滚齿刀具涂层选择方法

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齿轮传动是工业关键部件。齿轮作为工业的象征，被镶嵌在国徽上，齿轮传动行业是机械工业基础件中最大的行业，产业规模超过1000亿元。滚齿是目前应用最广泛的一种高效切齿方法。它可以加工渐开线齿轮、圆弧齿轮、摆线齿轮、链轮、蜗轮和包络蜗杆等。对齿轮滚刀进行正确的表面涂层处理可以提高刀具寿命，减少加工循环时间，提升加工表面质量。但是，根据加工需要正确选择刀具涂层有可能是一件令人困惑和费劲的工作。

目前已有许多种适合齿轮刀具的PVD涂层可供选择，本文将介绍涂层的基本属性以及一些常用的PVD选择方案，结合滚齿加工不同工况来具体阐述选择涂层的基本原则。

1.涂层的特性

（1）硬度

涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。氮碳化钛（TiCN）涂层比氮化钛（TiN）涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为HV3000-4000（取决于制造商）。

（2）耐磨性

耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。

（3）表面性

高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比，表面性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。

（4）氧化温度

氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAIN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAIN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传人工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高。

（5）抗粘结性

涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属（如铝、黄铜等）时，刀具上经常会产生积屑瘤（BUE），从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起到很好的作用。

2. 常用的涂层

（1）氮化钛涂层TiN

TiN是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。

（2）氮碳化钛涂层TiCN

TiCN涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面性，是高速钢刀具的理想涂层。

（3）氮铝钛或氨钛铝涂层（TiAIN/AITiN）

涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。 根据涂层中所含铝和钛的比例不同，AlTiN涂层可提供比TiAIN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又—个可行的涂层选择。

（4） 氮铬铝涂层（AlCrN）

Cr基涂层良好的抗粘结性使其在容易产生积屑瘤的加工中成为首选涂层。涂覆了这种几乎无形的涂层后，高速钢刀具或硬质合金刀具和成形工具的加工性能将会大大改善。AlCrN中Al成分的存在使涂层的红硬性增加，在高温下维持高硬度。

综上，从TiN到AlCrN，涂层耐高温能力越高。低速铸铁材料的加工适合使用TiCN涂层，当线速度小于100m/min时适合使用TiN涂层，100-300m/min时适合TiAlN涂层，超过300m/min使用AlCrN涂层。当然在干切削时会产生更多热量，适合使用更高级别的涂层。

总之，实现涂层的高性价比应用可能取决于许多因素，但对于每种特定的加工应用条件而言，根据其切削速度选择适合的涂层非常重要。低速条件下使用红硬性高或抗粘结性好的Al基或Cr基涂层增加成本并不能带来刀具寿命的大量提升。■