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1.前言

用于切削加工的機(jī)夾式刀片中，在硬質(zhì)合金母材的表面涂覆硬質(zhì)陶瓷涂層膜的材質(zhì)(下文統(tǒng)稱涂層材質(zhì))相比其他刀具 材質(zhì)能體現(xiàn)出更好的耐磨損性與耐崩損性的平衡，因此被使用的比率逐年上升，現(xiàn)在已占全體機(jī)夾式刀片材質(zhì)的70%(圖1)。

使用涂層材質(zhì)進(jìn)行切削加工的被削材中，有碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵等種類，其中以碳鋼、合金鋼為代表的鋼類又是汽車、鋼鐵、建機(jī)產(chǎn)業(yè)中最核心的被削材。

最近，機(jī)械加工部件為對(duì)應(yīng)多樣化的用途而呈少量多品種化，為對(duì)應(yīng)環(huán)保無鉛化(難削化)也在被推進(jìn)，并且切削加工參數(shù)還體現(xiàn)出干式切削化、高效率加工化等傾向。在此種嚴(yán)酷的切削環(huán)境下刀具被要求具有穩(wěn)定、高信賴性的特點(diǎn)。本公司開發(fā)了廣泛網(wǎng)羅鋼車削領(lǐng)域、可對(duì)應(yīng)上述需求的高速用材質(zhì)「ACE涂層?AC810P」，通用材質(zhì)「ACE涂層?AC820P」與重·斷續(xù)用材質(zhì)「ACE涂層?AC830P」，并開始了銷售。在此，就其開發(fā)經(jīng)緯及性能做如下報(bào)告。

2. AC810P、AC820P、AC830P的開發(fā)目標(biāo)和新技術(shù)

本公司的鋼件車削用涂層材質(zhì)的種類如圖2所示。鋼部件加工中的高速·連續(xù)加工～低速·斷續(xù)加工的所有領(lǐng)域皆由「AC810P」「AC820P」「AC830P」3種材質(zhì)所覆蓋?！窤C810P」是高速·連續(xù)加工時(shí)耐磨損性優(yōu)異的材質(zhì)，「AC820P」在3種材質(zhì)中位于中心的位置，是能覆蓋從中速領(lǐng)域的連續(xù)到斷續(xù)加工的廣泛領(lǐng)域的通用材質(zhì)?！窤C830P」是高強(qiáng)度的耐沖擊性優(yōu)異的重·斷續(xù)用材質(zhì)。

2-1 高速用材質(zhì)AC810P的開發(fā)目標(biāo)

我們從既存產(chǎn)品「AC700G」的客戶處回收了使用過的刀片并分析了損傷情況，發(fā)現(xiàn)大約一半為月牙洼磨損。所謂月牙洼磨損，如照片1所示，是刀具前刀面發(fā)生的損傷形態(tài)，主因?yàn)榍邢骷庸r(shí)的切屑擦過。伴隨著月牙洼磨損的進(jìn)展，將引起切削處理惡化、刃口強(qiáng)度降低所導(dǎo)致的崩損等情況。特別是鋼件連續(xù)車削時(shí)由于切屑不斷地與前刀面接觸，因摩擦熱導(dǎo)致刃口溫度上升。通常隨著溫度上升，硬質(zhì)合金母材與涂層膜的硬度會(huì)降低，從而月牙洼磨損的發(fā)展會(huì)有加速傾向。而高效率加工、干式加工時(shí)上述傾向則更為顯著，令月牙洼磨損成為最主要的損傷形態(tài)。為了提高耐月牙洼磨損性、降低與鋼的親和性，高溫下不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、阻熱性優(yōu)異的氧化鋁膜的厚膜化是重要技術(shù)。AC700G雖然在低速～中速領(lǐng)域有較好的耐磨損性，但由于氧化鋁膜較薄因此在高速加工領(lǐng)域經(jīng)常因月牙洼磨損導(dǎo)致達(dá)到壽命。因此我們將AC810P的開發(fā)目標(biāo)定為：高效率加工、干式加工時(shí)耐月牙洼磨損性為以往材質(zhì)AC700G的1.5倍以上。

2-2 通用材質(zhì)AC820P的開發(fā)目標(biāo)

為了明確其通用材質(zhì)的開發(fā)目標(biāo)，我們從客戶處回收了使用過的刀片，并對(duì)使用條件和損傷狀態(tài)進(jìn)行了調(diào)查。我們將從大約100個(gè)客戶處回收的刀片以切削速度和被削材為區(qū)分，調(diào)查了刀具壽命要因。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使用條件中，中碳鋼、滲碳鋼、軸承鋼的切削速度在250m/min以下的領(lǐng)域最多，超過了全體的半數(shù)，次之的是相同被削材的250m/min以上的領(lǐng)域，這2種使用條件占了全體的8成。在此種使用條件下影響刀具壽命的要因是涂層膜的微小崩損，占了超過半數(shù)，整體來看此種微小崩損的損傷也是最多的。據(jù)此結(jié)果，我們將通用材質(zhì)開發(fā)中最重要的課題定為減輕微小崩損，并將性能目標(biāo)定為耐崩損性達(dá)到以前材質(zhì)的1.5倍以上。另外，關(guān)于客戶呼聲很高的高效率加工，鑒于前刀面損傷占了近3成，為了在高效率加工下延長壽命，我們判斷對(duì)比以前材質(zhì)1.5倍以上的耐前刀面損傷性是必要的。

2-3 重?cái)嗬m(xù)材質(zhì)AC830P的開發(fā)目標(biāo)

被削材中含斷續(xù)部分的加工由于反復(fù)發(fā)生沖擊，令刀具突發(fā)性的發(fā)生崩損。另外，不僅是斷續(xù)加工，被削材的穩(wěn)定性(組織、硬度、表面粗糙度等)不好時(shí)，以及車床、治具、刀桿等裝夾自身的剛性較低時(shí)也會(huì)較容易發(fā)生突發(fā)性的刀具問題。其結(jié)果導(dǎo)致了刀具壽命的不穩(wěn)定性變大，需要不定期更換刀具，需要持續(xù)有人看管機(jī)床。理論上不會(huì)發(fā)生崩損的少量加工也需更換刀具，最終造成了生產(chǎn)性的低下與加工成本的增加。因此，我們將重·斷續(xù)用材質(zhì)的性能目標(biāo)定為耐崩損性達(dá)到以前材質(zhì)的2倍以上。

2-4 高速用材質(zhì)AC810P的開發(fā)

AC810P是由新開發(fā)的高強(qiáng)度厚膜氧化鋁與本公司獨(dú)有的CVD涂層膜「超級(jí)FF涂層?」所組成的(圖3)。

為了提高耐月牙洼磨損性，我們使用高精度分析儀器對(duì)月牙洼磨損形態(tài)做了詳細(xì)調(diào)查。發(fā)現(xiàn)氧化鋁膜強(qiáng)度低時(shí)，損傷發(fā)展并非呈磨損性，而是呈破壞性。若氧化鋁膜呈破壞性發(fā)展下去，損傷將加速進(jìn)展，因此厚膜化的效果在還未充足發(fā)揮時(shí)刀具即已達(dá)到了命。我們?yōu)榱颂岣咄繉幽ぷ陨淼男阅?，將結(jié)晶粒度進(jìn)行最適化，開發(fā)了可控制氧化鋁膜中龜裂經(jīng)路的高強(qiáng)度氧化鋁膜(圖4)，成功將前刀面損傷轉(zhuǎn)化為平滑的磨損性發(fā)展。而且通過將高強(qiáng)度氧化鋁最大限厚膜化，實(shí)現(xiàn)了耐月牙洼磨損性的大幅提高。

圖5表示了AC810P、以往產(chǎn)品AC700G、以及其他公司的P 1 0 級(jí)材質(zhì)的V – T 線圖。即使在低速、中速加工時(shí)A C 8 1 0 P 在達(dá)到V b = 0 . 2 0 m m 時(shí)的壽命也比其他公司長1 . 5倍，特別是在V=300m/min的高速條件下，AC810P可發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性。從圖5可以看出，AC810P與其他產(chǎn)品相比，在同條件下可達(dá)1.5倍以上的長壽命化，或者可提高10%的加工速度。通過對(duì)以往產(chǎn)品AC700G的市場(chǎng)調(diào)查，我們提出了另一個(gè)課題，即耐崩損性的提高。通過對(duì)崩損以及膜剝離的損傷結(jié)構(gòu)的解析，我們明白了損傷是從刃口棱線部為起點(diǎn)開始的。AC810P在涂覆了耐磨損性優(yōu)異的厚膜涂層的同時(shí)，為提高耐崩損性還采用了特殊表面處理。即，將作為崩損與膜剝離損傷起點(diǎn)的 刃口棱線部的氧化鋁膜進(jìn)行薄膜化，從而提高耐崩損性，成功克服了伴隨著厚膜涂層的欠缺。從圖6可以看出AC810P相比其他公司同級(jí)別材質(zhì)，耐崩損性達(dá)到1.5倍以上。

2-5 通用材質(zhì)AC820P的開發(fā)

AC820P是由新開發(fā)的硬質(zhì)合金母材與本公司獨(dú)有的CVD(Chemical vapor deposition)涂層膜「超級(jí)FF涂層?」所組成的(圖7)。

(1) 耐崩損性的提高

為了抑制微小崩損，必須保證涂層膜的強(qiáng)度。圖8所示為用以前技術(shù)涂層的TiCN膜和超級(jí)FF涂層技術(shù)成膜的TiCN膜的組織對(duì)比。超級(jí)FF涂層技術(shù)令TiCN膜的顆粒大幅微?；?，并且形成了非常微密且均一的組織，從而提高了TiCN膜的硬度并且提高了耐崩損性。另外，還采用了能夠?qū)?yīng)高效率加工、高溫穩(wěn)定性好的高硬度α型氧化鋁。以前的α型氧化鋁膜的顆粒度較大，表面也比較粗糙，因此隨之帶來了易粘屑、易產(chǎn)生小崩口的缺點(diǎn)。為了改善此欠缺，我們將CVD涂層條件進(jìn)行了最優(yōu)化，成功得到了表面粗糙度為以前1/2的平滑的α型氧化鋁(圖9)。

最終，我們成功提高了α型氧化鋁的耐崩損性。

(2) 耐前刀面損傷性的提高

除了TiCN膜和α型氧化鋁膜的高強(qiáng)度·平滑化，我們還將TiCN膜增厚至以前的1.3倍，氧化鋁膜增厚至原來的4倍，從而實(shí)現(xiàn)了耐磨損性的提高。圖6所示為高效率加工條件下的耐磨損性評(píng)價(jià)結(jié)果。我們對(duì)新開發(fā)的AC820P、以前材質(zhì)AC2000、和市售的其他公司的材質(zhì)進(jìn)行了耐磨損性對(duì)比。AC820P相比以前材質(zhì)與其他公司材質(zhì)皆達(dá)到了2倍以上的耐前刀面損傷性和耐后刀面磨損性。

(3)耐崩損性和耐磨損性的并存

雖然通過加厚涂層膜提高了耐磨損性，但是耐崩損性隨之降低。為了解決這個(gè)問題，我們新開發(fā)了去除作為崩損及剝離的損傷基點(diǎn)的刃口稜線部的氧化鋁膜的膜厚控制技術(shù)。從而成功令耐崩損性和耐磨損性得到并存。圖11所示為耐崩損性的評(píng)價(jià)結(jié)果。我們以刃口到達(dá)崩損時(shí)的沖擊次數(shù)來評(píng)價(jià)耐崩損性。AC820P相比以前材質(zhì)、其他公司材質(zhì)，耐崩損性達(dá)到了1.5倍以上。

2-6 重·斷續(xù)材質(zhì)AC830P的開發(fā)

在本領(lǐng)域使用的硬質(zhì)合金母材重視耐崩損性，因此結(jié)合劑Co的含量較多，約有10wt%，硬質(zhì)合金自身的尺寸精度有降低傾向。使用這種刀片時(shí)，刀尖的位置隨刀角更換變化較大從而導(dǎo)致加工精度低下，與刀桿的裝夾也不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性的崩損等影響刀具壽命的問題。為了實(shí)現(xiàn)加工精度及刀具壽命的穩(wěn)定化，我們并沒有減少AC830P中的Co含量，而是將組織及燒結(jié)條件做了最優(yōu)化處理，達(dá)成了相比以前2/3的刃口位置精度(圖12)，實(shí)現(xiàn)了加工精度及刀具壽命的穩(wěn)定化。

另外，AC830P是本公司獨(dú)有的CVD涂層「超級(jí)FF涂層?」，即采用了細(xì)微且平滑的TiCN膜和平滑的高耐粘屑性的K型氧化鋁膜的層積膜，相比以前的涂層大幅提高了耐磨損性和耐剝離性。而且，我們新開發(fā)了涂層膜的內(nèi)部應(yīng)力控制技術(shù)，成功降低了CVD涂層膜所特有的殘留擴(kuò)張應(yīng)力，耐崩損性相比以往材質(zhì)有了飛躍性的提高。

斷續(xù)切削時(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖13所示。我們用以往材質(zhì)AC3000和市售的以往刀具來與AC830P做對(duì)比，切削性能以達(dá)到崩損的沖擊次數(shù)來評(píng)價(jià)。測(cè)試結(jié)果顯示了AC830P相比以往材質(zhì)2倍以上的耐崩損性。

另外，低碳鋼的強(qiáng)斷續(xù)切削的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖14所示。以往刀具在走第20刀時(shí)即出現(xiàn)涂層膜剝離與磨損擴(kuò)散進(jìn)而達(dá)到刀具壽命，而AC830P在走了30刀后還保持良好的損傷形態(tài)。

因此，在斷續(xù)加工時(shí)AC830P更為適用，達(dá)成了相比以往材質(zhì)2倍以上的長壽命化。

3.高效率斷屑槽 GE型的開發(fā)

在開發(fā)通用、重·斷續(xù)材質(zhì)的同時(shí)，我們也開發(fā)了高速·高進(jìn)給等高效率加工時(shí)可大幅降低前刀面損傷的「GE型斷屑槽」。

3-1 GE型的特長

在著手GE型的開發(fā)之前，我們實(shí)施了再現(xiàn)實(shí)際前刀面損傷的模擬計(jì)算，確認(rèn)了應(yīng)力分布狀況。結(jié)論為：相比斷屑槽與切屑的接觸面小且集中的情況，接觸面分散且沖擊角度小的情況更能緩和應(yīng)力。我們以此想到了在高效率加工時(shí)降低前刀面損傷的方法，并且應(yīng)用到了GE型斷屑槽中(圖15)。

4. AC810P、AC820P、AC830P的切削性能

4-1 AC810P的切削性能

圖16為AC810P的使用實(shí)例。在進(jìn)給速度f=0.35～0.45mm/rev.的高進(jìn)給加工時(shí)，相比其他公司的P10材質(zhì)，在加工了1.4倍的距離時(shí)月牙洼磨損也較輕微，刃口損傷也比較穩(wěn)定。同時(shí)，V=400m/min的高速干式加工時(shí)，相比其他公司的P05材質(zhì)，在加工了1.4倍的距離時(shí)月牙洼磨損與后刀面磨損也較穩(wěn)定?？梢?，在相比P10等級(jí)對(duì)耐磨損性要求更高的P05等級(jí)領(lǐng)域中也顯示了優(yōu)異的耐磨損性。

4-2 AC820P的切削性能

圖17為AC820P的使用實(shí)例。耐崩損性、耐磨損性都得到了均衡提高。并且，AC820P與GE型的結(jié)合使用，在高進(jìn)給條件下也得出了良好的結(jié)果。

4-3 AC830P的切削性能

圖18展示了AC830P的使用實(shí)例。AC830P在強(qiáng)斷續(xù)加工時(shí)體現(xiàn)出了穩(wěn)定的長壽命。

5.結(jié)論

高速用材質(zhì)「ACE涂層?AC810P」是可對(duì)應(yīng)高效率加工等市場(chǎng)需求的長壽命材質(zhì)。通用材質(zhì)「ACE涂層?AC820P」是可對(duì)應(yīng)高效率加工等的市場(chǎng)需求，在廣泛加工參數(shù)下皆壽命穩(wěn)定的材質(zhì)。斷續(xù)用材質(zhì)「ACE涂層?AC830P」是在斷續(xù)加工、重切削加工參數(shù)下信賴性超群的材質(zhì)。我們確信由此3種材質(zhì)形成的「AC800P」系列定能在削減加工成本，提高生產(chǎn)性上做出貢獻(xiàn)。