上的镀膜工艺。

氮化碳涂层具有优异的性能，主要表现在以下几方面：

1）超硬性。氮化碳是一种新型超硬薄膜材料，它在高硬度、耐磨损、低摩擦因数和导热性等方面与金刚石十分相似。氮化碳涂层的超硬特性是其在刀具上应用的关键。由表3-22可知，将氮化碳镀在刀具表面将极大提高刀具的表面硬度。

表3-22 各种材料硬度比较

2）较好的热稳定性。用热失重（TG）—差热分析（DTA）研究氮化碳在室温至1200℃的热稳定性发现，石墨相含量较小的样品在上述范围内无明显的热失重，证明氮化碳薄膜具有较好的热稳定性。

3）与Fe元素的低亲和性。由于生成氮化碳的C-N元素构成牢固的共价键，使它在化学稳定性、耐氧化性方面与优质的陶瓷材料Si₃N₄非常相似。因而它没有金刚石的缺点，即金刚石涂层刀具在空气中使用超过700℃，金刚石薄膜即被氧化生成CO₂而被烧蚀；金刚石刀具加工铁基材料时，容易与铁发生化学反应，因而它不能加工钢材。

由于氮化碳涂层刀具具有高的硬度、良好的抗磨损能力和热稳定性，因此，是较理想的干切削刀具材料。氮化碳涂层刀具可用于加工不锈钢、耐热合金钢、球墨铸铁、钛合金、高硅铝合金等难加工材料，可以大大提高刀具的寿命和加工精度，具有很高的使用价值。试验表明，镀有氮化碳的钻头比没有镀氮化碳的钻头使用寿命提高25倍，比镀氮化钛的钻头寿命提高三倍。氮化碳涂层刀具还能进行硬质面加工，并可以取代部分磨削。

图3-47为氮化碳涂层刀具磨损后的电子扫描照片，由该图可见，刀具的磨损主要以破损为主，前刀面明显可以看到刀具材料的剥落，没有明显的月牙洼，后刀面磨损主要由前刀面的剥落引起。

图3-47 氮化碳涂层刀具磨损后的电子扫描照片

a）前刀面 b）后刀面

用直径6.3mm的C₃N₄涂层高速钢（W6Mo5Cr4V2）麻花钻，干钻削高强度钢38CrNi3MoVA（经调质处理，36～40HRC），钻孔深度约10mm，切削用量为：钻削速度v＝10m/min（转速n＝600r/min），进给量f＝0.13mm/r。其磨损曲线如图3-48所示。由该图可见，当VB＝0.3mm时，C₃N₄涂层麻花钻的钻削时间最长，一般约为无涂层的10倍，TiN涂层的钻削时间次之，约为无涂层的七倍。应该注意的是，C₃ N₄涂层麻花钻的最后失效为崩刃，说明其脆性较大。

图3-48 钻孔试验磨损曲线

对C₃N₄涂层麻花钻头重磨其后刀面，再进行钻削试验，同所有涂层钻头相似，涂层仍会起到一定的作用。但随着重磨次数的增加，涂层即失去作用。

某企业由于齿轮经渗碳淬火热处理后的变形使得公法线公差达不到设计要求，因而需要精加工，但齿轮经渗碳淬火后表面硬度达到62HRC以上，且该齿轮设计形状特殊，不能进行磨削，使得该齿轮的废品率一度达到80％以上。使用氮化碳插齿刀对热处理后的齿轮进行精加工，极大地提高了成品率，结果如表3-23所示。

表3-23 齿轮加工情况

注：白刀—未镀C3N4/TiN复合刀片，黄刀—镀C3N4/TiN复合刀片。

用氮化碳薄膜涂层刀具干切削硅含量（质量分数）12％～14％的硅铝合金活塞，采用的切削用量如表3-24所示。图3-49是切削用量与表面粗糙度的关系。

表3-24 切削用量的选择

图3-49 切削用量与表面粗糙度的关系

用氮化碳薄膜涂层刀具干切削硅铝合金，与金刚石涂层刀具相比，刀尖的积屑瘤非常小，如果选择合适的刀具几何参数，干切削加工的表面粗糙度值会更小，能满足对活塞外圆加工表面粗糙度的要求，具有很好的干切削性能。切削用量对表面粗糙度影响最大的是进给量，在较高切削速度情况下，只要进给量合适则表面粗糙度值变化不大。加大刀尖圆弧半径，进给量对表面粗糙度的影响会减小。

4.软硬组合涂层

对刀具进行软、硬两种涂层，可充分发挥每种涂层的优点，克服缺点，有效地提高刀具的切削性能。当切削温度较低时（＜400℃），摩擦因数较小的硫化物，如MoS₂、WS₂、TaS₂是较理想的固体减摩材料，它们能显著降低与金属的摩擦因数，可达到0.1～0.2，是普通刀具材料的1/4～1/2。例如，MoS₂涂层丝锥的寿命（切削长度为150m）是TiAlN涂层丝锥（切削长度为40m）的3.75倍；用MoS₂涂层硬质合金可转位铣刀铣削高强度钛合金零件时，铣刀寿命比未涂层铣刀提高20％。当切削温度较高时（1000℃左右），软金属Ni、W、Al、Ti、Co则具有更好的减摩效果。为了在降低刀具表面摩擦因数的同时，获得较高的表面硬度，可在刀具表面涂覆较硬的材料，如B₄ C、Al₂ O₃、WC、TiAlN、TiCN等。

（1）WC/C与TiAlN的组合涂层 美国某刀具制造企业研制了一种称为BALINIT HARDLUBE的软硬结合双层涂层，这种涂层在没有润滑剂的情况下可以改善排屑性能。其中的硬涂层是氮铝化钛（TiAlN），而软质涂层，即润滑层是碳化钨/碳（WC/C），它具有中等硬度和低的摩擦因数。这两种涂层的组合能改善切屑流动状态，并且减小了刀具/切屑表面的摩擦，降低了切削力。

BALINIT HARDLUBE组合涂层是通过PVD技术进行涂覆的。TiAlN层主要通过铝化钛在活性氮气体中用强弧法沉积而成，WC/C层则是通过溅射法喷涂沉积而成。BALINIT HARDLUBE的TiAlN层在切削过程中起保护切削刃的作用，避免或减小在高温下产生磨损。外层的WC/C层的滑动性和润滑性可减小切削应力，同时可控制切屑的形成，减小切屑流动过程中的摩擦，WC/C层的微观硬度可达1000HV0.05。

表3-25是各种PVD涂层与BALINIT HARDLUBE组合涂层的性能比较。

表3-25 各种涂层性能比较

由于BALINIT HARDLUBE涂层综合了TiAlN涂层的极高硬度、热稳定性和WC/C涂层润滑性能的优点，解决了刀具磨损、崩刃和积屑瘤的产生等问题，因而非常适合干钻削和在塑性较大的材料上进行攻螺纹加工。例如，在合金钢上钻削不通孔（钻削深度为其直径的四倍），分别采用不同的钻头进行加工，结果如图3-50所示。由该图可见，BALINIT HARDLUBE涂层刀具的加工效率明显提高。

（2）基于MoS₂的组合涂层MoS₂是一种具有润滑作用的软涂层，摩擦因数很小（与钢的摩擦因数为0.04～0.09），可代替切削液，减少刀具/切屑表面之间的摩擦，它能防止积屑瘤产生，又有利于切屑排出。这种涂层具有特氟隆（Teflon）的特性，与刀具基体表面粘结性能优良，且形成的涂层表面光滑，摩擦因数小。这种基于二硫化钼（MoS₂）的软涂层，被称为MOVIC。在硅含量（质量分数）为9％的硅铝合金工件上攻螺纹时，非涂层丝锥［基体为钴含量（质量分数）10％的超细晶粒硬质合金］可加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可加工1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可加工4000个孔。另一种涂层是组合涂层，即将MOVIC软涂层涂覆在某种硬涂层上，这种涂层也在钻削钢及硅含量（质量分数）为9％的铝合金中得到了成功应用。

图3-50 不同涂层刀具的加工效果比较

MoS₂＋TiAlN的复合涂层具有较好的综合性能，特别适合于钻削与攻螺纹。由于铝合金在切削时易产生粘刀，为防止这一现象，一般都应用切削油，而采用MoS₂＋TiAlN复合涂层干铣削铸铝AlSi10Mg比未涂层的湿式加工相比，刀具寿命提高了10％。

MoS₂与金属或其他涂层组合在一起可极大地改善刀具的切削性能。如MoS₂与金属Ti组成的组合涂层（其代号为MoST），其硬度比MoS₂本身的硬度高，具有优良的耐磨性能，应用范围非常广泛。这种涂层有低Ti含量（Ti的质量分数为10％）和高Ti含量（Ti的质量分数为20％）两种。低Ti含量组合涂层的显微硬度为500HV，在100N载荷作用下的摩擦因数为0.02，磨损率很低。而高Ti含量组合涂层的硬度比TiN低，在100N载荷作用下的摩擦因数为0.04，磨损率比低Ti含量组合涂层要低很多。

MoS₂/Ti组合涂层在众多切削加工中表现出了优异的性能。例如，分别用涂有TiN、TiCN（低碳含量）、TiAlN（高铝含量）、TiN＋MoS₂、TiCN（低碳含量）＋MoS₂涂层的高速钢丝锥钻头进行钻削对比试验。试验分别在干和加注切削液的条件下进行，在AISI400不锈钢（板厚11.7mm）上钻削直径为5.5mm的通孔，切削速度分别为10m/min（转速为530r/min）和22m/min（转速为1060r/min）。如图3-51所示，TiN及TiCN硬涂层上涂覆MoS₂/Ti组合涂层的钻头在干加工条件下，加工孔的数量是TiN涂层钻头的两倍，是TiCN涂层钻头的4.1～4.8倍。在TiCN硬涂层上再涂覆MoS₂/Ti涂层的钻头，在使用混合油的加工条件下，钻头使用寿命提高了2.4倍。在铣削加工中，这种组合涂层也具有优异的切削性能。例如，对尺寸为12mm×4mm×25mm的硬质合金立铣刀分别进行TiCN和TiCN＋MoS₂/Ti涂层，在干和加注切削液的加工条件下铣削AISI304不锈钢材料，切削速度为150m/min，进给量为0.04mm/r，径向吃刀量为4mm，轴向吃刀量为5mm，图3-52是所测得的加工过程中的平均铣削力、刀具磨损和加工表面质量结果。

图3-51 不同涂层钻头加工孔的数量比较

由图3-52可见，与单纯的TiCN涂层刀具相比，TiCN＋MoS₂/Ti组合涂层切削长度更长，平均铣削力减少，加工表面质量得到改善，而且这两种涂层铣刀均提高了生产效率，改善了零件的加工表面质量。同时，从该图中也可以看出，TiCN＋MoS₂/Ti涂层与单纯的TiCN涂层相比，在加注切削液状态下进行切削，并没有使铣削路径增加或减少平均铣削力。

图3-52 TiCN和TiCN＋MoS₂/Ti涂层铣刀的加工效果比较

a）平均铣削力的变化 b）加工表面粗糙度的变化

1—TiCN（加切削液） 2—TiCN＋MoS₂/Ti（加切削液） 3—TiCN＋MoS₂/Ti（干切削）

除了涂层材料外，新的涂层结构也有利于改善涂层的耐磨性能，取得良好的加工效果。研究表明，由MoS₂和Mo两种材料构成的超多层涂层（总厚度3.2μm，含400个复合层）的高速钢钻头加工钛合金Ti_-6Al-4V时，钻削转矩比未涂层钻头低33％，避免了粘刀，比单层的MoS₂能承受更高的氧化温度，从而保持更高的润滑性。

5.纳米涂层刀具

纳米涂层（Nanocoating）是20世纪80年代末期才出现的，对于切削来说，这是一种很有前途的涂层方法。纳米材料是指材料颗粒尺度在100nm以下，直径接近原子尺寸（0.2～0.3nm）的粒子，这时，很多传统的物理原则将不复存在，而出现光、电、磁、化学、力学性能的奇异变化，因此，纳米材料被人们誉为“21世纪最有前途的材料”。纳米涂层可采用多种涂层材料的不同组合，如金属/金属组合、金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳米涂层可使刀具的硬度和韧度显著增加，使其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，非常适合干切削加工。

从摩擦、润滑和磨损的观点来看，硬质合金刀具的多层纳米涂层可分为四类：

1）硬/硬组合。如碳化物、硼化物、氮化物、氧化物之间的组合，常见的有B₄ C/SiC、B₄ C/HfC、TiC/TiB₂、TiN/TiB₂、TiC/TiN等。

2）硬/软组合。如碳化物/金属组合，如B₄C/W、SiC/Al、SiC/W、SiC/Ti等。

3）软/软组合。如金属/金属组合，常见的有Ni/Cu等。

4）具有润滑性能的软/软组合。如固体润滑剂/金属组合，常见的有MoS₂/Mo、WS₂/W、TaS₂/Ta、MoS₂/Al-Mo等。这些复合涂层每层由两种材料组合而成，厚度仅为几纳米。根据切削性能需要及涂层的性质，可交互叠加上百层，总厚度可达2～5μm。

B₄C/SiC、HfC/SiC和HfC/B₄C等硬/硬复合涂层可为刀具提供高温氧化保护。此外，当TiAlN中的Al氧化生成氧化铝时，可改善TiN涂层的性能，使其热导率减小，抗氧化扩散的保护能力提高。Al与硬度更高（与TiN相比）的B₄C、SiC、HfC等碳化物组成复合涂层，可进一步改善涂层的性能。此外，具有较小摩擦因数的氧化物膜可减少刀具与工件界面处产生的切削热。能形成这种低摩擦因数氧化物保护膜的金属有Al、Ti、Si、Mg、V、Zr、Ta、Mo和W。例如，在陶瓷表面离子注入混合的Ti和Ni而形成的表面，具有极小的摩擦因数（0.06～0.09）；由Zr的氧化物形成的氧化锆表面摩擦因数更小，且具有优异的抗热和散热性能。层状结晶的二硫化物也具有较小的摩擦因数，例如，二硫化钼（MoS₂）是常用的固体润滑剂，但在空气中加热到350～400℃时即显著氧化，如将MoS₂与耐热金属Mo组合成复合涂层MoS₂/Mo，其耐热能力可明显提高。其他一些耐热金属的二硫化物（如WS₂、TaS₂）在空气中比MoS₂具有更好的稳定性。因此，由耐热金属的二硫化物与耐热金属组合的复合涂层（如WS₂/W和TaS₂/Ta）具有优异的抗高温性能。

纳米涂层的涂覆可采用先进的封闭场不平衡磁溅射法（CFUMS）获得。该方法与普通磁溅射法相比，具有效率高、功率消耗小、溅射室压力小、温度低、靶到工件距离大等优点，获得的涂层更洁净、更致密，性能更一致。此外，试验证明，CFUMS生产重复性好，涂层具有更高的粘结强度，摩擦因数稳定，因而在干切削中具有更长的使用寿命。

采用CFUMS涂覆工艺，在硬质合金刀具和HSS钻头上涂覆B₄C/W多层纳米涂层（100层双材料层，每层厚度B₄C为1.3nm，W为1.8nm），然后与未涂覆刀具、普通单涂层（TiAlN）刀具、三涂层（TiC/TiCN/TiN和TiC/Al₂O₃/TiN）刀具，在105m/min的切削速度下对中碳钢工件进行干切削对比试验。试验结果表明，纳米涂层刀具的后刀面磨损量比未涂层刀具和常用的TiC/Al₂O₃/TiN三涂层刀具的后刀面磨损量大大减小。此外，随着切削时间的延长，纳米涂层刀具的切削力与未涂层刀具、TiC/Al₂O₃/TiN三涂层刀具和TiAlN涂层刀具相比也显著减小。

例如，用固体润滑剂多层纳米涂层（MoS/Mo双材料涂层，共400层，总厚度3.2μm，每层厚80nm）的HSS钻头（直径为9.5mm）与未涂层钻头进行干切削对比试验，加工工件材料为Ti-6Al-4V合金（这种材料热导率低，切削时容易生成积屑瘤，加工硬化现象严重，属难加工材料），旋转速度为2200r/min。结果表明，钻削过程中，未涂层钻头的钻削力急剧增大，最后导致钻头卡入工件中。而多层纳米涂层钻头的钻削力减少约33％，未发生钻头卡住现象或其他故障，钻削性能显著优于未涂层钻头。

6.刀具涂层对加工表面质量的影响

选择合适的涂层可使刀具承受高的切削温度，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦因数，减小刀具磨损和产生的热量，从而延长刀具寿命，再配上刀具基体的优良性能，完全可进行干切削加工。但是应该注意的是无论采取何种加工方式，都必须保证加工出来的零件能够满足使用要求。

在干切削过程中，如果采用涂层刀具，那么在切削加工中，不是刀具基体而是涂层与工件和切屑接触，刀具涂层对工件的加工表面质量有着直接的影响。

涂层本身的晶粒大小影响着工件的加工表面质量。传统的金刚石涂层都是由大颗粒金刚石组成的，这会造成被加工材料（如铝合金）的加工表面质量不高。目前，采用CVD技术，并选用适当的涂覆参数，可以得到表面粗糙度值小于1_μm的新型金刚石涂层。用以Co含量（质量分数）为6％的钨基硬质合金为基体材料并涂覆上述涂层的刀具加工铝合金，可以使铝合金的表面粗糙度值低于1_μm，大大改善了工件表面质量。

对于含有多种元素的涂层，由于其中各元素的含量不一样，加工工件的表面粗糙度也不一样。例如，采用Ti_1-x-yAl_xCr_yN涂层刀具钻削灰铸铁，钻削速度38.5m/min，进给量0.28mm/r。虽然同是使用TiAlCrN涂层，但由于涂层中的Ti、Al、Cr、N的含量不一样，则加工工件的表面粗糙度也不相同（见表3-26）。

表3-26 涂层元素含量不同时的加工表面粗糙度比较

7.切削加工仿真优化对刀具的选择

前述章节中对刀具材料性能、特点乃至应用的选择都做了较为详细的叙述，但随着近十年来不锈钢、钛合金、高温合金等难加工材料应用的增加，现代刀具已不局限于高速钢刀具和硬质合金刀具，涂层刀具越来越广泛地被应用，因此某种材料被切削时选择合适的刀具就变得尤为重要。材料切削性能的研究是一个包含众多影响因素的复杂过程，如果单纯依靠试验手段，不但耗时费力，增加生产成本，而且加工过程中的变形、温度、刀具磨损等也很难准确适时获知。随着计算机技术及其硬件的迅猛发展，有限元法的应用已经日趋完善。采用有限元法研究难加工材料的切削性能，针对工件材料优化刀具材料和切削参数的选择，也是一条很好的途径。

基于金属塑性成形有限元软件DEFORM-3D，利用有限元法对工件进行三维车削仿真研究。Deform分析制造工程实际问题的顺序如下：

1）定义工程实际问题，收集所需的数据。

2）生成FEM网格，生成一个DEFORM数据库。

3）进行仿真，处理仿真结果。

仿真采用四个节点组成的四面体单元来划分刀具网格。单元尺寸以35000个相对网格数来表示，为提高精度，还可以在刀尖处设定4∶1的尺寸比例来细化网格，也就是将刀尖处的网格在刀具网格粗划分的基础上再细化25％。

本实例刀具选用WC为基体，分别涂单层材料TiC、TiN、Al₂O₃、TiCN，加工ϕ50mm圆柱形不锈钢AISI-316h（美标，中国标准0Cr17Ni12Mo2）、钛合金Ti-6Al-4V（TC4）、高温合金IN718（美标，中国标准GH4169）、调质钢30CrNiMo8（2A）（德标，中国标准30Cr2Ni2Mo）材料，设置环境温度为20℃。

仿真时，固定刀具几何参数，仿真切削用量选择见表3-27。

表3-27 仿真切削用量

通过仿真和分析研究表明：四种难加工材料中钛合金Ti-6Al-4V切削力最小，其次是不锈钢AISI-316h，接着是调质钢30CrNiMo8（2A），而高温合金IN718的切削力最大；高温合金IN718的切削温度是最高的，不锈钢AISI-316h的切削温度是最低的。调质钢30CrNiMo8（2A）的切削温度稍高于切削钛合金Ti-6Al-4V时的切削温度。如果四种难加工材料分别用四把不同涂层刀具切削时，WC＋Al₂O₃涂层刀具表征出的切削力最小。表3-28～表3-33、图3-53和图3-54反映了四种难加工材料被四种不同涂层材料刀具切削时切削力大小和切削温度高低的情况。

表3-28 切削不锈钢时四种不同刀具材料对切削力的影响

由表3-28表明：切削不锈钢时，切削力的大小与刀具材料的硬度有关，在TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃中，他们的硬度分别为：3200HV、1950HV、3400HV、3000HV。随着刀具材料硬度的增大相应的切削力也随之变大。

表3-29 切削钛合金时四种不同刀具材料对切削力的影响

由表3-29表明：切削钛合金时，切削力的大小也与刀具材料的硬度有关，在TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃中，它们的硬度分别为：3200HV、1950HV、3400HV、3000HV。随着刀具材料硬度的减小相应的切削力也随之变小。

表3-30 切削高温合金时四种不同刀具材料对切削力的影响

由表3-30表明：切削高温合金时，切削力的大小与切削区在高温时的反应特性有关，在TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃中，它们的反应特性分别为：轻微、中等、较大、不反应。随着反应特性的加剧相应的切削力也随之变大。

表3-31 切削调质钢时四种不同刀具材料对切削力的影响

由表3-31表明：切削调质钢时，切削力的大小也与切削区在高温时的反应特性有关，在TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃中，它们的反应特性分别为：轻微、中等、较大、不反应。随着反应特性的加剧相应的切削力也随之变大。

表3-32 切削四种不同工件材料时对切削力的影响 （单位：N）

由表3-32表明：切削不锈钢AISI-316h、钛合金Ti-6Al-4V时，在四种刀具中均是选用WC＋TiN涂层刀具切削力最小；切削高温合金IN718、调质钢30CrNiMo8（2A）时，在四种刀具中均是选用WC＋Al₂O₃涂层刀具切削力最小。

表3-33 切削时，四种不同工件、刀具材料对切削温度的影响

图3-53 工件材料对切削力影响的比较

图3-54 工件材料对工件切削温度影响的比较

由表3-33表明：切削不锈钢AISI-316h时，在四种刀具中选用WC＋TiCN涂层刀具切削温度最低；切削不锈钢钛合金Ti-6Al-4V时，在四种刀具中均是选用WC＋TiN涂层刀具切削温度最低；切削高温合金IN718、调质钢30CrNiMo8（2A）时，在四种刀具中均是选用WC＋Al₂O₃涂层刀具切削温度最低。

由上述仿真结果可以看到，有限元仿真切削强大的生命力，用同样的方法也可以拟定目标，选择被加工材料理想的刀具和优化的切削参数。但仿真毕竟和实际切削过程有一定距离，所得参数和结果只是为实际应用提供方向，供参考。