滾刀及涂層

近年來在齒輪生產中減少/取消使用切削液運動已經興起，在鑄鐵件切割加工方面已經是比較普遍了，但使用“傳統”高速鋼滾刀進行干切割或準干式切割則尚未實現。

干切削的優點：

• 切削液成本

• 更清潔的環境

• 機床不再有切削液系統

• 沒有處置切削液的費用

干切削的缺點：

• 切削溫度高

• 無沖刷切屑的方法

• 滾刀價格昂貴

• 刀具容易崩刃

硬質合金鋼滾刀可以以非常高的速度切割，在干切削狀態下通常是高速鋼刀具的3倍，問題是刀具非常昂貴并缺乏刀具崩刃強度，它們需要特別小心地予以關注。過渡性材料填補了高速鋼材料和硬質合金鋼材料之間的縫隙，這些材料能以高速進行干切削，速度比高速鋼高，但低于硬質合金鋼，大約是高速鋼的1.5倍到1.8倍，現在使用的過渡材料是CPM121(也稱為REX121)，其性能取決于涂層。

“過渡材料和涂層最新的進展是它們可取代硬質合金鋼，并能承擔干切削的職責，它們可以稱之為超級高速鋼”

多年來標準涂層就是TiN氮化鈦，對于切割技術來說這是非常好的起點。TiCN碳氮化鈦是更新的發展，其目標是氮化鈦不夠有效的領域，主要是磨料和硬（300BHN+）材料，現在已經成為改進涂層了，更新的涂層最終會取代氮化鈦。TiAlN既能是干切削也能用于切削液，另外還有專利的多層涂層和多材料涂層，涂層技術與過渡材料的結合產生了很多改變，與供應商研討這些變化及使用經驗并適時改變工藝將是常態。

最新的發展是包含鈦、鋁、鉻、釔和氮組合的“超級格柵”涂層以及作為TiAlN涂層替代品的自潤滑硫化鉬涂層

硬質合金鋼

由于其非常高的硬度硬質合金鋼非常易碎，滾刀的復雜形狀更令其成為一個問題。另一方面，它可以以3倍于高速鋼刀具的速度進行切割并不需要切削液，因此，人們有極大興趣來研究使用硬質合金鋼滾刀進行滾齒加工。

過渡材料和涂層的最新發展是可以取代硬質合金鋼并進行干切削，他們被叫做超級高速鋼，因為它們具備傳統高速鋼類似特性和技術特征，其合金材料中含豐富的鈷和釩。

使用硬質合金鋼和過渡材料的另一個考慮的問題是齒的尺寸，螺距是成功應用的攔路虎。我們可以自信地說切割正常硬度180到240BHN范圍內的材料具備下列結論：

上面所說硬質合金鋼缺乏強度主要是指復雜刀具形狀，特別是滾刀。大部分的機械加工（銑削和車削）采用刀片進行，而這些場合通常是傳統簡單形狀，小的硬質合金鋼片是機械地嵌入刀具體內，因為其形狀、尺寸和來自于刀具的支撐，它們能承受很高的切削力而不崩碎，即使崩壞，刀具的嵌入件也能容易地和經濟地予以更換。

低溫物理涂層（PVD）

低溫物理涂層（PVD）在改善齒輪切割工具性能方面和改善齒輪質量方面被證明是功能卓著，涂層改善刀具或齒輪的摩擦，即使磨損狀況不同。成系列的PVD涂層技術使得我們可以為各種工件材料量身定做，

為什么齒輪加工工具需要涂層？

滾齒刀和成形齒刀是隨著刀具材料、涂層和齒輪加工設備的發展而發展，任一領域的進步都帶來了生產率的提升，切割參數的提升，即使是干切削也如此。現代化的加工制造設備具備更高切削速度和更高的機床剛性，刀具材料也必須具備更高的耐磨性和高溫穩定性。現在大約90%的滾刀都是涂層的。

刀具母材包括傳統的高速鋼合金已經升級為粉末冶金版了，在高端具備高耐磨的硬質合金鋼滾刀已經開始引入，更新的材料發展是叫做過渡材料，用來作為高速鋼到硬質合金鋼的替代，兼具硬質合金鋼的耐磨和高速鋼的高強度，這些滾刀材料均可以施以幾種PVD涂層以滿足不同的加工切割工況。

為了獲得刀形復雜的昂貴的滾刀的最高生產率，必須進行涂層修復和再使用，在進行一定量的加工后滾刀齒可以除涂層、再研磨、再涂層然后再投入使用，因此滾刀的可用壽命得以延長，一般可以進行大約10次修磨。涂層的修磨次數可以列入原始涂層性能考核的指標。

為什么齒輪需要涂層？

由于提升汽車變速箱齒輪性能用于別的應用的需求增長，典型的要求是更高輸出功率、更低摩擦損失、更少的潤滑需求、更長壽命、更高可靠性和更小熱量，這些要求可以通過施加厚實、耐磨、低摩擦涂層到齒表面來實現。

滾刀涂層的作用：

我們的討論以滾刀為主，相關結論也供其它齒輪加工設備參考。

TiN涂層是80年代PVD商業化來具備顯著影響的涂層，其性能改善得益于下述方面：PVD可以低溫進行高硬涂層（典型是<500° C/930° F,）與CVD涂層（化學涂）在~1000 C/1830° F溫度下將硬質合金鋼材料涂上去的技術不同，將不會使得高速鋼母材降低等級。涂層增加了切削刃的耐磨性，延長了刀具的有效壽命。從已知的金屬切割理論，危及切削刃的熱量來源有兩個，切屑成形時材料撕裂區的塑性變形熱和工件和刀具接觸表面的摩擦熱。涂層減少了摩擦當然降低了摩擦熱，涂層的熱傳導率更低些，理論上說涂層的阻礙降低了傳導給刀具的熱量（其相關性研究仍待進行）。

滾齒加工的金屬切割伴隨著工件的間隙切割，切削刃磨損和滾刀齒因機械疲勞崩碎是故障的主要形式，PVD硬涂層在這兒特別有效。

滾刀材料和涂層技術發展

滾刀材料和硬涂層技術的發展是系列化的。第一代涂層TiN使得刀具（與未涂層高速鋼滾刀比）壽命延長了2到10倍，對齒輪切割工業產生了立竿見影的影響，高速鋼粉末冶金工藝的采用和近來過渡材料的使用，增加了合金含量導致耐磨性提高，速度能力得以提高。因此干切削成為可能，采用新的TiAlN涂層獲得更高的溫度耐受能力使干加工能力不斷提升。粘結硬質合金鋼滾刀比高速鋼更耐磨，但也更易碎，滾齒加工的間斷性會引起熱裂紋，因其載荷和溫度隨著切削刃切入和退出波動。阻礙裂紋形成和發展的能力是易碎材料的關鍵。刀具專家指出硬質合金鋼刀具在干切削時比濕加工時有更長的刀具壽命就是因為較少的熱沖擊，實際上干切削時采用硬質合金鋼滾刀可以實現更高轉速的加工，耐高溫涂層可以進一步改善其耐磨性能。鮮為人知的是，該性能改善機理是PVD硬涂層殘余應力集中所產生的閃鍛作用導致的金屬疲勞壽命延長，有效防止表面裂紋產生和發展。PVD涂層工藝中的離子爆破產生集中應力，也防止切削刃（該處在生產中是應力最集中處）產生裂紋，尖利的切削邊緣處太高的集中應力使得涂層有分層的趨勢，涂層越厚情況越惡劣，當滾刀齒形狀恰當并磨光其理想的涂層厚度是4到6微米。