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 2009年03月13日15:57 生意社生意社03月13日訊       1 引言    從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，由于數(shù)控機(jī)床的主軸、進(jìn)給系統(tǒng)等功能部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)的突破，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度均大幅度提高，在現(xiàn)代制造技術(shù)全面進(jìn)步的推動(dòng)下，切削加工技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入高速切削的新階段。目前，高速切削已在模具、航空、汽車(chē)等制造業(yè)領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并正向其它應(yīng)用領(lǐng)域拓展。    高速切削加工對(duì)刀具提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削時(shí)，造成刀具損

2、壞的主要原因是在切削力和切削溫度作用下因機(jī)械摩擦、粘結(jié)、化學(xué)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(duì)高速切削刀具材料最主要的性能要求是耐熱性、耐磨性、化學(xué)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(dāng)其韌性得到改善后，非常適合用于高速切削。先進(jìn)涂層技術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(kāi)發(fā)方興未艾，預(yù)示著涂層刀具在高速切削領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟀l(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)用前景。    本文對(duì)高速切削加工時(shí)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(jī)理進(jìn)行

3、了綜合評(píng)述，對(duì)刀具的磨損形態(tài)和磨損壽命進(jìn)行了分析，這些研究將有益于實(shí)際生產(chǎn)加工中對(duì)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(shí)，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(huì)使刀具喪失切削性能，在高速切削時(shí)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)

4、生的微小缺口，常發(fā)生在斷續(xù)高速切削時(shí)，通過(guò)選用韌性好的刀具材料、減小進(jìn)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(zhǎng)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(shí)刀具容易發(fā)生邊界磨損，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(shí)，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(shí)也容易發(fā)生邊界磨損。  &#

5、160; 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(yīng)力疲勞所致。當(dāng)剝落很小時(shí)，被認(rèn)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(kuò)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(shí)，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(qiáng)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(shí)也可能發(fā)生塑性變形現(xiàn)象。  

6、;  3 高速切削刀具的磨損機(jī)理    在高速切削加工中，與普通切削加工類似，也存在兩個(gè)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(shí)刀具與工件的接觸時(shí)間減少，接觸頻率增加，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更多向刀具傳遞，因此其磨損機(jī)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(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點(diǎn)。陶瓷

7、刀具的最佳切削速度通?？杀扔操|(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(shí)，切削溫度可高達(dá)8001000甚至更高，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機(jī)制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)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(shí)以高溫引起的粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴(kuò)散磨損為主。    Al2O3基陶瓷刀具在連續(xù)高速切削鋼件時(shí)，其磨損機(jī)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(shí)，磨損機(jī)制主要為磨料磨損。   

8、用Al2O3/SiCw陶瓷刀具高速加工Inconel 718高溫合金時(shí)，刀具的主要磨損機(jī)制為粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散磨損，因此用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時(shí)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(shí)，前刀面與后刀面的磨損機(jī)理有所不同：化學(xué)反應(yīng)及塑性變形是前刀面磨損的主要原因；后刀面的磨損機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致陶瓷顆粒脫落所致。Al2O3/TiB2陶瓷刀具加工高強(qiáng)鋼和淬硬鋼時(shí)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(qiáng)。Al2O3基陶瓷刀具在高速切削時(shí)，刀具

9、表層有時(shí)會(huì)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(yīng)形成了尖晶石結(jié)構(gòu)，或者是 Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點(diǎn)、低硬度的化合物。    Si3N4基陶瓷刀具高速切削鑄鐵時(shí)的主要磨損機(jī)制為化學(xué)磨損。雖然化學(xué)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(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會(huì)引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。切削鋼件時(shí)，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)，由于Si3N4顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相

10、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(shí)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成的SiO2層不斷被磨去；SiO2與工件表面的FeO形成低熔點(diǎn)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(wú)序排列狀態(tài)，因此PCBN硬度均勻，無(wú)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（1300150

11、0）、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)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(huì)影響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和導(dǎo)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(shí)，PCBN有較好的韌性和導(dǎo)電性，采用陶瓷材料作為粘結(jié)相時(shí)則具有較好的熱穩(wěn)定性。    PCBN 刀具高速切削鑄鐵時(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損，導(dǎo)致前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損。試驗(yàn)證明，通過(guò)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(zhǎng)度（時(shí)間），可減小化學(xué)磨

12、損速率，避免前刀面月牙洼磨損。一般認(rèn)為，CBN刀具的磨損是由于切削過(guò)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(xué)元素與之發(fā)生粘結(jié)、親和而引起的，即其磨損機(jī)制主要包括：氧化磨損和相變磨損。CBN刀具高速切削時(shí)的平均切削溫度可達(dá)10001200，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(huì)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(duì)Fe族元素有較高化學(xué)惰性，但對(duì)其它元素并非如此，當(dāng)條件適合時(shí)，會(huì)使CBN活性增加、惰性降低，隨著與合金

13、元素的親和傾向不斷增加，將導(dǎo)致出現(xiàn)粘結(jié)磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當(dāng)?shù)都鈪^(qū)溫度高達(dá) 1200左右時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使CBN刀具發(fā)生摩擦磨損。顆粒剝落與微崩刃。由于CBN刀具是由無(wú)數(shù)細(xì)小的CBN顆粒構(gòu)成，顆粒之間呈晶界間的精細(xì)裂紋連接，且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，因此當(dāng)高溫切屑流摩擦刮研CBN刀尖時(shí)，會(huì)因工件材料硬度不均或存在硬質(zhì)點(diǎn)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(dú)立存在、單獨(dú)作用，而是相互影響、共同加劇，如氧化磨損和

14、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(dǎo)熱系數(shù)。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的多種采用化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)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(duì)容易，從而使天然金剛石刀具在超精密鏡面切削領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代實(shí)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(wú)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（800012

15、000HV）、高導(dǎo)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(qiáng)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(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。目前正在研究和開(kāi)發(fā)的化學(xué)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(dá)1mm的無(wú)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(jī)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

16、抗腐蝕性最好，機(jī)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(jī)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(shí)卻磨損較快，其磨損機(jī)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(xué)反應(yīng)，因此它不適于切削鋼鐵及其合金材料。   （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

17、）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(qiáng)韌合金和TiCN+NbC 高強(qiáng)韌合金等。與WC硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷的硬度、強(qiáng)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(qiáng)度、高溫硬度、導(dǎo)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(qiáng)，現(xiàn)已發(fā)展成為獨(dú)立系列的一類刀具材料。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的高氮含量、具有均勻微細(xì)硬質(zhì)組織的TiC（N）基硬質(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)

18、、抗擴(kuò)散性能較好，所以耐磨性好，但抗塑性變形能力較差，在對(duì)高硬材料進(jìn)行高速切削時(shí)常因刀刃的塑性變形而導(dǎo)致刀刃損壞。   （5）涂層刀具    涂層刀具具有很強(qiáng)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(shí)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(rùn)濕性好、抗氧化性強(qiáng)，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好的熱穩(wěn)定性，適用于高速切削時(shí)產(chǎn)生大量切削熱的刀具。目前應(yīng)用較廣泛的主

19、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(yīng)用較廣泛的涂層工藝有化學(xué)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CVD法涂層的硬質(zhì)合金刀具。目前適

20、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(fù)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(lái)開(kāi)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(kāi)發(fā)的納米TiN/AlN復(fù)合涂層銑刀片的涂層層數(shù)達(dá)2000層，每層厚度為2.5nm，可在

21、高速下進(jìn)行切削。涂層刀具用于高速切削時(shí)，由于切削溫度較高，可使涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)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(shí)，應(yīng)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(dòng)等對(duì)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(yīng)通過(guò)切削試驗(yàn)來(lái)確定各相關(guān)因素對(duì)刀具磨損壽命的影響效應(yīng)。下面給出幾個(gè)高速切削加工實(shí)例及相應(yīng)的刀具磨損壽命。   （1）鑄鐵的高

22、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細(xì)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(jià)格比PCBN刀具低廉得多，其高速切削鑄鐵的切削性能則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具。用Sialon陶瓷刀具和Si3N4陶瓷刀具車(chē)削和銑削普通鑄鐵時(shí)，在相同切削條件下，Sialon陶瓷刀具車(chē)削時(shí)的磨損量較小，而Si3N4陶瓷刀具銑削時(shí)的磨損量較小。這說(shuō)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

23、）淬硬鋼的高速切削加工    在相同切削條件下（切削進(jìn)給量 0.1mm/r，切削深度0.2mm，刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)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 4340工件材料（硬度60HRC）時(shí)，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(dǎo)致加工時(shí)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(dāng)達(dá)到最大臨界值后則開(kāi)始降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)切削速度增加時(shí)，刀具粘結(jié)層厚度增加，形成一層保護(hù)膜，有利于減小刀具磨損，從而提高了刀具壽命；但當(dāng)切削

24、速度進(jìn)一步提高時(shí)，刀具表面層將變軟，容易被工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)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°；5°，6°；15°，15°；0.8mm）高速車(chē)削鎳基合金Inconel 718工件（直徑150mm，硬度440HV）。切削進(jìn)給量0.19mm/r，切削深度0.5mm，切削速度30300m/min，使用水基冷卻液（冷卻速度4l/min）。由Si3N4陶瓷刀具的磨損形態(tài)和磨損量在切削長(zhǎng)度為50m時(shí)與切削速度的關(guān)系可見(jiàn)，邊界磨損量VN的變化較為獨(dú)特：當(dāng)切削速度較低時(shí)，VN隨切削速度的增加而減?。划?dāng)切削速度超過(guò)100m/min時(shí)，VN則隨切削速度的增加而增大；當(dāng)切削速度超過(guò)150m/min時(shí)，VN又隨切削速度的增加而減小。后刀面磨損量VB在整個(gè)切削速度范圍內(nèi)均小于邊界磨損量VN。用添加了TiC的Si3N4-TiC陶瓷刀具加工Inco