刀具磨損是切削加工中最基本的命題之一。定義和了解刀具磨損，可以幫助刀具制造商和用戶延長刀具壽命。此外，當(dāng)今的刀具涂層技術(shù)(包括采用新的合金元素)提供了進(jìn)一步延長刀具壽命的有效手段，同時(shí)可以顯著提高生產(chǎn)率。

刀具磨損機(jī)理

在金屬切削加工中，產(chǎn)生的熱量和摩擦是能量的表現(xiàn)形式。由很高的表面負(fù)荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑移而產(chǎn)生的熱量和摩擦，使刀具處于一種極具挑戰(zhàn)性的加工環(huán)境中。

切削力的大小往往會(huì)上下波動(dòng)，主要取決于不同的加工條件(如工件材料中存在硬質(zhì)成份，或進(jìn)行斷續(xù)切削)。因此，為了在切削高溫下保持其強(qiáng)度，要求刀具具有一些基本特性，包括極好的韌性、耐磨性和高硬度。

盡管刀具/工件界面處的切削溫度是決定幾乎所有刀具材料磨損率的關(guān)鍵要素，但要確定計(jì)算切削溫度所需的參數(shù)值卻十分困難。不過，切削試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果可以為一些經(jīng)驗(yàn)性的方法奠定基礎(chǔ)。

通?？梢约俣?，在切削中產(chǎn)生的能量被轉(zhuǎn)化為熱量，而通常這些熱量的80%都被切屑帶走(這一比例的變化取決于幾個(gè)要素——尤其是切削速度)。其余大約20%的熱量則傳入刀具之中。即使在切削硬度不太高的鋼件時(shí)，刀具溫度也可能會(huì)超過550℃，這是高速鋼在硬度不降低的前提下能夠承受的最高溫度。用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬鋼時(shí)，刀具和切屑的溫度通常將超過1000℃。

刀具磨損與刀具壽命

刀具磨損通常包括以下幾種類型：①后刀面磨損;②刻劃磨損;③月牙洼磨損;④切削刃磨鈍;⑤切削刃崩刃;⑥切削刃裂紋;⑦災(zāi)難性失效。

對(duì)于刀具壽命，并沒有被普遍接受的統(tǒng)一定義，通常取決于不同的工件和刀具材料，以及不同的切削工藝。定量分析刀具壽命終止點(diǎn)的一種方式是設(shè)定一個(gè)可以接受的最大后刀面磨損極限值(用VB或VBmax表示)。刀具壽命可用預(yù)期刀具壽命的泰勒公式表示，即

VcTn=C

該公式的一種更常用的形式為

VcTn×Dxfy=C

式中，Vc為切削速度;T為刀具壽命;D為切削深度;f為進(jìn)給率;x和y由實(shí)驗(yàn)確定;n和C是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或已發(fā)表的技術(shù)資料確定的常數(shù)，它們表示刀具材料、工件和進(jìn)給率的特性。

不斷發(fā)展的最佳刀具基體、涂層和切削刃制備技術(shù)對(duì)于限制刀具磨損和抵抗切削高溫至關(guān)重要。這些要素，加上在可轉(zhuǎn)位刀片上采用的斷屑槽和轉(zhuǎn)角圓弧半徑，決定了每種刀具對(duì)于不同的工件和切削加工的適用性。所有這些要素的最佳組合能夠延長刀具壽命，使切削加工更經(jīng)濟(jì)、更可靠。

改變刀具基體

通過在1-5μm范圍內(nèi)改變碳化鎢的粒度，刀具制造商可以改變硬質(zhì)合金刀具的基體性能?；w材料的粒度對(duì)于切削性能和刀具壽命起著重要作用。粒度越小，刀具的耐磨性越好。反之，粒度越大，刀具的強(qiáng)韌性越好。細(xì)顆?；w主要用于加工航空牌號(hào)材料(如鈦合金、Inconel合金和其他高溫合金)的刀片。

此外，將硬質(zhì)合金刀具材料的鈷含量提高6%-12%，可以獲得更好的韌性。因此，可以通過調(diào)整鈷含量來滿足特定切削加工的要求，無論這種要求是韌性還是耐磨性。

刀具基體的性能還可以通過在接近外表面處形成富鈷層，或者通過在硬質(zhì)合金材料中有選擇性地添加其他合金元素(如鈦、鉭、釩、鈮等)而獲得增強(qiáng)。富鈷層可以顯著提高切削刃強(qiáng)度，從而提高粗加工和斷續(xù)切削刀具的性能。

此外，在選擇與工件材料和加工方式相匹配的刀具基體時(shí)，還表現(xiàn)考慮另外5種基體特性——斷裂韌性、橫向斷裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、硬度和耐熱沖擊性能。例如，如果硬質(zhì)合金刀具出現(xiàn)沿切削刃崩刃的現(xiàn)象，就應(yīng)該選用具有較高斷裂韌性的基體材料。而在刀具出現(xiàn)切削刃直接失效或破損的情況下，可能采用的解決方案是選用具有較高橫向斷裂強(qiáng)度或較高抗壓強(qiáng)度的基體材料。對(duì)于切削溫度較高的加工場(chǎng)合(如干式切削)，通常應(yīng)該首選硬度較高的刀具材料。在可以觀察到刀具產(chǎn)生熱裂紋的加工場(chǎng)合(在銑削加工中最常見)，建議選用耐熱沖擊性能較好的刀具材料。

對(duì)刀具基體材料的優(yōu)化改進(jìn)可以提高刀具的切削性能。例如，伊斯卡(Iscar)公司用于加工鋼件的Sumo Tec刀片牌號(hào)的基體材料具有較好的抗塑性變形能力，從而能減小硬脆的刀片涂層產(chǎn)生微裂紋的可能性。通過對(duì)Sumo Tec刀片的二次加工，減小了其涂層的表面粗糙度和微裂紋，從而降低了刀片表面的切削熱以及由此引起的塑性變形和微裂紋。此外，一種加工鑄鐵用刀片的新型基體具有更好的耐熱性，從而可以采用更高的切削速度進(jìn)行加工。

選擇正確的涂層

涂層也有助于提高刀具的切削性能。目前的涂層技術(shù)包括：

①氮化鈦(TiN)涂層：這是一種通用型PVD和CVD涂層，可以提高刀具的硬度和氧化溫度。

②碳氮化鈦(TiCN)涂層：通過在TiN中添加碳元素，提高了涂層的硬度和表面光潔度。

③ 氮鋁鈦(TiAlN)和氮鈦鋁(AlTiN)涂層：氧化鋁(Al2O3)層與這些涂層的復(fù)合應(yīng)用可以提高高溫切削加工的刀具壽命。氧化鋁涂層尤其適合干式切削和近干切削。AlTiN涂層的鋁含量較高，與鈦含量較高的TiAlN涂層相比，具有更高的表面硬度。AlTiN涂層通常用于高速切削加工。

④氮化鉻(CrN)涂層：這種涂層具有較好的抗粘結(jié)性能，是對(duì)抗積屑瘤的首選解決方案。

⑤金剛石涂層：金剛石涂層可以顯著提高加工非鐵族材料刀具的切削性能，非常適合加工石墨、金屬基復(fù)合材料、高硅鋁合金和其他高磨蝕性材料。但金剛石涂層不適合加工鋼件，因?yàn)樗c鋼的化學(xué)反應(yīng)會(huì)破壞涂層與基體的粘附性能。

近年來，PVD涂層刀具的市場(chǎng)份額有所擴(kuò)大，其價(jià)格也與CVD涂層刀具不相上下。CVD涂層的厚度通常為5-15μm，而PVD涂層的厚度約為2-6μm。在涂覆到刀具基體上時(shí)，CVD涂層會(huì)產(chǎn)生不受歡迎的拉應(yīng)力;而PVD涂層則有助于對(duì)基體形成有益的壓應(yīng)力。較厚的CVD涂層通常會(huì)顯著降低刀具切削刃的強(qiáng)度。因此，CVD涂層不能用于要求切削刃非常鋒利的刀具。

在涂層工藝中采用新的合金元素可以改善涂層的粘附性和涂層性能。例如，伊斯卡公司的3P Sumo Tec處理技術(shù)能提高PVD和CVD兩類涂層的韌性、光滑程度和抗崩刃性能。Sumo Tec涂層技術(shù)還能減小摩擦，從而降低加工中的能量消耗，同時(shí)提高對(duì)積屑瘤的抵抗能力。

Sumo Tec涂層工藝可以減少刀片在CVD涂層后冷卻時(shí)因收縮率不同而在刀片表面產(chǎn)生的微裂紋。同樣，該工藝還能消除PVD涂層時(shí)在涂層表面產(chǎn)生的有害液滴，從而使涂層表面更光滑，使刀片在加工時(shí)切削溫度更低、壽命更長、形成更理想的切屑流，以及能采用更高的切削速度。

另一個(gè)例子是伊斯卡公司的 Do-Tec涂層技術(shù)。該技術(shù)可在中溫CVD Al2O3涂層上沉積一層TiAlN PVD涂層。這種復(fù)合涂層具有很好的耐磨性和抗崩刃性，非常適合用于高速切削鑄鐵的各種刀片牌號(hào)，其預(yù)期的切削速度可達(dá)到650-1200sfm以上(取決于工件材料的類型和加工條件)。

切削刃的制備

在許多情況下，刀片切削刃的制備(或稱刃口鈍化)已成為決定加工成敗的分水嶺。鈍化工藝參數(shù)需根據(jù)特定的加工要求而定。例如，用于高速精加工鋼件的刀片對(duì)刃口鈍化的要求就與用于粗加工的刀片有所不同。刃口鈍化可應(yīng)用于加工幾乎任何類型碳鋼或合金鋼的刀片，而在加工不銹鋼和特殊合金材料的刀片上，其應(yīng)用則有一定限制。鈍化量可以小至0.007mm，也可以大到0.05mm。為了在條件惡劣的加工中起到增強(qiáng)切削刃的作用，還可以通過刃口鈍化形成微小的T型棱帶。

一般來說，用于連續(xù)車削加工以及銑削大部分鋼和鑄鐵的刀片需要進(jìn)行較大程度的刃口鈍化。鈍化量取決于硬質(zhì)合金牌號(hào)和涂層類型(CVD或PCD涂層)。對(duì)于重度斷續(xù)切削加工刀片，對(duì)刃口進(jìn)行重度鈍化或加工出T 型棱帶已成為一種先決條件。根據(jù)不同的涂層類型，鈍化量可接近0.05mm。

與此相反，由于加工不銹鋼和高溫合金的刀片容易形成積屑瘤，因此要求切削刃保持鋒利，只能進(jìn)行輕微鈍化(可小至0.01mm)，甚至還可以定制更小的鈍化量。同樣，加工鋁合金的刀片也要求具有鋒利的切削刃。

例如，伊斯卡公司生產(chǎn)各種具有螺旋切削刃的刀片，這種切削刃的廓形是圍繞一個(gè)圓柱面沿軸向均勻移動(dòng)而形成的。這種近似于螺旋線的螺旋刃設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一是切削運(yùn)動(dòng)更平滑。與直線刃的切削方式不同，螺旋切削刃模擬了螺旋槽立銑刀的運(yùn)動(dòng)方式。切削刃是在“螺旋”運(yùn)動(dòng)中逐漸進(jìn)入切削，而不是全部同時(shí)進(jìn)入切削，從而可減輕顫振，獲得更好的加工表面光潔度。

此外，螺旋切削刃能承受更大的切削負(fù)荷，獲得更高的金屬去除率，同時(shí)還能減小應(yīng)力。由于作用于刀具的切削壓力和切削熱降低，因此螺旋切削刃的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以延長刀具壽命。

了解刀具磨損的機(jī)理，并采用新技術(shù)與之抗衡，可以提高刀具壽命和加工效率。在如今的市場(chǎng)上，企業(yè)不僅要在本地競爭，而且還要參與全球競爭，因此，充分利用自己的全部競爭優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要