由 于制造机械产品零部件的某些材料具有高硬度、高强度、高塑性和高韧性、低塑性和高脆性、低导 热性或含有微观硬质点及硬夹杂物、化学性质过于活泼等特性，很难进行加工，因而称之为难加工材料。对这些难加工材料进行切削加工也称难切削加工。难切削加 工是当前切削加工技术中亟待重点突破的关键问题。为解决这一问题，除改善材料的加工性能和探索新的加工方法外，提高对难加工材料的切削加工技术水平是行之 有效的方法。从切削加工刀具的角度考虑，提高对难加工材料的切削加工技术水平有研究难加工材料的切削机理和优化切削参数、采用新的刀具材料、改进刀具结 构、提高刀具表面涂层性能等技术路径。本文针对高硬度难加工材料，从刀具表面涂层着手，用不同涂层材料的整体硬质合金立铣刀进行切削实验，比较涂层的性 能，并通过适应淬硬钢切削加工的涂层立铣刀的应用例，探索对高硬度金属材料进行高速铣削加工的方法。１适合淬硬钢铣削加工的刀具材料淬硬钢本身硬度高（＞ ５０ＨＲＣ），对切削刀具的要求极为苛刻，故常采用硬质合金、陶瓷或ＣＢＮ刀具加工。由于ＣＢＮ价格高且韧性不好，陶瓷的抗冲韧性差、抗弯强度小，对断续 切削不太适应，进给速度范围低，因而较少用于切除率大的淬硬钢铣削加工。更多的、更经济的方法是采用各种新型硬质合金材质的立铣刀。新型硬质合金有添加 钽、铌元素的ＷＣ基合金、细晶粒和超细晶粒ＷＣ基合金、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基合金、涂层和添加稀土元素的硬质合金等，其性能特点见表１。表１各类新型硬质合金 的特性添加钽、铌的基合金（ＷＣ）与不添加者比，提高常温硬度、高温强度与硬度。在Ｐ类合金中添加钽、铌，可形成Ｍ类合金；多加钽和钴的含量，则形成韧性 强的铣削牌号合金。细晶粒和超细晶粒基合金（ＷＣ）细化晶粒，可提高硬度和耐磨性；适当增加钴含量，还可提高韧性；细晶粒尺寸１～２μｍ，超细晶粒尺寸 ０．５μｍ以下。ＴｉＣ基、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基合金与ＷＣ基合金比，它以Ｎｉ－Ｍｏ为粘结剂，比重小；ＴｉＣ基合金对钢的摩擦系数小，耐磨性好；Ｔｉ（Ｃ， Ｎ）基合金性能近似于ＴｉＣ基，强度、抗塑变性能胜之。涂层硬质合金用ＣＶＤ法涂层，采用韧性好的基体，耐磨性好的表层（ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３）； 与未涂层合金比，可提高切削速度和刀具使用寿命、切削力亦可降低。添加稀土元素合金与不添加者比，有效地提高了合金的韧性；耐磨性有所提高；对钢的摩擦系 数小。２涂层材料与切削性能比较２．１涂层材料特性刀具涂层技术在国际上自７０年代实用化以来，已从单层涂层、多层涂层或复合涂层进入了多元超薄复合多层 涂层的新阶段。新开发的ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ多元超薄复合涂层与ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３等涂层的多层涂覆，加上新型硬质合金基体，在改善涂层的韧性、 涂层与基体的结合强度以及提高涂层的耐磨性方面取得了显著成就，实现了对淬硬钢的铣削加工。各种常用涂层的基本特性见表２。对立铣刀而言，一般认为ＴｉＮ 涂层在中、低速切削范围有良好的切削性能。再加上ＴｉＮ涂层的工艺性好、应用范围广，很早以前就开始用于立铣刀。ＴｉＣＮ涂层在高速切削范围比ＴｉＮ涂层 好，但如果切削速度进一步提高，切削性能会显著下降。ＴｉＡｌＮ涂层在超高速切削范围，切削性能随切削速度的提高而下降的速率最为缓慢。表２各种常用涂层 的基本特性涂层颜色表面硬度氧化开始温度密着强度特点ＴｉＮ金黄色２０００（ＨＶ）６００℃很好热膨胀系数和高速钢相近，与高速钢的附着力好。ＴｉＣ灰色 ３０００（ＨＶ）４００℃ 一般表面硬度虽然高，但附着力和耐热性比较低。实际应用中多与ＴｉＮ涂层一起构成复合涂层，以充分发挥耐久性好的特点。ＴｉＣＮ紫红色２７００（ＨＶ） ４５０℃好具有ＴｉＮ的密着强度好和ＴｉＣ的耐磨性好的优点，硬度比ＴｉＮ高，且摩擦系数小，对粘结性有一定的抑制作用。ＴｉＡｌＮ紫黑色２８００ （ＨＶ）８００℃很好附着力比ＴｉＮ涂层大，耐热性优，氧化开始温度高，所以适合于高速加工及高硬度钢加工。２．２切削性能比较为确认不同涂层对立铣刀切 削性能的实际影响，对无涂层、ＴｉＮ涂层、ＴｉＣＮ及ＴｉＡｌＮ复合涂层４种６ｍｍ的两刃平头形整体硬质合金立铣刀进行对比切削实验。实验中，切削机床 使用ＮＣ铣床，被切削材料采用ＪＩＳＳＫＤ１１（相当于ＧＢＣｒ１２Ｍｏ１Ｖ冷作模具钢），硬度为１８ＨＲＣ，其切削方式、切削参数和切削实验结果如表３ 所示。表３各种涂层立铣刀的切削性能由实验结果看出，用整体硬质合金立铣刀切削ＳＫＤ１１（１８ＨＲＣ）时，随涂层材料的不同，切削性能有很大差异。以无 涂层时的切削性能为１，无涂层与各种不同涂层之间的性能比为：无涂层∶ＴｉＮ涂层∶ＴｉＣＮ复合涂层∶ＴｉＡｌＮ复合涂层≈１∶２∶３∶６因而，可以认 为：硬质合金立铣刀实施涂层后，提高了立铣刀的切削性能，在上述３种涂层中ＴｉＡｌＮ复合的性能最好。３高硬度材料切削加工实验表４是采用日本ＯＳＧ公司 生产的ＦＸＳ－ＥＭＳ１０立铣刀对淬硬钢进行切削加工的实验例。该立铣刀为整体硬质合金，刀具材料采用超细晶粒硬质合金，硬度大于９２．７ＨＲＡ，抗弯 强度大于２４５０Ｎ／ｍｍ２。表面涂层采用ＦＸ涂层，即用物理气相沉积法（ＰＶＤ）涂覆的ＴｉＡｌＮ复合涂层。切削实验采用的被切削材料为 ＪＩＳＳＫＤ１１，实验时材料硬度为６０ＨＲＣ。表４用ＦＸ涂层立铣刀铣削加工淬硬钢的实验通过实验我们发现：不管是顺铣还是逆铣，在 ５０～７０ｍ／ｍｉｎ的切削速度附近，均不同程度地出现颤振，这可能是因为低速时切削力过大，机床刚性不足或切削振动接近机床固有振频所致。另一方面，从 颤振的程度上看，逆铣较高，这可能是由于逆铣时切削力垂直分力的大小和方向变化大，夹具刚性不是足够大的缘故。从刀具使用后的磨损情况看，采用顺铣方式 时，刀具的磨损量较小。４结束语通过以上实验和分析证明：（１）整体硬质合金立铣刀采用ＴｉＮ涂层、ＴｉＣＮ复合涂层或ＴｉＡｌＮ复合涂层后，刀具寿命分 别是无涂层时的２倍、３倍和６倍。（２）采用ＦＸＳ－ＥＭＳ１０立铣刀对ＨＲＣ６０的淬硬钢进行切削加工时，切削速度在１００～１８０ｍ／ｍｉｎ范围内 有良好的切削性能和较高的效率。（３）从刀具的寿命考虑，高速切削高硬度材料时采用顺铣比逆铣好。（４）在切削淬硬钢时，除需较好的刀具外，机床的刚性和 刀具的安装精度对切削性能有很大影响。硬质合金立铣刀涂层材料与切削性能实验@张祥永@李殿超@曹西京$北京理工大学机电一体化中心表面涂层，硬质合金刀 具，铣削加工，难切削加工讨论了难加工材料的切削加工问题及硬质合金立铣刀的材料与涂层技术，针对淬硬钢的铣削加工，通过切削实验，比较了硬质合金立铣刀 不同涂层材料的切削性能，探索了适合高硬度金属材料高速切削的加工方法。１于启勋，庞思勤．切削技术与刀具的最新发展．第七届全国生产工程学术大会暨现代 制造技术论文集（Ｐ９１～９８）．大连理工大学出版社，１９９５．１０２韩荣第，于启勋主编．难加工材料切削加工．北京：机械工业出版社，１９９６． １１３杨广勇，王育民编著，金属切削原理与刀具．北京：北京理工大学出版社，１９９４．０８Ｓ１０立铣刀对淬硬钢进行切削加工的实验例。该立铣刀为整体 硬质合金，刀具材料采用超细晶粒硬质合金，硬度大于９２．７ＨＲＡ，抗弯强度大于２４５０Ｎ／ｍｍ２。表面涂层采用ＦＸ涂层，即用物理气相沉积法 （ＰＶＤ）涂覆的ＴｉＡｌＮ复合涂层。切削实验采用的被切削材料为ＪＩＳＳＫＤ１１，实验时材料硬度为６０ＨＲＣ。表４用ＦＸ涂层立铣刀铣削加工淬硬钢的 实验通过实验我们发现：不管是顺铣还是逆铣，在５０～７０ｍ／ｍｉｎ的切削速度附近，均不同程度地出现颤振，这可能是因为低速时切削力过大，机床刚性不足 或切削振动接近机床固有振频所致。另一方面，从颤振的程度上看，逆铣较高，这可能是由于逆铣时切削力垂直分力的大小和方向变化大，夹具刚性不是足够大的缘 故。从刀具使用后的磨损情况看，采用顺铣方式时，刀具的磨损量较小。４结束语通过以上实验和分析证明：（１）整体硬质合金立铣刀采用ＴｉＮ涂层、ＴｉＣＮ 复合涂层或ＴｉＡｌＮ复合涂层后，刀具寿命分别是无涂层时的２倍、３倍和６倍。（２）采用ＦＸＳ－ＥＭＳ１０立铣刀对ＨＲＣ６０的淬硬钢进行切削加工 时，切削速度在１００～１８０ｍ／ｍｉｎ范围内有良好的切削性能和较高的效率。（３）从刀具的寿命考虑，高速切削高硬度材料时采用顺铣比逆铣好。（４）在 切削淬硬钢时，除需较好的刀具外，机床的刚性和刀具的安装精度对切削性能 有很大影响。
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