模具加工刀具材料选择的思量(上)

    为加工模具和模板选择最有利的加工材料和工具本身的设计一样重要，因为材料涉及工具的可加工性、硬度和期望的表面光洁度。模具和模板中的新材料、材料硬化的新涂料、预硬化处理材料和混合材料的使用等等让制造工程师在最佳切割工具的选择上感到莫衷一是。 

    新的硬质合金球刀，尤其是铣法中使用的球刀，已经改进了其快速并有效地敷设模槽、进行模具削方、勾边以及仿形切削和精加工的能力。能够使用大范围不同刀片几何图形的多功能铣刀的发展现在允许所有类型的铣加工由一个刀片来完成——这样能够获得更大的灵活性，降低成本。 

    一些新的定型铣削系统设计甚至允许用户只改变不同长度调节器刀柄来提供通用性，再加上利用感应加热、夹具及收缩安装切割工具等性能优点的新“收缩配合”夹具技术，深槽工具的同心度和刚性被大大地改善了。这些改进措施给模具制造商提供了比以前能够获得的更好的金属切割选择范围。这里的选项非常多，比如，碳化物刀片制造商拥有20多种不同的碳化物刀片基底，这些碳化物基底能够涂上钛氮化物（TiN）、钛碳氮化物（TiCN）、钛碳化物（TiC）、铝氧化物（Al2O3）、锆碳氮化物（ZrCN）、钛铝氮化物（TiAIN）或者铝钛氮化物等。这些涂料单独涂敷，也可以通过物理涂敷工艺（PVD）或者化学涂敷工艺（CVD）或者允许涂敷70%超薄层的多层CVD工艺混合涂敷。 

    涂料确实在很大程度上改善了磨损阻力、增加了工具寿命并使更高的速度和进料成为可能。PVD和CVD涂料因涂敷的工艺温度不同而有区别。PVD工艺是一种低温工艺，它提供摩擦系数很低的更精细的断裂阻力涂料颗粒结构。因此，有PVD涂层的刀片刃口更锋利。 

    现在，在这个选择清单中又增加了几种陶瓷材料，这时就会发现恰当的选择实际上是多么困难。因此，首先考虑在什么地方为什么发生了刀片故障以及加工不同模具材料一些的一些基本要求，这些可以为具体刀片类型的选择作出参考。 

    故障分析 

    模具制造中所使用的切割工具刀片主要的故障情况是热断裂，然后是裂缝周围的腐蚀、轧件材料（与焊接在工具刀片边上的材料相似）的堆积，最后是边碎裂。轧件材料像H11、H13、D2和A2工具钢容易导致热断裂和工具边的碎裂。 

    机加工过程中使用冷却剂和高给料速度增强了热断裂。传统的CVD涂层碳化物工具通常只局限于对付热断裂阻力。传统的CVD涂料像TiC、TiCN和TiN能提供有限的热阻隔性能但是却有高稳定性、抗氧化和抗化学物的性能。Al2O3或者AlO3/ZrO2合成氧化物涂料可以提供增强了的化学抗磨损能力以及隔热保护能力。这些类型的涂料的不利面是它们有限的断裂韧度特性。通常抗拉应力在高温（～1000℃）CVD涂料中较高。 

    在和氧化物涂层结合使用时，中温（～850℃）多层MTCVD涂料像TiCN或者ZrCN 的抗拉应力较小并且更适合于综合断裂韧度、抗磨蚀阻力、抗化学物磨损和抗热断裂等性能。 
    在过去的5年中，使用以TiAIN合成物为基础的PVD涂料有很多好处。这些类型PVD涂料的高抗氧化性能、高化学稳定性、高热硬度和增强了的隔热性能促进了其在高速（1,000-1,500sfm）机加工领域的使用。毫无疑问，使用PVD TiAIN涂料提高了机加工的生产率。