金剛石薄膜涂層刀具的研究

本項目獲得以下幾方面成果1刻劃了R(3)中Hoffman-Mecks的一族嵌入極小曲面的一個特性，研究了5個端的Jorge-Mecks極小曲面的形變問題。2給出了混合型時空曲面的等溫參數(shù)存在的必要條件。3利用子流形理論研究了建立在黎曼流形上的非線性控制系統(tǒng)的能控能觀分解和反饋解耦問題，并應(yīng)用于飛機縱向運動控制系統(tǒng)。4研究了Lorenty流形上的非線性控制系統(tǒng)以及一些與黑洞問題密切相關(guān)的物理時空上的非線性控制系統(tǒng)，討論了各種物理時空結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的制約和影響。5研究了一般非線性控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題，并運用于不確定性機器人系統(tǒng)的研究。在本項目資助下共完成18篇論文，其中國內(nèi)外發(fā)表9篇，完成預(yù)期目標。此外有3名研究生，2名博士生參于了本項目研究。 2100433B

涂層刀具現(xiàn)狀

涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標志，在刀具中的使用比例已超過50%。切削加工中使用的各種刀具，包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

涂層刀具類別

涂層刀具有四種：涂層高速鋼刀具，涂層硬質(zhì)合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料（金剛石或立方氮化硼）刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料，目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度（可提高10%以上），可減少刀片的崩刃及破損，擴大應(yīng)用范圍。

涂層刀具新型涂層技術(shù)

Ti-Al-X-N新型涂層技術(shù)是利用氣相沉積方法在高強度工具基體表面涂覆幾微米高硬度、高耐磨性難熔Ti-Al-X-N涂層，從而達到減少刀具磨損，延長壽命，提高切削速度的目的。它是高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備國家重大專項課題取得的重要成果。

涂層刀具涂層方法

生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積（PVD) 法和化學(xué)氣相沉積（CVD) 法。前者沉積溫度為500℃，涂層厚度為2~5μm；后者的沉積溫度為900℃~1100℃，涂層厚度可達5~10μm，并且設(shè)備簡單，涂層均勻。因PVD法未超過高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般采用PVD法，硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時，由于其沉積溫度高，故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層（η相），導(dǎo)致刀片脆性破裂。近十幾年來，隨著涂覆技術(shù)的進步，硬質(zhì)合金也可采用PVD法。國外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù)，開發(fā)了復(fù)合的涂層工藝，稱為PACVD法（等離子體化學(xué)氣相沉積法）。即利用等離子體來促進化學(xué)反應(yīng)，可把涂覆溫度降至400℃以下（涂覆溫度已可降至180℃~200℃），使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會產(chǎn)生擴散、相變或交換反應(yīng)，可保持刀片原有的韌性。據(jù)報道，這種方法對涂覆金剛石和立方氮化硼（CBN）超硬涂層特別有效。

涂層刀具要求

用CVD法涂層時，切削刃需預(yù)先進行鈍化處理（鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm，切削刃強度隨鈍圓半徑增大而提高），故刃口沒有未涂層刀片鋒利。所以，對精加工產(chǎn)生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應(yīng)采用PVD法。涂層除可涂覆在普通切削刀片上外，還可涂覆到整體刀具上，已發(fā)展到涂覆在焊的硬質(zhì)合金刀具上。據(jù)報道，國外某公司在焊接式的硬質(zhì)合金鉆頭上采用了PCVD法，結(jié)果使加工鋼料時的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長10倍，效率提高5倍。

涂層刀具使用注意事項

涂層刀具的使用效果除與涂層方法及設(shè)備、涂層工藝和涂層材料有關(guān)外，還有以下情況應(yīng)加以注意：

一、涂前刀具的表面質(zhì)量 。被涂刀具表面應(yīng)是光亮的磨光面，刀具各工作表面上不得有銹斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷，要求刃口上無毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度應(yīng)達到Ra<0.8~1.25μm。表面粗糙度值愈小，涂層的結(jié)合度愈好。此外，刀具表面的清洗質(zhì)量也十分重要。

二、刀具基體材料。涂層刀具的基體材料與涂層材料應(yīng)合理匹配，須根據(jù)不同的加工要求選用。涂層高速鋼刀具的基體，既可用W₆Mo₅Cr₄V₂(M2)的通用型高速鋼，也可用含鈷的超硬高速鋼和粉末冶金高速鋼(PM HSS)或者是整體采用硬質(zhì)合金鎢鋼制成的　鎢鋼刀片。因粉末冶金的基體均勻，故使用效果好。加工鈦合金時，推薦用含鈷超硬高速鋼如W₂Mo₉Cr₄VCo₈(M42)作為刀具的基體材料。對于涂層滾刀，當(dāng)以正常切削速度(小于45m/min)加工齒輪時，崩刃是滾刀磨損的主要原因，因此應(yīng)選擇韌性較好的W₆Mo₅Cr₄V₂高速鋼作為刀具的基體材料；而在高速滾齒時(切削速度大于100m/min)，月牙洼磨損是滾刀磨損的主要原因，因此應(yīng)選用耐熱性和耐磨性較高的含鈷超硬高速鋼或CW₉Mo₃Cr₄VN高速鋼為刀具的基體材料。 涂層硬質(zhì)合金刀具的基體，在加工鋼材時，宜選擇加工鋼材的硬質(zhì)合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co類合金(P30用得較多)；加工鑄鐵和有色金屬時，宜選擇WC-Co類合金(K20用得較多)。 被加工材料的硬度及切削加工性，對涂層刀具的使用效果也有一定影響。試驗證實，涂層刀具最適于切削高硬度和耐磨合金一類難加工材料。

三、刀具的幾何角度。 由于涂層的潤滑性好，所以涂層刀具工作時常會在工件表面上打滑，為此涂層刀具上的后角應(yīng)比未涂層刀具的后角略大。實踐表明，對鉸刀等一類精加工刀具，加大后角后，可使刃口鋒利，切屑形成容易，打滑現(xiàn)象明顯減少，刀具的使用性能提高。

四、切削用量和切削液 。為了充分發(fā)揮涂層刀具的性能，必須正確選用切削用量和切削液。涂層刀具由于耐熱性好，抗月牙洼磨損能力強，故可采用較大進給量和切削速度工作，但首先應(yīng)選取較大進給量。通常涂層高速鋼刀具采用的進給量比未涂層刀具提高10%~100%，提高20%~30%的切削速度是合適的。為了提高工效，涂層硬質(zhì)合金刀具也可采用比未涂層刀具高25%~70%的切削速度進行切削。用涂層硬質(zhì)合金通用刀具加工中碳結(jié)構(gòu)鋼時的切削速度，立銑刀可達100~150m/min，鉆頭可達80~100m/min；絲錐加工鑄鐵為20~40m/min。 實踐證明，使用20號機械油加10%煤油冷卻時，可使涂層高速鋼鏜刀的壽命提高1~2倍。TiN涂層高速鋼滾刀加工20CrMnTi(197HBS)鋼制斜齒圓柱齒輪(模數(shù)m=5)時，使用20號機械油和煤油混合潤滑，刀具壽命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高2~3倍，干切時壽命僅提高1倍。 [pre]涂層刀具使用時還要求機床的精度好、剛性高和振動小，刀具或刀片的夾持也應(yīng)牢固。

涂層刀具是近20年出現(xiàn)的一種新型刀具，是刀具發(fā)展中的一項重要突破，是解決刀具材料中硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。涂層刀有4種，即涂層高速鋼刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料，目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上)，減少刀片的崩刃及破損，擴大應(yīng)用范圍。

刀具涂層制備技術(shù)可分為化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩大類。CVD技術(shù)可實現(xiàn)單成分單層及多成分多層復(fù)合涂層的沉積，涂層與基體結(jié)合強度較高，薄膜厚度較厚，可達7~9μm，具有很好的耐磨性。但CVD工藝溫度高，易造成刀具材料抗彎強度下降;涂層內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài)，易導(dǎo)致刀具使用時產(chǎn)生微裂紋。CVD技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的表面涂層。與CVD工藝相比，PVD工藝溫度低(最低可低至80℃)，在600℃以下時對刀具材料的抗彎強度基本無影響;薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，更適于對硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層;PVD工藝對環(huán)境無不利影響。PVD技術(shù)主要應(yīng)用于整體硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具的表面處理，且已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。