刀具在加工過程中的磨損以及應(yīng)對策略【干貨】

1、刀具在加工過程中的磨損以及 應(yīng)對策略【干貨】內(nèi)容來源網(wǎng)絡(luò)，由“深圳機(jī)械展（11萬m2 , 1100 多家展商，超10萬觀眾）”收集整理！更多cnc加工中心、車銑磨鉆床、線切割、數(shù)控 刀具工具、工業(yè)機(jī)器人、非標(biāo)自動(dòng)化、數(shù)字化無 人工廠、精密測量、3D打印、激光切割、鈑金 沖壓折彎、精密零件加工等展示，就在深圳機(jī)械 展.刀具磨損是切削加工中基本的問題之一。 了解刀 具磨損的情況和原因，可以幫助刀具制造商以及 用戶延長數(shù)控刀具壽命。現(xiàn)在的數(shù)控刀具都會(huì)采 用涂層技術(shù)（包括采用新的合金元素），這進(jìn)一 步有效的延長了刀具的使用壽命，同時(shí)可以顯著 提高生產(chǎn)率。亠、刀具磨損機(jī)理介紹在金屬切削加工中，產(chǎn)生的熱量

2、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)的測量結(jié)果可以為一些經(jīng)驗(yàn)性的方法奠 定基礎(chǔ)。通常可以假定，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

3、例的變化取決于幾個(gè)要素一一尤其是 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 C,這是高速鋼在硬度不降 低的前提下能夠承受的高溫度。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 C?！?、刀具磨損與刀具壽命刀具磨損通常包括以下幾種類型：后刀面 磨損；刻劃磨損；月牙洼磨損；切削刃磨 鈍；切削刃崩刃；切削刃裂紋；災(zāi)難性失 效。對于刀具壽命，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)可以接受的后刀面磨損極限值（

4、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 XDxfy=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)展的刀具基體、涂層和切削刃制備技 術(shù)對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，決定了每種刀具對于不同的工件 和切削加工的適用性。所有這些要素的組合能夠 延長刀具壽命，使切削加工更經(jīng)濟(jì)、更可靠。三、改變刀具基體通過在1 5 ym范

5、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。 基體材料的粒度對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)合金刀具材料的鉆含量提高6% 12 %，可以獲得更好的韌性。因此，可以 通過調(diào)整鉆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 處形成富鉆層，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)。富鉆層可以顯著提高切削刃強(qiáng)度，

6、 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種基體特性一 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。 對于切削溫度較高的加工場合（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)生熱裂紋的加工場合（在銑削加工中常 見），建議選用耐熱沖擊性能較好的刀具材料。對刀具基體材料的優(yōu)化改進(jìn)可以提高刀具 的切削

7、性能。例如，伊斯卡（Iscar ）公司用于 加工鋼件的SumoTec刀片牌號的基體材料具 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 SumoTec 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。四、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： 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。 碳氮化鈦（TiCN ）涂層：通過在TiN中

8、添加碳元素，提高了涂層的硬度和表面光潔度。 氮鋁鈦（TiAlN ）和氮鈦鋁（AlTiN ）涂 層：氧化鋁（AI2O3 ）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。 氮化鉻（CrN ）涂層：這種涂層具有較好 的抗粘結(jié)性能，是對抗積屑瘤的首選解決方案。 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?與

9、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 15 ym，而PVD涂層的 厚度約為2 6卩m。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 3PSumoTec 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。SumoTec涂層技術(shù)還能減小

10、摩擦，從而降低加 工中的能量消耗，同時(shí)提高對積屑瘤的抵抗能 力。SumoTec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CVDAI2O3涂層上沉積 一層TiAINPVD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，其預(yù)期的切削速度可達(dá)到 650 1200sfm 以上（取決于工件材

11、料的類型 和加工條件）。五、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

12、牌號和涂層類型（CVD或PCD涂層）。對于重度斷續(xù)切削加工 刀片，對刃口進(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 銃刀的運(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