滚刀及涂层

近年来在齿轮生产中减少/取消使用切削液运动已经兴起，在铸铁件切割加工方面已经是比较普遍了，但使用“传统”高速钢滚刀进行干切割或准干式切割则尚未实现。

干切削的优点：

• 切削液成本

• 更清洁的环境

• 机床不再有切削液系统

• 没有处置切削液的费用

干切削的缺点：

• 切削温度高

• 无冲刷切屑的方法

• 滚刀价格昂贵

• 刀具容易崩刃

硬质合金钢滚刀可以以非常高的速度切割，在干切削状态下通常是高速钢刀具的3倍，问题是刀具非常昂贵并缺乏刀具崩刃强度，它们需要特别小心地予以关注。过渡性材料填补了高速钢材料和硬质合金钢材料之间的缝隙，这些材料能以高速进行干切削，速度比高速钢高，但低于硬质合金钢，大约是高速钢的1.5倍到1.8倍，现在使用的过渡材料是CPM121(也称为REX121)，其性能取决于涂层。

“过渡材料和涂层最新的进展是它们可取代硬质合金钢，并能承担干切削的职责，它们可以称之为超级高速钢”

多年来标准涂层就是TiN氮化钛，对于切割技术来说这是非常好的起点。TiCN碳氮化钛是更新的发展，其目标是氮化钛不够有效的领域，主要是磨料和硬（300BHN+）材料，现在已经成为改进涂层了，更新的涂层最终会取代氮化钛。TiAlN既能是干切削也能用于切削液，另外还有专利的多层涂层和多材料涂层，涂层技术与过渡材料的结合产生了很多改变，与供应商研讨这些变化及使用经验并适时改变工艺将是常态。

最新的发展是包含钛、铝、铬、钇和氮组合的“超级格栅”涂层以及作为TiAlN涂层替代品的自润滑硫化钼涂层

硬质合金钢

由于其非常高的硬度硬质合金钢非常易碎，滚刀的复杂形状更令其成为一个问题。另一方面，它可以以3倍于高速钢刀具的速度进行切割并不需要切削液，因此，人们有极大兴趣来研究使用硬质合金钢滚刀进行滚齿加工。

过渡材料和涂层的最新发展是可以取代硬质合金钢并进行干切削，他们被叫做超级高速钢，因为它们具备传统高速钢类似特性和技术特征，其合金材料中含丰富的钴和钒。

使用硬质合金钢和过渡材料的另一个考虑的问题是齿的尺寸，螺距是成功应用的拦路虎。我们可以自信地说切割正常硬度180到240BHN范围内的材料具备下列结论：

上面所说硬质合金钢缺乏强度主要是指复杂刀具形状，特别是滚刀。大部分的机械加工（铣削和车削）采用刀片进行，而这些场合通常是传统简单形状，小的硬质合金钢片是机械地嵌入刀具体内，因为其形状、尺寸和来自于刀具的支撑，它们能承受很高的切削力而不崩碎，即使崩坏，刀具的嵌入件也能容易地和经济地予以更换。

低温物理涂层（PVD）

低温物理涂层（PVD）在改善齿轮切割工具性能方面和改善齿轮质量方面被证明是功能卓著，涂层改善刀具或齿轮的摩擦，即使磨损状况不同。成系列的PVD涂层技术使得我们可以为各种工件材料量身定做，

为什么齿轮加工工具需要涂层？

滚齿刀和成形齿刀是随着刀具材料、涂层和齿轮加工设备的发展而发展，任一领域的进步都带来了生产率的提升，切割参数的提升，即使是干切削也如此。现代化的加工制造设备具备更高切削速度和更高的机床刚性，刀具材料也必须具备更高的耐磨性和高温稳定性。现在大约90%的滚刀都是涂层的。

刀具母材包括传统的高速钢合金已经升级为粉末冶金版了，在高端具备高耐磨的硬质合金钢滚刀已经开始引入，更新的材料发展是叫做过渡材料，用来作为高速钢到硬质合金钢的替代，兼具硬质合金钢的耐磨和高速钢的高强度，这些滚刀材料均可以施以几种PVD涂层以满足不同的加工切割工况。

为了获得刀形复杂的昂贵的滚刀的最高生产率，必须进行涂层修复和再使用，在进行一定量的加工后滚刀齿可以除涂层、再研磨、再涂层然后再投入使用，因此滚刀的可用寿命得以延长，一般可以进行大约10次修磨。涂层的修磨次数可以列入原始涂层性能考核的指标。

为什么齿轮需要涂层？

由于提升汽车变速箱齿轮性能用于别的应用的需求增长，典型的要求是更高输出功率、更低摩擦损失、更少的润滑需求、更长寿命、更高可靠性和更小热量，这些要求可以通过施加厚实、耐磨、低摩擦涂层到齿表面来实现。

滚刀涂层的作用：

我们的讨论以滚刀为主，相关结论也供其它齿轮加工设备参考。

TiN涂层是80年代PVD商业化来具备显著影响的涂层，其性能改善得益于下述方面：PVD可以低温进行高硬涂层（典型是<500° C/930° F,）与CVD涂层（化学涂）在~1000 C/1830° F温度下将硬质合金钢材料涂上去的技术不同，将不会使得高速钢母材降低等级。涂层增加了切削刃的耐磨性，延长了刀具的有效寿命。从已知的金属切割理论，危及切削刃的热量来源有两个，切屑成形时材料撕裂区的塑性变形热和工件和刀具接触表面的摩擦热。涂层减少了摩擦当然降低了摩擦热，涂层的热传导率更低些，理论上说涂层的阻碍降低了传导给刀具的热量（其相关性研究仍待进行）。

滚齿加工的金属切割伴随着工件的间隙切割，切削刃磨损和滚刀齿因机械疲劳崩碎是故障的主要形式，PVD硬涂层在这儿特别有效。

滚刀材料和涂层技术发展

滚刀材料和硬涂层技术的发展是系列化的。第一代涂层TiN使得刀具（与未涂层高速钢滚刀比）寿命延长了2到10倍，对齿轮切割工业产生了立竿见影的影响，高速钢粉末冶金工艺的采用和近来过渡材料的使用，增加了合金含量导致耐磨性提高，速度能力得以提高。因此干切削成为可能，采用新的TiAlN涂层获得更高的温度耐受能力使干加工能力不断提升。粘结硬质合金钢滚刀比高速钢更耐磨，但也更易碎，滚齿加工的间断性会引起热裂纹，因其载荷和温度随着切削刃切入和退出波动。阻碍裂纹形成和发展的能力是易碎材料的关键。刀具专家指出硬质合金钢刀具在干切削时比湿加工时有更长的刀具寿命就是因为较少的热冲击，实际上干切削时采用硬质合金钢滚刀可以实现更高转速的加工，耐高温涂层可以进一步改善其耐磨性能。鲜为人知的是，该性能改善机理是PVD硬涂层残余应力集中所产生的闪锻作用导致的金属疲劳寿命延长，有效防止表面裂纹产生和发展。PVD涂层工艺中的离子爆破产生集中应力，也防止切削刃（该处在生产中是应力最集中处）产生裂纹，尖利的切削边缘处太高的集中应力使得涂层有分层的趋势，涂层越厚情况越恶劣，当滚刀齿形状恰当并磨光其理想的涂层厚度是4到6微米。