高速切削刀具磨損壽命的研究

1、高速切削刀具磨損壽命的研究 2007-07-09 生意社 從20世紀80年代開始，由于數(shù)控機床的主軸、進給系統(tǒng)等功能部件設計制造技術(shù)的突破，數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度均大幅度提高，在現(xiàn)代制造技術(shù)全面進步的推動下，切削加工技術(shù)開始進入高速切削的新階段。目前，高速切削已在模具、航空、汽車等制造業(yè)領域得到了大量應用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益，并正向其它應用領域拓展。高速切削加工對刀具提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削時，造成刀具損壞的主要原因是在切削力和切削溫度作用下因機械摩擦、粘結(jié)、化學磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等的引起的磨損和破損。因此，對高速切削刀具材料最主要的性能要求是耐熱性、耐磨性、

2、化學穩(wěn)定性、抗熱震性以及抗涂層破裂性能等。陶瓷、CBN、PCD、金屬陶瓷等刀具材料具有良好的耐熱性和耐磨性，當其韌性得到改善后，非常適合用于高速切削。先進涂層技術(shù)的發(fā)展進一步改善了刀具材料的性能。目前，新型涂層材料和涂層工藝的開發(fā)方興未艾，預示著涂層刀具在高速切削領域?qū)⒂芯薮蟀l(fā)展?jié)摿蛷V闊應用前景。本文對高速切削加工時陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金剛石刀具、金屬陶瓷刀具和涂層刀具的磨損機理進行了綜合評述，對刀具的磨損形態(tài)和磨損壽命進行了分析，這些研究將有益于實際生產(chǎn)加工中對高速切削刀具的合理選用與磨損控制。2高速切削刀具的磨損形態(tài)高速切削時，刀具的主要磨損形態(tài)為后刀面磨損、微崩刃、邊界磨損、片狀

3、剝落、前刀面月牙洼磨損、塑性變形等。后刀面磨損是高速切削刀具最經(jīng)常發(fā)生的磨損形式，可看作是刀具的正常磨損。后刀面磨損帶寬度的加大會使刀具喪失切削性能，在高速切削時常采用后刀面上均勻磨損區(qū)寬度VB值作為刀具的磨損極限。微崩刃是在刀具切削刃上產(chǎn)生的微小缺口，常發(fā)生在斷續(xù)高速切削時，通過選用韌性好的刀具材料、減小進給量、改變刀具主偏角以增加穩(wěn)定性等措施，均可減小微崩刃的發(fā)生概率。通常只要將刀具微崩刃的大小控制在磨損限度以內(nèi)，刀具仍可繼續(xù)切削。邊界磨損發(fā)生在刀具后刀面的刀工接觸邊緣處，形狀通常為一狹長溝槽，因此也稱為溝槽磨損。高速切削不銹鋼、高溫合金(如Inconel 718)時刀具容易發(fā)生邊界磨損，

4、其原因是工件表面的加工硬化使刀工接觸邊界的工件材料硬度最高。加工外圓時，刀工接觸邊界的切削速度最高，因此也容易形成邊界磨損。此外，用陶瓷刀具高速切削鑄鐵時也容易發(fā)生邊界磨損。片狀剝落多發(fā)生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀屑或刀工接觸區(qū)的接觸疲勞或熱應力疲勞所致。當剝落很小時，被認為是磨損；但在很多情況下，由于疲勞裂紋源距刀具表面具有一定深度，裂紋擴展后所形成的剝落塊往往大于刀具的磨損限度，一旦發(fā)生剝落，即可使刀具失效，形成剝落破損。陶瓷刀具端銑鋼和鑄鐵時，前刀面上經(jīng)常出現(xiàn)貝殼狀剝落；涂層刀具因涂層材料與基體材料粘結(jié)強度不夠也易發(fā)生剝落。前刀面月牙洼磨損最常出現(xiàn)在塑性金屬的高速切削加工中。塑性變

5、形多發(fā)生在切削溫度較高而刀具紅硬性較差的切削條件下，超硬刀具材料在切削速度很高時也可能發(fā)生塑性變形現(xiàn)象。3高速切削刀具的磨損機理在高速切削加工中，與普通切削加工類似，也存在兩個摩擦副：前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與已加工表面間的摩擦副。其中，前者影響刀具前刀面的磨損，后者影響刀具后刀面的磨損，前、后刀面的磨損均影響刀具壽命。但與普通切削相比，高速切削時刀具與工件的接觸時間減少，接觸頻率增加，切削過程中產(chǎn)生的熱量更多向刀具傳遞，因此其磨損機理與普通切削有很大區(qū)別。(1)陶瓷刀具陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優(yōu)良、化學穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比

6、硬質(zhì)合金刀具高310倍，適用于高速切削鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削時，切削溫度可高達8001000甚至更高，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機械磨損與化學磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學反應、擴散磨損、氧化磨損等。陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)，在高速切削時以高溫引起的粘結(jié)磨損、化學反應、氧化磨損和擴散磨損為主。Al2O3基陶瓷刀具在連續(xù)高速切削鋼件時，其磨損機制主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié)磨損；而在高速切削鑄鐵時，磨損機制主要為磨料磨損。用Al2O3/SiCw陶瓷刀具高速加工Inconel 718高溫合金時，刀具的主要磨損機制為粘結(jié)磨損、

7、化學反應和擴散磨損，因此用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時必須使用切削液(含氯化石蠟的切削液效果更好)。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時，前刀面與后刀面的磨損機理有所不同：化學反應及塑性變形是前刀面磨損的主要原因；后刀面的磨損機理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂，導致陶瓷顆粒脫落所致。Al2O3/TiB2陶瓷刀具加工高強鋼和淬硬鋼時具有較好的耐磨性，且刀具的耐磨性能隨著TiB2含量的增加而增強。Al2O3基陶瓷刀具在高速切削時，刀具表層有時會發(fā)生塑性變形現(xiàn)象，這是由于Al2O3與FeO(鋼表面氧化產(chǎn)物)或MgO(陶瓷添加劑)反應形成了

8、尖晶石結(jié)構(gòu)，或者是Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點、低硬度的化合物。Si3N4基陶瓷刀具高速切削鑄鐵時的主要磨損機制為化學磨損。雖然化學磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學作用可使機械磨損的程度大大加劇，如化學溶解及擴散作用會引起陶瓷表面強度減弱，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導致嚴重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。切削鋼件時，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學作用有關(guān)，由于Si3N4顆粒的化學溶解及不斷被從玻璃相中拔出，使Si3N4陶瓷刀具表現(xiàn)出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具高速切削鋼件時的高磨損率主要可歸因于以下兩種因素：Si3N4氧化而在刀具表面形

9、成的SiO2層不斷被磨去；SiO2與工件表面的FeO形成低熔點的共晶混合物。(2)立方氮化硼刀具立方氮化硼(CBN)是氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼(PCBN)則是由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3)在高溫高壓下燒結(jié)而成。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列狀態(tài)，因此PCBN硬度均勻，無方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，并有很高的硬度和耐熱性(13001500)、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和導熱性以及低摩擦系數(shù)，而且PCBN與Fe族元素親和性很低，因此它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。PCBN的CBN含量、晶粒尺寸、粘結(jié)相等均會影響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度

10、和導熱性也越高；CBN晶粒尺寸越大，其抗破損性越弱，刀刃鋒利性越差；采用金屬材料Co、Ni作為粘結(jié)相時，PCBN有較好的韌性和導電性，采用陶瓷材料作為粘結(jié)相時則具有較好的熱穩(wěn)定性。PCBN刀具高速切削鑄鐵時主要發(fā)生化學磨損，導致前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損。試驗證明，通過改變CBN含量和刀具幾何參數(shù)，以降低切削溫度和減小刀屑接觸長度(時間)，可減小化學磨損速率，避免前刀面月牙洼磨損。一般認為，CBN刀具的磨損是由于切削過程中的高溫、高壓、切屑與前刀面間的摩擦以及工件材料中有關(guān)化學元素與之發(fā)生粘結(jié)、親和而引起的，即其磨損機制主要包括：氧化磨損和相變磨損。CBN刀具高速切削時的平均切削溫度可達100012

11、00，在此高溫下，即使在常壓和空氣氣氛中也足以使CBN刀具刀尖區(qū)產(chǎn)生氧化、放氮甚至相變。而CBN刀具一經(jīng)氧化和相變即會喪失其切削能力。粘結(jié)磨損。在一定壓力和高溫條件下，刀尖與被加工材料接觸區(qū)隨著切屑不斷流出，雙方均不斷裸露出新的表面。盡管CBN對Fe族元素有較高化學惰性，但對其它元素并非如此，當條件適合時，會使CBN活性增加、惰性降低，隨著與合金元素的親和傾向不斷增加，將導致出現(xiàn)粘結(jié)磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當?shù)都鈪^(qū)溫度高達1200左右時，局部CBN顆粒將呈現(xiàn)“半熔化”狀態(tài)，從而使粘結(jié)磨損大大加劇。摩擦磨損。工件與刀具之間的高速相對運動會使CBN刀具發(fā)生摩擦磨損。顆粒剝落與微崩刃。由于

12、CBN刀具是由無數(shù)細小的CBN顆粒構(gòu)成，顆粒之間呈晶界間的精細裂紋連接，且存在不均勻的內(nèi)應力，因此當高溫切屑流摩擦刮研CBN刀尖時，會因工件材料硬度不均或存在硬質(zhì)點所產(chǎn)生的微沖擊而造成CBN顆粒脫落或產(chǎn)生微崩刃。造成CBN刀具磨損的上述多種因素并非只是獨立存在、單獨作用，而是相互影響、共同加劇，如氧化磨損和相變磨損必然伴隨著粘結(jié)磨損，并出現(xiàn)摩擦磨損、剝落磨損和微崩磨損。(3)金剛石刀具金剛石材料可分為天然金剛石和人造金剛石。天然金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度和導熱系數(shù)。近年來開發(fā)的多種采用化學機理研磨金剛石刀具的方法和保護氣氛釬焊金剛石技術(shù)使天然金剛石刀具的制造變得相對容易，從而使天然金剛石

13、刀具在超精密鏡面切削領域得到廣泛應用。20世紀50年代實現(xiàn)了利用高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石粉后，70年代制造出了金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石(PCD)刀具。PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。PCD刀具具有高硬度(800012000HV)、高導熱性、低熱脹系數(shù)、高彈性模量和低摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利，可高速切削加工各種有色金屬和耐磨性極強的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材復合材料等。目前正在研究和開發(fā)的化學氣相沉積(CVD)金剛石主要有兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30m的薄層膜(CVD薄膜)；另一種是沉積厚度達1mm的

14、無襯底金剛石厚層膜(CVD厚膜)。三種主要的金剛石刀具材料PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石的性能比較結(jié)果為：PCD的焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差；CVD厚膜的抗腐蝕性最好，機械磨削性、刃口質(zhì)量、斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性最差；人工合成單晶金剛石的刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。目前，金剛石刀具是高速切削(25005000m/ min)鋁合金較理想的刀具材料，但在高速切削鋼鐵及其合金時卻磨損較快，其磨損機理主要是由于碳與鐵具有較大親和作用，尤其在高溫下金剛石易與鐵發(fā)生化學反應，因此它不適于切削鋼鐵及其合金材

15、料。(4)金屬陶瓷刀具金屬陶瓷(即TiC(N)基硬質(zhì)合金)的主要成分為TiC(碳化鈦)、TiN(氮化鈦)和TiCN(碳氮化鈦)等。TiC(N)基硬質(zhì)合金包括具有高耐磨性的TiC+Ni(或Mo)合金、具有高韌性的TiC+WC+TaC+Co合金、以TiN為主體的強韌合金和TiCN+NbC高強韌合金等。與WC硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷的硬度、強度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能等均有顯著改善，尤其是高溫強度、高溫硬度、導熱性、抗氧化性和抗熱震性能得到提高，與鋼的親和力小，摩擦系數(shù)小，抗月牙洼磨損和抗粘結(jié)能力強，現(xiàn)已發(fā)展成為獨立系列的一類刀具材料。近年來開發(fā)的高氮含量、具有均勻微細硬質(zhì)組織的TiC(N)基硬

16、質(zhì)合金具有良好的抗磨損性能和抗崩刃性，適于在200400m/min的高速下切削普通鋼和合金鋼，也可用于鑄鐵的精加工。由于TiC的抗粘結(jié)、抗擴散性能較好，所以耐磨性好，但抗塑性變形能力較差，在對高硬材料進行高速切削時常因刀刃的塑性變形而導致刀刃損壞。(5)涂層刀具涂層刀具具有很強的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。涂層的摩擦系數(shù)較低，能有效降低切削時的切削力及切削溫度，因而可大大提高刀具耐用度。TiC涂層的硬度高、耐磨性好，適用于可能產(chǎn)生劇烈磨損的刀具；TiN涂層與被切削金屬的親和力小、潤濕性好、抗氧化性強，適用于容易發(fā)生粘結(jié)磨損的刀具；Al2O3涂層在高溫下具有良

17、好的熱穩(wěn)定性，適用于高速切削時產(chǎn)生大量切削熱的刀具。目前應用較廣泛的主要是在硬質(zhì)合金和高速鋼刀體上涂覆不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化鋁(Al2O3)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAl-CN)等涂層具有優(yōu)異的高溫性能。WC基、TiC(N)基硬質(zhì)合金和陶瓷等材料都可作為涂層刀具的基體。涂層技術(shù)發(fā)展很快，目前已從單涂層發(fā)展為多涂層。應用較廣泛的涂層工藝有化學氣相沉積法(CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)。PVD法主要用于高速鋼刀具涂層；CVD法和PVD法均可用于硬質(zhì)合金刀具涂層。PVD法涂層的硬質(zhì)合金刀具有較好的抗破損性能，適于斷續(xù)切削，但耐磨性不如C

18、VD法涂層的硬質(zhì)合金刀具。目前適用于高速切削的硬質(zhì)合金涂層刀具的涂層物質(zhì)主要有采用CVD法的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN、TiN+Al2O3、TiCN等和采用PVD法的TiAlN/TiN復合涂層、TiAlN等。選用不同涂層物質(zhì)的硬質(zhì)合金涂層刀具可以200400m/min的切削速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、合金鑄鐵等。近年來開發(fā)的氮化碳(CNx)和其它氮化物(TiN/NbN、TiN/VN等)涂層在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，適合于高速切削。日本近年開發(fā)的納米TiN/AlN復合涂層銑刀片的涂層層數(shù)達2000層，每層厚度為2.5nm，可在高速下進

19、行切削。涂層刀具用于高速切削時，由于切削溫度較高，可使涂層與基體的結(jié)合強度削弱，容易產(chǎn)生剝落、崩碎等損傷。4高速切削刀具的磨損壽命高速切削時，應根據(jù)加工方法和加工要求確定合理的刀具磨損壽命(極限)。影響高速切削刀具磨損壽命的因素較多，如工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何形狀、切削用量、冷卻液、振動等對刀具磨損壽命都有顯著影響，其影響規(guī)律與具體切削條件有關(guān)，應通過切削試驗來確定各相關(guān)因素對刀具磨損壽命的影響效應。下面給出幾個高速切削加工實例及相應的刀具磨損壽命。(1)鑄鐵的高速切削加工在鑄鐵的高速切削加工中，正確選擇刀具材料是提高加工效率的關(guān)鍵。適用于高速切削鑄鐵零件的刀具材料主要有超

20、細晶粒硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和涂層刀具等。陶瓷刀具是高速切削鑄鐵的理想刀具之一，其價格比PCBN刀具低廉得多，其高速切削鑄鐵的切削性能則遠遠優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具。用Sialon陶瓷刀具和Si3N4陶瓷刀具車削和銑削普通鑄鐵時，在相同切削條件下，Sialon陶瓷刀具車削時的磨損量較小，而Si3N4陶瓷刀具銑削時的磨損量較小。這說明Sialon陶瓷刀具適用于高速連續(xù)切削，而Si3N4陶瓷刀具適用于高速斷續(xù)切削。(2)淬硬鋼的高速切削加工在相同切削條件下(切削進給量0.1mm/r，切削深度0.2mm，刀具磨鈍標準VB=0.2mm)分別采用P10硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具和CBN刀具加工AISI

21、 4340工件材料(硬度60HRC)時，硬質(zhì)合金刀具的工作壽命最低，這是由于工件材料硬度很高，導致加工時的切削力和切削溫度較高，造成硬質(zhì)合金刀具迅速磨損、剝離乃至斷裂破損。陶瓷刀具和CBN刀具的工作壽命隨著切削速度的提高而增加，當達到最大臨界值后則開始降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是當切削速度增加時，刀具粘結(jié)層厚度增加，形成一層保護膜，有利于減小刀具磨損，從而提高了刀具壽命；但當切削速度進一步提高時，刀具表面層將變軟，容易被工件材料中的硬質(zhì)點磨耗掉，從而加劇了刀具磨損，造成刀具壽命迅速降低。(3)鎳基合金的高速切削加工選用Si3N4陶瓷刀具和Si3N4-TiC陶瓷刀具(刀具幾何參數(shù)分別為-5°，-6&#