1.引言

　　表面涂层技术的发展与应用对刀具性能的改善和切削加工技术的进步起到了十分关键的作用，涂层刀具已成为现代刀具的重要标志。
常用的刀具涂层材料主要有TiC、TiN、Al2O3、TiCN、TiAlN、CBN等。TiAlN作为一种新型涂层材料，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，尤其用于高速切削时性能优异。在日本和我国台湾地区，TiAlN涂层刀具的应用已相当广泛。本文介绍的新型TiAlN涂层铣刀采用超细颗粒(直径约1μm)碳化钨—钴硬质合金基体，表面采用特殊的低温物理气相沉积(PVD)法涂覆高硬度的TiAlN单层涂层(厚度约6μm)。TiAlN涂层表面生成高强度的氧化物(刚玉)，涂层中的Ti含量控制在37%左右，Al含量控制在10%～13%之间，以保证刃口的锋利性。新型TiAlN涂层与TiN涂层的主要性能比较见表1。

　　表1新型TiAlN涂层与TiN涂层主要性能比较

　　涂层性能-TiAlN涂层-TiN涂层

　　维氏硬度Hv(kgf/m2)-2720-1930

　　氧化温度(℃)-840-620

　　划痕测试临界负荷粘附力(N)-80.3-60.3

　　结构特征-细柱状面心立方结构-面心立方结构

　　摩擦性能-与钢摩擦系数0.30-与钢摩擦系数0.41

　　2.高速铣削技术在模具制造中的应用

　　近年来，高速切削技术发展迅猛，如铣削机床转速已高达30000～50000r/min。高速铣削在模具制造等精密、超精密加工中具有良好的应用前景。由于有些模具的过渡棱边尖锐薄弱，转角处易发生塌角现象，采用普通铣削难以保证模具廓形交界处的加工精度，而采用高速铣削可切削出形状锐利的轮廓尖角，可实现精密模具的高精度、高效率加工。

　　近年来，国外模具制造商开发了多项模具高速加工先进技术，如：①形状预识别控制技术：该技术可在高速加工模具自由曲面时实现高精度加工控制功能，以避免尖角部位因切削冲击、机械滞后等引起路径误差。②SF技术：用球形铣刀加工模具自由曲面时，因工件和刀具的切削点在不断变化，使实际切削点的切削速度不断发生变化，影响表面加工质量。采用SF技术可从NC数据中预先读出时刻变化的切削点信息，通过控制主轴回转速度使切削点切削速度保持一定；同时控制每转相当进给量，使进给速度保持稳定。③区域加工技术：在模具加工面上预先设定一定区域，应用区域加工技术可在不改变原

　　加工程序的情况下，对设定区域内或区域外实现可改变切深及其它切削条件的加工。④直角邻边圆弧内角铣削技术：采用三面铣刀柄嵌三角刀片进行加工，可将圆弧内角直接铣削成直角，加工效率比电火花线切割可提高约20倍。⑤利用特殊数控代码G260指令，可实现在平面上加工斜孔。加工时，铣刀杆利用万向节偏转要求的角度，可免除常规加工时需重新装夹工件及使用专用夹具的麻烦。⑥控制系统采用NURBS(Non-uniform Rational B Spline)补偿，从而解决了控制系统数据传输存在等待现象，在微小进给(1μm)加工时机床不能移动等问题。

　　采用高速铣削技术对模具进行直接成型加工，可减少电加工及相关工序流程，显著提高加工效率，加工时间可缩短1/3～1/4。为实现模具的高速铣削加工，开发及应用先进的高速铣削刀具尤为重要，TiAlN涂层铣刀就是目前高速铣削淬硬模具钢最常用的理想刀具。

　　涂层铣刀高速铣削模具钢的磨损与破损性能

　　用VC-MD型号六齿TiAlN涂层硬铣刀(φ10mm)高速铣削AlSi H13/JIS SKD61淬硬模具钢(52HRC)时(铣削速度：628m/min；铣削长度：50m；铣削深度：轴向切深10mm，径向切深0.5mm)，采用不同冷却方式对刀具磨损形貌的影响结果表明，采用风冷切削时刀具磨损最小；采用干式切削时刀具磨损次之；采用乳化液冷却切削时刀具磨损最大。由于铣刀刃呈间歇切削状态，如切削时将冷却液直接喷淋在刀具上，刀刃时冷时热的温度变化容易引起热裂纹，导致切削刃破裂及刀片破损。因此，高速铣削模具钢时不应使用冷却液，否则会缩短刀具寿命。

　　刀具的主要失效机理包括月牙洼磨损、热变形、破裂等。切削热和机械振动是刀具失效的重要影响因素。月牙洼磨损通常发生在刀片前刀面上，当高速加工钢件及其它硬质材料时，切屑在高温作用下熔附在刀具表面，并使刀具材料颗粒发生剥离，形成月牙洼磨损。过度的月牙洼磨损会削弱切削刃强度，阻碍切屑流动，增大刀具承受的温度与压力，最终导致刀具破损。对刀具进行涂层可在刀具与工件之间增加一层惰性硬介质，显著减小月牙洼磨损。通过合理应用涂层技术，可使刀片既具有高硬度又具有高韧性。涂层时可根据需要调节基体和涂层的元素分布，使切削刃区域具有较高含钴量，从而将含钴基体的耐冲击性与涂层的耐磨性结合起来，使切削刃具有良好韧性而刀具其余部分保持较高硬度。

　　用VC-MD型号TiAlN涂层铣刀高速铣削AlSi H13模具钢(50HRC)时(进给速度：0.10mm/齿；轴向切深10mm，径向切深0.5mm)，铣削状态与刀具破损的关系表明：当切削速度V=157m/min时，采用干式切削和风冷切削时的切削长度均可达到300m；采用乳化液冷却切削时在200m处刀刃出现崩裂。当切削速度V=314m/min时，采用干式切削时在150m处刀具出现破碎；采用风冷切削时在300m处仍可正常铣削；采用乳化液冷却切削时在50m处刀具出现崩裂。当切削速度V=471m/min时，采用干式切削时在200m处刀具出现较大磨损；采用风冷切削时在300m处刀具出现较大磨损；采用乳化液冷却切削时在50m处刀具出现崩裂。当切削速度V=628m/min时，采用干式切削时在100m处刀具出现较大磨损，在120m处刀具破碎折断；采用风冷切削时，在150m处刀具折断破碎；采用乳化液冷却切削时刀具很快磨损折断。