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车削用涂层材质 ACE涂层®AC800P系列的开发

点击数:6922014-10-11 17:09:15 来源: 住友刀具

1.前言

  用于切削加工的机夹式刀片中,在硬质合金母材的表面涂覆硬质陶瓷涂层膜的材质(下文统称涂层材质)相比其他刀具 材质能体现出更好的耐磨损性与耐崩损性的平衡,因此被使用的比率逐年上升,现在已占全体机夹式刀片材质的70%(图1)。

图1 机夹式刀片按材质分类的出货比例(日本)[1]

  使用涂层材质进行切削加工的被削材中,有碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁等种类,其中以碳钢、合金钢为代表的钢类又是汽车、钢铁、建机产业中最核心的被削材。

  最近,机械加工部件为对应多样化的用途而呈少量多品种化,为对应环保无铅化(难削化)也在被推进,并且切削加工参数还体现出干式切削化、高效率加工化等倾向。在此种严酷的切削环境下刀具被要求具有稳定、高信赖性的特点。本公司开发了广泛网罗钢车削领域、可对应上述需求的高速用材质「ACE涂层®AC810P」,通用材质「ACE涂层®AC820P」与重·断续用材质「ACE涂层®AC830P」,并开始了销售。在此,就其开发经纬及性能做如下报告。

2. AC810P、AC820P、AC830P的开发目标和新技术

  本公司的钢件车削用涂层材质的种类如图2所示。钢部件加工中的高速·连续加工~低速·断续加工的所有领域皆由「AC810P」「AC820P」「AC830P」3种材质所覆盖。「AC810P」是高速·连续加工时耐磨损性优异的材质,「AC820P」在3种材质中位于中心的位置,是能覆盖从中速领域的连续到断续加工的广泛领域的通用材质。「AC830P」是高强度的耐冲击性优异的重·断续用材质。

图2 钢件车削用涂层材质的种类与使用领域

2-1 高速用材质AC810P的开发目标

  我们从既存产品「AC700G」的客户处回收了使用过的刀片并分析了损伤情况,发现大约一半为月牙洼磨损。所谓月牙洼磨损,如照片1所示,是刀具前刀面发生的损伤形态,主因为切削加工时的切屑擦过。伴随着月牙洼磨损的进展,将引起切削处理恶化、刃口强度降低所导致的崩损等情况。特别是钢件连续车削时由于切屑不断地与前刀面接触,因摩擦热导致刃口温度上升。通常随着温度上升,硬质合金母材与涂层膜的硬度会降低,从而月牙洼磨损的发展会有加速倾向。而高效率加工、干式加工时上述倾向则更为显著,令月牙洼磨损成为最主要的损伤形态。为了提高耐月牙洼磨损性、降低与钢的亲和性,高温下不易发生化学反应、阻热性优异的氧化铝膜的厚膜化是重要技术。AC700G虽然在低速~中速领域有较好的耐磨损性,但由于氧化铝膜较薄因此在高速加工领域经常因月牙洼磨损导致达到寿命。因此我们将AC810P的开发目标定为:高效率加工、干式加工时耐月牙洼磨损性为以往材质AC700G的1.5倍以上。

照片1

2-2 通用材质AC820P的开发目标

  为了明确其通用材质的开发目标,我们从客户处回收了使用过的刀片,并对使用条件和损伤状态进行了调查。我们将从大约100个客户处回收的刀片以切削速度和被削材为区分,调查了刀具寿命要因。调查发现,使用条件中,中碳钢、渗碳钢、轴承钢的切削速度在250m/min以下的领域最多,超过了全体的半数,次之的是相同被削材的250m/min以上的领域,这2种使用条件占了全体的8成。在此种使用条件下影响刀具寿命的要因是涂层膜的微小崩损,占了超过半数,整体来看此种微小崩损的损伤也是最多的。据此结果,我们将通用材质开发中最重要的课题定为减轻微小崩损,并将性能目标定为耐崩损性达到以前材质的1.5倍以上。另外,关于客户呼声很高的高效率加工,鉴于前刀面损伤占了近3成,为了在高效率加工下延长寿命,我们判断对比以前材质1.5倍以上的耐前刀面损伤性是必要的。

2-3 重断续材质AC830P的开发目标

  被削材中含断续部分的加工由于反复发生冲击,令刀具突发性的发生崩损。另外,不仅是断续加工,被削材的稳定性(组织、硬度、表面粗糙度等)不好时,以及车床、治具、刀杆等装夹自身的刚性较低时也会较容易发生突发性的刀具问题。其结果导致了刀具寿命的不稳定性变大,需要不定期更换刀具,需要持续有人看管机床。理论上不会发生崩损的少量加工也需更换刀具,最终造成了生产性的低下与加工成本的增加。因此,我们将重·断续用材质的性能目标定为耐崩损性达到以前材质的2倍以上。

2-4 高速用材质AC810P的开发

  AC810P是由新开发的高强度厚膜氧化铝与本公司独有的CVD涂层膜「超级FF涂层®」所组成的(图3)。

图3 AC810P的截面图

  为了提高耐月牙洼磨损性,我们使用高精度分析仪器对月牙洼磨损形态做了详细调查。发现氧化铝膜强度低时,损伤发展并非呈磨损性,而是呈破坏性。若氧化铝膜呈破坏性发展下去,损伤将加速进展,因此厚膜化的效果在还未充足发挥时刀具即已达到了命。我们为了提高涂层膜自身的性能,将结晶粒度进行最适化,开发了可控制氧化铝膜中龟裂经路的高强度氧化铝膜(图4),成功将前刀面损伤转化为平滑的磨损性发展。而且通过将高强度氧化铝最大限厚膜化,实现了耐月牙洼磨损性的大幅提高。

图4 高强度氧化铝的特性

  图5表示了AC810P、以往产品AC700G、以及其他公司的P 1 0 级材质的V – T 线图。即使在低速、中速加工时A C 8 1 0 P 在达到V b = 0 . 2 0 m m 时的寿命也比其他公司长1 . 5倍,特别是在V=300m/min的高速条件下,AC810P可发挥优异的耐磨损性。从图5可以看出,AC810P与其他产品相比,在同条件下可达1.5倍以上的长寿命化,或者可提高10%的加工速度。通过对以往产品AC700G的市场调查,我们提出了另一个课题,即耐崩损性的提高。通过对崩损以及膜剥离的损伤结构的解析,我们明白了损伤是从刃口棱线部为起点开始的。AC810P在涂覆了耐磨损性优异的厚膜涂层的同时,为提高耐崩损性还采用了特殊表面处理。即,将作为崩损与膜剥离损伤起点的 刃口棱线部的氧化铝膜进行薄膜化,从而提高耐崩损性,成功克服了伴随着厚膜涂层的欠缺。从图6可以看出AC810P相比其他公司同级别材质,耐崩损性达到1.5倍以上。

图5 AC810P的高速V-T线图
图6 断续加工时AC810P的耐崩损性

2-5 通用材质AC820P的开发

  AC820P是由新开发的硬质合金母材与本公司独有的CVD(Chemical vapor deposition)涂层膜「超级FF涂层®」所组成的(图7)。

图7 AC820P的截面图

(1) 耐崩损性的提高

  为了抑制微小崩损,必须保证涂层膜的强度。图8所示为用以前技术涂层的TiCN膜和超级FF涂层技术成膜的TiCN膜的组织对比。超级FF涂层技术令TiCN膜的颗粒大幅微粒化,并且形成了非常微密且均一的组织,从而提高了TiCN膜的硬度并且提高了耐崩损性。另外,还采用了能够对应高效率加工、高温稳定性好的高硬度α型氧化铝。以前的α型氧化铝膜的颗粒度较大,表面也比较粗糙,因此随之带来了易粘屑、易产生小崩口的缺点。为了改善此欠缺,我们将CVD涂层条件进行了最优化,成功得到了表面粗糙度为以前1/2的平滑的α型氧化铝(图9)。

图8 超级FF涂层TM“FF-TiCN”的特长

图9 超级FF涂层TM“FF-α型氧化铝”的特长

  最终,我们成功提高了α型氧化铝的耐崩损性。

(2) 耐前刀面损伤性的提高

  除了TiCN膜和α型氧化铝膜的高强度·平滑化,我们还将TiCN膜增厚至以前的1.3倍,氧化铝膜增厚至原来的4倍,从而实现了耐磨损性的提高。图6所示为高效率加工条件下的耐磨损性评价结果。我们对新开发的AC820P、以前材质AC2000、和市售的其他公司的材质进行了耐磨损性对比。AC820P相比以前材质与其他公司材质皆达到了2倍以上的耐前刀面损伤性和耐后刀面磨损性。

图10 连续·高进给加工时的耐磨损性切削结果

(3)耐崩损性和耐磨损性的并存

  虽然通过加厚涂层膜提高了耐磨损性,但是耐崩损性随之降低。为了解决这个问题,我们新开发了去除作为崩损及剥离的损伤基点的刃口稜线部的氧化铝膜的膜厚控制技术。从而成功令耐崩损性和耐磨损性得到并存。图11所示为耐崩损性的评价结果。我们以刃口到达崩损时的冲击次数来评价耐崩损性。AC820P相比以前材质、其他公司材质,耐崩损性达到了1.5倍以上。

图11 断续加工时的耐崩损性切削结果

2-6 重·断续材质AC830P的开发

  在本领域使用的硬质合金母材重视耐崩损性,因此结合剂Co的含量较多,约有10wt%,硬质合金自身的尺寸精度有降低倾向。使用这种刀片时,刀尖的位置随刀角更换变化较大从而导致加工精度低下,与刀杆的装夹也不稳定,会产生突发性的崩损等影响刀具寿命的问题。为了实现加工精度及刀具寿命的稳定化,我们并没有减少AC830P中的Co含量,而是将组织及烧结条件做了最优化处理,达成了相比以前2/3的刃口位置精度(图12),实现了加工精度及刀具寿命的稳定化。

图12 刃口位置精度

  另外,AC830P是本公司独有的CVD涂层「超级FF涂层®」,即采用了细微且平滑的TiCN膜和平滑的高耐粘屑性的K型氧化铝膜的层积膜,相比以前的涂层大幅提高了耐磨损性和耐剥离性。而且,我们新开发了涂层膜的内部应力控制技术,成功降低了CVD涂层膜所特有的残留扩张应力,耐崩损性相比以往材质有了飞跃性的提高。

断续切削时的评价结果如图13所示。我们用以往材质AC3000和市售的以往刀具来与AC830P做对比,切削性能以达到崩损的冲击次数来评价。测试结果显示了AC830P相比以往材质2倍以上的耐崩损性。

图13 断续加工时的切削结果

  另外,低碳钢的强断续切削的评价结果如图14所示。以往刀具在走第20刀时即出现涂层膜剥离与磨损扩散进而达到刀具寿命,而AC830P在走了30刀后还保持良好的损伤形态。

图14 低合金钢的强断续加工切削结果

  因此,在断续加工时AC830P更为适用,达成了相比以往材质2倍以上的长寿命化。

3.高效率断屑槽 GE型的开发

  在开发通用、重·断续材质的同时,我们也开发了高速·高进给等高效率加工时可大幅降低前刀面损伤的「GE型断屑槽」。

3-1 GE型的特长

  在着手GE型的开发之前,我们实施了再现实际前刀面损伤的模拟计算,确认了应力分布状况。结论为:相比断屑槽与切屑的接触面小且集中的情况,接触面分散且冲击角度小的情况更能缓和应力。我们以此想到了在高效率加工时降低前刀面损伤的方法,并且应用到了GE型断屑槽中(图15)。

图15 以往产品与GE型的模拟结果和损伤

4. AC810P、AC820P、AC830P的切削性能

4-1 AC810P的切削性能

  图16为AC810P的使用实例。在进给速度f=0.35~0.45mm/rev.的高进给加工时,相比其他公司的P10材质,在加工了1.4倍的距离时月牙洼磨损也较轻微,刃口损伤也比较稳定。同时,V=400m/min的高速干式加工时,相比其他公司的P05材质,在加工了1.4倍的距离时月牙洼磨损与后刀面磨损也较稳定。可见,在相比P10等级对耐磨损性要求更高的P05等级领域中也显示了优异的耐磨损性。


图16 AC810P的使用实例


4-2 AC820P的切削性能

  图17为AC820P的使用实例。耐崩损性、耐磨损性都得到了均衡提高。并且,AC820P与GE型的结合使用,在高进给条件下也得出了良好的结果。

图17 AC820P的使用实例

4-3 AC830P的切削性能

  图18展示了AC830P的使用实例。AC830P在强断续加工时体现出了稳定的长寿命。

图18 AC830P的使用实例

5.结论

  高速用材质「ACE涂层®AC810P」是可对应高效率加工等市场需求的长寿命材质。通用材质「ACE涂层®AC820P」是可对应高效率加工等的市场需求,在广泛加工参数下皆寿命稳定的材质。断续用材质「ACE涂层®AC830P」是在断续加工、重切削加工参数下信赖性超群的材质。我们确信由此3种材质形成的「AC800P」系列定能在削减加工成本,提高生产性上做出贡献。