高速切削刀具磨损寿命的研究

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高速切削刀具磨损寿命的研究

1 引言
    从20世纪80年代开始，由于数控机床的主轴、进给系统等功能部件设计制造技术的突破，数控机床的主轴转速和进给速度均大幅度提高，在现代制造技术全面进步的推动下，切削加工技术开始进入高速切削的新阶段。目前，高速切削已在模具、航空、汽车等制造业领域得到了大量应用，产生了显著的经济效益，并正向其它应用领域拓展。
    高速切削加工对刀具提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削时，造成刀具损坏的主要原因是在切削力和切削温度作用下因机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等的引起的磨损和破损。因此，对高速切削刀具材料最主要的性能要求是耐热性、耐磨性、化学稳定性、抗热震性以及抗涂层破裂性能等。陶瓷、CBN、PCD、金属陶瓷等刀具材料具有良好的耐热性和耐磨性，当其韧性得到改善后，非常适合用于高速切削。先进涂层技术的发展进一步改善了刀具材料的性能。目前，新型涂层材料和涂层工艺的开发方兴未艾，预示着涂层刀具在高速切削领域将有巨大发展潜力和广阔应用前景。
! u3 {+ w" }0 \3 ?( A8 y6 M8 K* G1 N    本文对高速切削加工时陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具、金属陶瓷刀具和涂层刀具的磨损机理进行了综合评述，对刀具的磨损形态和磨损寿命进行了分析，这些研究将有益于实际生产加工中对高速切削刀具的合理选用与磨损控制。
1 ?# w9 ]; ~7 ?5 |  S* z    2 高速切削刀具的磨损形态
8 [: L8 `$ C, S* f7 U  }$ z    高速切削时，刀具的主要磨损形态为后刀面磨损、微崩刃、边界磨损、片状剥落、前刀面月牙洼磨损、塑性变形等。
    后刀面磨损是高速切削刀具最经常发生的磨损形式，可看作是刀具的正常磨损。后刀面磨损带宽度的加大会使刀具丧失切削性能，在高速切削时常采用后刀面上均匀磨损区宽度VB值作为刀具的磨损极限。
# M. n) m  \* z0 h8 \    微崩刃是在刀具切削刃上产生的微小缺口，常发生在断续高速切削时，通过选用韧性好的刀具材料、减小进给量、改变刀具主偏角以增加稳定性等措施，均可减小微崩刃的发生概率。通常只要将刀具微崩刃的大小控制在磨损限度以内，刀具仍可继续切削。
     边界磨损发生在刀具后刀面的刀—工接触边缘处，形状通常为一狭长沟槽，因此也称为沟槽磨损。高速切削不锈钢、高温合金（如Inconel 718）时刀具容易发生边界磨损，其原因是工件表面的加工硬化使刀—工接触边界的工件材料硬度最高。加工外圆时，刀—工接触边界的切削速度最高，因此也容易形成边界磨损。此外，用陶瓷刀具高速切削铸铁时也容易发生边界磨损。
    片状剥落多发生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀—屑或刀—工接触区的接触疲劳或热应力疲劳所致。当剥落很小时，被认为是磨损；但在很多情况下，由于疲劳裂纹源距刀具表面具有一定深度，裂纹扩展后所形成的剥落块往往大于刀具的磨损限度，一旦发生剥落，即可使刀具失效，形成剥落破损。陶瓷刀具端铣钢和铸铁时，前刀面上经常出现贝壳状剥落；涂层刀具因涂层材料与基体材料粘结强度不够也易发生剥落。
    前刀面月牙洼磨损最常出现在塑性金属的高速切削加工中。塑性变形多发生在切削温度较高而刀具红硬性较差的切削条件下，超硬刀具材料在切削速度很高时也可能发生塑性变形现象。
+ Z& P  |) m1 g) D/ e; ^$ ]/ T) `  U/ D    3 高速切削刀具的磨损机理
9 ~; J7 l- W4 l( \$ b1 c     在高速切削加工中，与普通切削加工类似，也存在两个摩擦副：前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面与已加工表面间的摩擦副。其中，前者影响刀具前刀面的磨损，后者影响刀具后刀面的磨损，前、后刀面的磨损均影响刀具寿命。但与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增加，切削过程中产生的热量更多向刀具传递，因此其磨损机理与普通切削有很大区别。
    （1）陶瓷刀具
    陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬质合金刀具高3～10倍，适用于高速切削钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削时，切削温度可高达800～1000℃甚至更高，切削压力也很大。因此，陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损综合作用的结果，其磨损机制主要包括磨料磨损、粘结磨损、化学反应、扩散磨损、氧化磨损等。陶瓷刀具的磨损与切削条件密切相关，在高速切削时以高温引起的粘结磨损、化学反应、氧化磨损和扩散磨损为主。
8 D1 V( A# i' x% h1 l( s1 B7 {    Al2O3基陶瓷刀具在连续高速切削钢件时，其磨损机制主要为伴有微崩刃的磨料磨损和粘结磨损；而在高速切削铸铁时，磨损机制主要为磨料磨损。
4 P6 N5 i- Q4 [. p     用Al2O3/SiCw陶瓷刀具高速加工Inconel 718高温合金时，刀具的主要磨损机制为粘结磨损、化学反应和扩散磨损，因此用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718时必须使用切削液（含氯化石蜡的切削液效果更好）。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN 陶瓷刀具加工AISI 4337钢时，前刀面与后刀面的磨损机理有所不同：化学反应及塑性变形是前刀面磨损的主要原因；后刀面的磨损机理则是陶瓷颗粒间发生断裂，导致陶瓷颗粒脱落所致。Al2O3/TiB2陶瓷刀具加工高强钢和淬硬钢时具有较好的耐磨性，且刀具的耐磨性能随着TiB2含量的增加而增强。Al2O3基陶瓷刀具在高速切削时，刀具表层有时会发生塑性变形现象，这是由于Al2O3与FeO（钢表面氧化产物）或MgO（陶瓷添加剂）反应形成了尖晶石结构，或者是 Al2O3与SiO2、CaO作用形成了低熔点、低硬度的化合物。
+ `4 |1 `4 Z& @% O/ T) B  b* V    Si3N4基陶瓷刀具高速切削铸铁时的主要磨损机制为化学磨损。虽然化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并不大，但化学作用可使机械磨损的程度大大加剧，如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工件间的粘结，从而导致严重的粘结磨损和微观断裂磨损。切削钢件时，Si3N4陶瓷刀具的磨损主要与刀具和工件间的化学作用有关，由于Si3N4颗粒的化学溶解及不断被从玻璃相中拔出，使Si3N4陶瓷刀具表现出很高的磨损率。Si3N4陶瓷刀具高速切削钢件时的高磨损率主要可归因于以下两种因素： ①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2层不断被磨去；②SiO2与工件表面的FeO形成低熔点的共晶混合物。
    （2）立方氮化硼刀具
0 J4 Q: E7 B% x; H& z     立方氮化硼（CBN）是氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼（PCBN）则是由CBN微粉与少量粘结相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高温高压下烧结而成。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排列状态，因此PCBN硬度均匀，无方向性，具有一致的耐磨性和抗冲击性，并有很高的硬度和耐热性（1300～1500℃）、优良的化学稳定性和导热性以及低摩擦系数，而且PCBN与Fe族元素亲和性很低，因此它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。 PCBN的CBN含量、晶粒尺寸、粘结相等均会影响其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和导热性也越高；CBN晶粒尺寸越大，其抗破损性越弱，刀刃锋利性越差；采用金属材料Co、Ni作为粘结相时，PCBN有较好的韧性和导电性，采用陶瓷材料作为粘结相时则具有较好的热稳定性。
    PCBN 刀具高速切削铸铁时主要发生化学磨损，导致前刀面出现月牙洼磨损。试验证明，通过改变CBN含量和刀具几何参数，以降低切削温度和减小刀—屑接触长度（时间），可减小化学磨损速率，避免前刀面月牙洼磨损。一般认为，CBN刀具的磨损是由于切削过程中的高温、高压、切屑与前刀面间的摩擦以及工件材料中有关化学元素与之发生粘结、亲和而引起的，即其磨损机制主要包括：①氧化磨损和相变磨损。CBN刀具高速切削时的平均切削温度可达1000～1200℃，在此高温下，即使在常压和空气气氛中也足以使CBN刀具刀尖区产生氧化、放氮甚至相变。而CBN刀具一经氧化和相变即会丧失其切削能力。②粘结磨损。在一定压力和高温条件下，刀尖与被加工材料接触区随着切屑不断流出，双方均不断裸露出新的表面。尽管CBN对Fe族元素有较高化学惰性，但对其它元素并非如此，当条件适合时，会使CBN活性增加、惰性降低，随着与合金元素的亲和倾向不断增加，将导致出现粘结磨损。这种磨损一般表现为微粒脱落，当刀尖区温度高达 1200℃左右时，局部CBN颗粒将呈现“半熔化”状态，从而使粘结磨损大大加剧。③摩擦磨损。工件与刀具之间的高速相对运动会使CBN刀具发生摩擦磨损。④颗粒剥落与微崩刃。由于CBN刀具是由无数细小的CBN颗粒构成，颗粒之间呈晶界间的精细裂纹连接，且存在不均匀的内应力，因此当高温切屑流摩擦刮研CBN刀尖时，会因工件材料硬度不均或存在硬质点所产生的微冲击而造成CBN颗粒脱落或产生微崩刃。
; O7 `! S4 v& `# @; a) Z7 J* T0 D    造成CBN刀具磨损的上述多种因素并非只是独立存在、单独作用，而是相互影响、共同加剧，如氧化磨损和相变磨损必然伴随着粘结磨损，并出现摩擦磨损、剥落磨损和微崩磨损。
! i: J, Q+ O, K/ v4 D9 u    （3）金刚石刀具
     金刚石材料可分为天然金刚石和人造金刚石。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。近年来开发的多种采用化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石技术使天然金刚石刀具的制造变得相对容易，从而使天然金刚石刀具在超精密镜面切削领域得到广泛应用。20世纪50年代实现了利用高温高压技术人工合成金刚石粉后，70年代制造出了金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石（PCD）刀具。PCD晶粒呈无序排列状态，不具方向性，因而硬度均匀。PCD刀具具有高硬度（8000～12000HV）、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低摩擦系数，刀刃非常锋利，可高速切削加工各种有色金属和耐磨性极强的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。目前正在研究和开发的化学气相沉积（CVD）金刚石主要有两种形式：一种是在基体上沉积厚度小于30μm的薄层膜（CVD薄膜）；另一种是沉积厚度达1mm的无衬底金刚石厚层膜（CVD厚膜）。
     三种主要的金刚石刀具材料———PCD、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石的性能比较结果为：PCD的焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差；CVD厚膜的抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量、断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性最差；人工合成单晶金刚石的刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。目前，金刚石刀具是高速切削（2500～5000m/ min）铝合金较理想的刀具材料，但在高速切削钢铁及其合金时却磨损较快，其磨损机理主要是由于碳与铁具有较大亲和作用，尤其在高温下金刚石易与铁发生化学反应，因此它不适于切削钢铁及其合金材料。
   

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（4）金属陶瓷刀具
, u4 ^# F! q7 g    金属陶瓷（即TiC（N）基硬质合金）的主要成分为 TiC（碳化钛）、TiN（氮化钛）和TiCN（碳氮化钛）等。TiC（N）基硬质合金包括具有高耐磨性的TiC+Ni（或Mo）合金、具有高韧性的 TiC+WC+TaC+Co合金、以TiN为主体的强韧合金和TiCN+NbC 高强韧合金等。与WC硬质合金相比，金属陶瓷的硬度、强度、韧性、抗塑性变形和抗崩刃性能等均有显著改善，尤其是高温强度、高温硬度、导热性、抗氧化性和抗热震性能得到提高，与钢的亲和力小，摩擦系数小，抗月牙洼磨损和抗粘结能力强，现已发展成为独立系列的一类刀具材料。近年来开发的高氮含量、具有均匀微细硬质组织的TiC（N）基硬质合金具有良好的抗磨损性能和抗崩刃性，适于在200～400m/min的高速下切削普通钢和合金钢，也可用于铸铁的精加工。由于TiC 的抗粘结、抗扩散性能较好，所以耐磨性好，但抗塑性变形能力较差，在对高硬材料进行高速切削时常因刀刃的塑性变形而导致刀刃损坏。
    （5）涂层刀具
     涂层刀具具有很强的抗氧化性能和抗粘结性能，因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。涂层的摩擦系数较低，能有效降低切削时的切削力及切削温度，因而可大大提高刀具耐用度。TiC涂层的硬度高、耐磨性好，适用于可能产生剧烈磨损的刀具；TiN涂层与被切削金属的亲和力小、润湿性好、抗氧化性强，适用于容易发生粘结磨损的刀具；Al2O3涂层在高温下具有良好的热稳定性，适用于高速切削时产生大量切削热的刀具。目前应用较广泛的主要是在硬质合金和高速钢刀体上涂覆不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化铝（Al2O3）、碳氮化钛（TiCN）、氮化铝钛（TiAlN）、碳氮化铝钛（TiAl-CN）等涂层具有优异的高温性能。WC基、TiC（N）基硬质合金和陶瓷等材料都可作为涂层刀具的基体。
2 c; v* W. M$ a4 G/ E6 ~- L& }    涂层技术发展很快，目前已从单涂层发展为多涂层。应用较广泛的涂层工艺有化学气相沉积法（CVD法）和物理气相沉积法（PVD法）。PVD法主要用于高速钢刀具涂层；CVD法和PVD法均可用于硬质合金刀具涂层。PVD法涂层的硬质合金刀具有较好的抗破损性能，适于断续切削，但耐磨性不如CVD法涂层的硬质合金刀具。目前适用于高速切削的硬质合金涂层刀具的涂层物质主要有采用CVD法的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN、TiN+Al2O3、 TiCN等和采用PVD法的TiAlN/TiN复合涂层、TiAlN等。选用不同涂层物质的硬质合金涂层刀具可以200～400m/min的切削速度加工钢、合金钢、不锈钢、铸铁、合金铸铁等。近年来开发的氮化碳（CNx）和其它氮化物（TiN/NbN、TiN/VN等）涂层在高温下具有良好的热稳定性，适合于高速切削。
    日本近年开发的纳米TiN/AlN复合涂层铣刀片的涂层层数达2000层，每层厚度为2.5nm，可在高速下进行切削。涂层刀具用于高速切削时，由于切削温度较高，可使涂层与基体的结合强度削弱，容易产生剥落、崩碎等损伤。
    4 高速切削刀具的磨损寿命
; |2 o6 s! E# {% Q     高速切削时，应根据加工方法和加工要求确定合理的刀具磨损寿命（极限）。影响高速切削刀具磨损寿命的因素较多，如工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何形状、切削用量、冷却液、振动等对刀具磨损寿命都有显著影响，其影响规律与具体切削条件有关，应通过切削试验来确定各相关因素对刀具磨损寿命的影响效应。下面给出几个高速切削加工实例及相应的刀具磨损寿命。
    （1）铸铁的高速切削加工
    在铸铁的高速切削加工中，正确选择刀具材料是提高加工效率的关键。适用于高速切削铸铁零件的刀具材料主要有超细晶粒硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和涂层刀具等。陶瓷刀具是高速切削铸铁的理想刀具之一，其价格比PCBN刀具低廉得多，其高速切削铸铁的切削性能则远远优于硬质合金刀具。用Sialon陶瓷刀具和Si3N4陶瓷刀具车削和铣削普通铸铁时，在相同切削条件下，Sialon陶瓷刀具车削时的磨损量较小，而Si3N4陶瓷刀具铣削时的磨损量较小。这说明Sialon陶瓷刀具适用于高速连续切削，而Si3N4陶瓷刀具适用于高速断续切削。
9 e. R8 J; @; ?  `' H. W7 f- W    （2）淬硬钢的高速切削加工
    在相同切削条件下（切削进给量 0.1mm/r，切削深度0.2mm，刀具磨钝标准VB=0.2mm）分别采用P10硬质合金刀具、陶瓷刀具和CBN刀具加工AISI 4340工件材料（硬度60HRC）时，硬质合金刀具的工作寿命最低，这是由于工件材料硬度很高，导致加工时的切削力和切削温度较高，造成硬质合金刀具迅速磨损、剥离乃至断裂破损。陶瓷刀具和CBN刀具的工作寿命随着切削速度的提高而增加，当达到最大临界值后则开始降低。出现这一现象的原因可能是当切削速度增加时，刀具粘结层厚度增加，形成一层保护膜，有利于减小刀具磨损，从而提高了刀具寿命；但当切削速度进一步提高时，刀具表面层将变软，容易被工件材料中的硬质点磨耗掉，从而加剧了刀具磨损，造成刀具寿命迅速降低。
    （3）镍基合金的高速切削加工
    选用Si3N4陶瓷刀具和 Si3N4-TiC陶瓷刀具（刀具几何参数分别为-5°，-6°；5°，6°；15°，15°；0.8mm）高速车削镍基合金Inconel 718工件（直径150mm，硬度440HV）。切削进给量0.19mm/r，切削深度0.5mm，切削速度30～300m/min，使用水基冷却液（冷却速度4l/min）。由Si3N4陶瓷刀具的磨损形态和磨损量在切削长度为50m时与切削速度的关系可见，边界磨损量VN的变化较为独特：当切削速度较低时，VN随切削速度的增加而减小；当切削速度超过100m/min时，VN则随切削速度的增加而增大；当切削速度超过150m/min时，VN又随切削速度的增加而减小。后刀面磨损量VB在整个切削速度范围内均小于边界磨损量VN。用添加了TiC的Si3N4-TiC陶瓷刀具加工Inconel 718时，由刀具的磨损形态和磨损量与切削速度的关系可见，刀具的磨损形态和磨损规律与Si3N4陶瓷刀具非常相似，但磨损量小于Si3N4陶瓷刀具。
    对于高速切削刀具，除应考虑其静态特性外，还应考虑其动态特性。随着刀具悬伸量的不同，可能使刀具系统（刀柄—刀体—刀片等）的固有频率与因每个刀齿切削不均产生的刀齿宽频带激振的频率（或其谐波分量）一致，从而产生颤振，引起刀具剧烈磨损，甚至发生破损。
    5 结语
4 e# i' k* I9 X, T, o; P' z     本文对高速切削加工时陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具、金属陶瓷刀具和涂层刀具的磨损形态和磨损机理进行了综合评述。不同种类的刀具材料高速切削加工不同的工件材料时，其磨损形态和磨损机理也各不相同。对影响高速切削刀具磨损寿命的因素进行了综合分析，研究结论对实际加工中高速切削刀具的合理选用及磨损控制具有指导、参考和借鉴作用。