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1.前言

用于切削加工的機夾式刀片中，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)在已占全體機夾式刀片材質(zhì)的70%(圖1)。

使用涂層材質(zhì)進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、建機產(chǎn)業(yè)中最核心的被削材。

最近，機械加工部件為對應(yīng)多樣化的用途而呈少量多品種化，為對應(yīng)環(huán)保無鉛化(難削化)也在被推進，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。本公司開發(fā)了廣泛網(wǎng)羅鋼車削領(lǐng)域、可對應(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)緯及性能做如下報告。

2. AC810P、AC820P、AC830P的開發(fā)目標和新技術(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。「AC810P」是高速·連續(xù)加工時耐磨損性優(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)。「AC830P」是高強度的耐沖擊性優(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

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)，主因為切削加工時的切屑擦過。伴隨著月牙洼磨損的進展，將引起切削處理惡化、刃口強度降低所導(dǎo)致的崩損等情況。特別是鋼件連續(xù)車削時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降低，從而月牙洼磨損的發(fā)展會有加速傾向。而高效率加工、干式加工時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)致達到壽命。因此我們將AC810P的開發(fā)目標定為：高效率加工、干式加工時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

為了明確其通用材質(zhì)的開發(fā)目標，我們從客戶處回收了使用過的刀片，并對使用條件和損傷狀態(tài)進行了調(diào)查。我們將從大約100個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，并將性能目標定為耐崩損性達到以前材質(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 重斷續(xù)材質(zhì)AC830P的開發(fā)目標

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，以及車床、治具、刀桿等裝夾自身的剛性較低時也會較容易發(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)有人看管機床。理論上不會發(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)的性能目標定為耐崩損性達到以前材質(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)的高強度厚膜氧化鋁與本公司獨有的CVD涂層膜「超級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月牙洼磨損形態(tài)做了詳細調(diào)查。發(fā)現(xiàn)氧化鋁膜強度低時，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，損傷將加速進展，因此厚膜化的效果在還未充足發(fā)揮時刀具即已達到了命。我們?yōu)榱颂岣咄繉幽ぷ陨淼男阅埽瑢⒔Y(jié)晶粒度進行最適化，開發(fā)了可控制氧化鋁膜中龜裂經(jīng)路的高強度氧化鋁膜(圖4)，成功將前刀面損傷轉(zhuǎn)化為平滑的磨損性發(fā)展。而且通過將高強度氧化鋁最大限厚膜化，實現(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 級材質(zhì)的V – T 線圖。即使在低速、中速加工時A C 8 1 0 P 在達到V b = 0 . 2 0 m m 時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1.5倍以上的長壽命化，或者可提高10%的加工速度。通過對以往產(chǎn)品AC700G的市場調(diào)查，我們提出了另一個課題，即耐崩損性的提高。通過對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開始的。AC810P在涂覆了耐磨損性優(yōu)異的厚膜涂層的同時，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的 刃口棱線部的氧化鋁膜進行薄膜化，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相比其他公司同級別材質(zhì)，耐崩損性達到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有的CVD(Chemical vapor deposition)涂層膜「超級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度。圖8所示為用以前技術(shù)涂層的TiCN膜和超級FF涂層技術(shù)成膜的TiCN膜的組織對比。超級FF涂層技術(shù)令TiCN膜的顆粒大幅微粒化，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。為了改善此欠缺，我們將CVD涂層條件進行了最優(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價結(jié)果。我們對新開發(fā)的AC820P、以前材質(zhì)AC2000、和市售的其他公司的材質(zhì)進行了耐磨損性對比。AC820P相比以前材質(zhì)與其他公司材質(zhì)皆達到了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。為了解決這個問題，我們新開發(fā)了去除作為崩損及剝離的損傷基點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價結(jié)果。我們以刃口到達崩損時的沖擊次數(shù)來評價耐崩損性。AC820P相比以前材質(zhì)、其他公司材質(zhì)，耐崩損性達到了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，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，會產(chǎn)生突發(fā)性的崩損等影響刀具壽命的問題。為了實現(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，達成了相比以前2/3的刃口位置精度(圖12)，實現(xiàn)了加工精度及刀具壽命的穩(wěn)定化。

另外，AC830P是本公司獨有的CVD涂層「超級FF涂層?」，即采用了細微且平滑的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)切削時的評價結(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做對比，切削性能以達到崩損的沖擊次數(shù)來評價。測試結(jié)果顯示了AC830P相比以往材質(zhì)2倍以上的耐崩損性。

另外，低碳鋼的強斷續(xù)切削的評價結(jié)果如圖14所示。以往刀具在走第20刀時即出現(xiàn)涂層膜剝離與磨損擴散進而達到刀具壽命，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AC830P更為適用，達成了相比以往材質(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，我們也開發(fā)了高速·高進給等高效率加工時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，我們實施了再現(xiàn)實際前刀面損傷的模擬計算，確認了應(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的使用實例。在進給速度f=0.35～0.45mm/rev.的高進給加工時，相比其他公司的P10材質(zhì)，在加工了1.4倍的距離時月牙洼磨損也較輕微，刃口損傷也比較穩(wěn)定。同時，V=400m/min的高速干式加工時，相比其他公司的P05材質(zhì)，在加工了1.4倍的距離時月牙洼磨損與后刀面磨損也較穩(wěn)定。可見，在相比P10等級對耐磨損性要求更高的P05等級領(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的使用實例。AC830P在強斷續(xù)加工時體現(xiàn)出了穩(wěn)定的長壽命。

5.結(jié)論

高速用材質(zhì)「ACE涂層?AC810P」是可對應(yīng)高效率加工等市場需求的長壽命材質(zhì)。通用材質(zhì)「ACE涂層?AC820P」是可對應(yīng)高效率加工等的市場需求，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。