切削材料和涂層對刀具質(zhì)量和使用壽命的影響

俞鵬文

摘要：通過對近年來幾種常用的切削材料和涂層的介紹，探討了刀具磨損的理論模型和實際情況，重點對擴散磨損進(jìn)行分析。根據(jù)確定的工藝參數(shù)，研究幾種切削材料和工件材料的組合刀具壽命。分析了高速鋼刀具的切削速度、進(jìn)給速度和磨削方式對刀具壽命的主要影響。通過摩擦學(xué)模型將所有的參數(shù)和影響進(jìn)行統(tǒng)一計算，通過分析結(jié)果可以幫助我們繼續(xù)優(yōu)化切削參數(shù)，以獲得更好的工件質(zhì)量和更短的生產(chǎn)時間從而降低成本，提高使用壽命。

關(guān)鍵詞：刀具磨損;切削材料;涂層;使用壽命

中圖分類號：TG71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0027-02

0? 引言

在工業(yè)制造生產(chǎn)中，從現(xiàn)在一直到未來的一段時間里工件的加工方式都是以切割為基礎(chǔ)的。通過對世界切削材料生產(chǎn)的統(tǒng)計分析表明，高速鋼約占50%，涂層材料占50%以上[1]。而且硬質(zhì)合金刀具材料中有很大一部分也有涂層。基于這個原因，研究改善現(xiàn)有的切割材料和尋找新的材料是具有實際意義的。切削刀具同樣廣泛應(yīng)用于成形工業(yè)特別是成形模具的生產(chǎn)。切削刀具的質(zhì)量對加工生產(chǎn)有著直接影響，基本要求能夠抵抗高切削速度和進(jìn)給率[2]。在現(xiàn)有工件加工模式下刀具必須可以承受高切削力和高切削溫度，特別是高溫意味著必須改變舊的涂層刀具磨損模式，因為高溫會使刀具產(chǎn)生更大的擴散磨損。

刀具的涂層處理方式主要有三種：物理蒸汽沉積（PVD）、化學(xué)蒸汽沉積（CVD）以及常規(guī)的金屬涂層材料（例如：TiC、TiN、TiCN、Al2O3、HfN）。不同的涂層刀具都有專門的應(yīng)用范圍，比如PVD可以使切削刀刃更加鋒利但是減小刀具的切削力，延長刀具使用壽命。隨著材料結(jié)構(gòu)和粒度的變化，刀具性能也會得到相應(yīng)的提高[3]。在同一種刀具刃口上使用幾種不同類型的涂層可生產(chǎn)出適合特殊操作的刀具。有涂層的高速鋼刀具必須打磨，刃磨后會去除側(cè)面焊盤的涂層但是刀具壽命不會大大縮短。隨著國家工業(yè)4.0發(fā)展口號的提出，傳統(tǒng)機械加工行業(yè)必須進(jìn)行改革，高速切削技術(shù)是機床加工的一大發(fā)展趨勢，必須了解高速切削的相關(guān)理論和技術(shù)[4]。隨著高速切削技術(shù)的推廣和發(fā)展，未來機床加工行業(yè)將會極大縮短生產(chǎn)時間，提升工件質(zhì)量和降低生產(chǎn)價格。

1? 刀具磨損分析

1.1 切削材料分類

在過去的10年里無涂層基本刀具的市場份額在不斷降低，而碳化鎢涂層刀具以及金屬陶瓷刀具的市場份額在不斷提升，而高硬度合金以及陶瓷刀具的市場份額基本沒有變化，歐洲各國生產(chǎn)了大約37%的硬質(zhì)金屬刀具而日本在金屬陶瓷生產(chǎn)方面具有獨特的優(yōu)勢。在加工材料方面采用高速鋼材料的大約為50%，這是由于高速鋼不僅可以用于材料切削，而且還廣泛應(yīng)用于材料銑鉆等領(lǐng)域。其次是硬質(zhì)合金大約為33%，剩下的就是TiN涂層、金屬陶瓷、TiC涂層、陶瓷以及立方氮化硼（CBN），CBN具有所有材料中最高的硬度，僅次于鉆石。

1.2 刀具磨損機理及原因分析

刀具后刀面上的磨損比較容易測量。而麻花鉆磨損的測量則較為復(fù)雜和嚴(yán)苛。測量后刀面上的磨損，我們可以通過測量中等磨損區(qū)域，其中磨損顯示在車削鑲塊上。更為復(fù)雜的是銑刀片后刀面上的磨損流動，因為切削刃可以通過拐角去除或磨圓。工件表面粗糙度的質(zhì)量取決于刀具的磨損程度和切削刃的設(shè)計是否合理。

刀具的磨損通常是多因素共同作用的結(jié)果，所以很難確定刀具磨損的真正原因以及各因素的影響程度。磨損是刀具上的一種非常常見且負(fù)面現(xiàn)象主要受以下幾個因素的影響：刀具和工件材料組合、切削三要素、切削液、切割邊緣的溫度。刀具磨損實際上是一種物理和化學(xué)共同作用的結(jié)果，微觀表現(xiàn)為切削材料的一小部分從刀具邊緣去除。據(jù)統(tǒng)計，50%的刀具磨損是由物理摩擦引起的，20%是由粘著引起的，10%是由化學(xué)作用引起的，其余20%是由所有其他機制（特別是擴散）引起的?？偰p是刀具與工件的機械和化學(xué)相互作用的結(jié)果，可以表述為兩種磨損作用的和，其中的機械磨損主要是指熱力學(xué)磨損，而化學(xué)磨損主要是指由刀具、工件和環(huán)境之間的化學(xué)相互作用引起的熱化學(xué)磨損。

磨損是一種微量損耗機制，在軟表面之間引入硬零件，導(dǎo)致研磨和去除一些切削材料。磨損量隨切削力的增加而線性增加，與切削參數(shù)中的切削速度和給進(jìn)速度直接相關(guān)。較高的切削材料硬度可減少刀具的磨損。粘附是切削材料和工件之間的“焊接”點斷裂的磨損機制。在兩種材料的粗糙度峰值上，壓力和溫度導(dǎo)致“焊接”。由于材料在移動，焊接點每秒會斷開很多次。這會去除切割材料，如果兩種材料相似，則會發(fā)生更密集的切割。摩擦化學(xué)擴散磨損在工件較高溫度（700-1200°C）下會顯著增加，在較高的切削速度下，使用硬質(zhì)金屬刀具就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。即工件與切削材料接觸層上原子顆粒的擴散效應(yīng)。刀具前刀面存在較大的凹坑磨損，尤其是以WC-Co為基體的硬質(zhì)合金，在高速切削條件下，刀具磨損呈指數(shù)增長，在工件加工過程中要盡量避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。還有許多對刀具壽命有負(fù)面影響的磨損源。通?？梢允褂猛繉觼頊p小其他類型的磨損?；赥iC或Ti（CNN）金屬陶瓷的硬質(zhì)金屬加工過程的磨損量較小。

1.3 涂層硬質(zhì)合金的擴散磨損

在高于1000°C的溫度下用TiN涂層的目的是防止刀具和工件之間的擴散磨損。它特別適用于涂有錫的TiC基硬質(zhì)金屬。用掃描電子顯微鏡對涂有TiN的金屬陶瓷切削刃側(cè)面進(jìn)行了觀察。利用能譜儀確定了工件表面的化學(xué)元素。除了Ti外，還發(fā)現(xiàn)少量W、Mo和Fe。通過在高速鋼鉆頭上涂錫，提高了鉆頭的使用壽命。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在實際加工過程中發(fā)現(xiàn)刃磨稍微縮短了刀具壽命，但前刀面上的重要表面和切削刃仍有涂層。涂層刀具的優(yōu)點不僅表現(xiàn)在具有更長的使用壽命，而且與刀具刃口磨損和工件及切屑表面粗糙度更小有關(guān)。

現(xiàn)在最流行應(yīng)用最廣泛的材料是高速鋼。對于重型切削條件，如果工件的厚度超過1000N/mm2，則使用高速鋼Co。而且高速鋼麻花鉆與鍍錫麻花鉆的刀具壽命差異非常顯著。攻絲時，刀具壽命和工件壁面粗糙度有直接關(guān)系。絲錐的質(zhì)量取決于刀具表面，在各種刀具材料中鍍錫刀具更好。絲錐、螺紋壁和切屑表面的摩擦學(xué)符合以下規(guī)律，通過對高速鋼和高速鋼錫刀具之間的表面對比。以切削速度30m/min以及用油作為切削液攻絲750N/mm（C45）的工件材料。采用高速鋼錫刀具，絲錐長度增加4.3倍。

2? 高速切削技術(shù)

2.1 現(xiàn)有材料對比

金屬陶瓷與WC-TiC-Co等復(fù)合材料相比較具有以下優(yōu)點：硬度更高、熱硬度更高、鋼材切割時的摩擦力較低、在基本單位下具有最小的堆積邊緣、更好的彈坑耐磨性。但是也存在以下缺點，機械強度和韌性較低、金屬陶瓷更容易產(chǎn)生碎屑、較低的彈性模量。在使用合適的粘合劑組件開發(fā)的金屬陶瓷嵌件證明其有利于間斷切割性能。金屬陶瓷與鈰化碳化物的加工特性相比較具有以下特點：精車時可能有更高的切削速度、車削時更好的表面光潔度、中等和重型切屑載荷下韌性較低以及沖擊載荷下強度較低（如銑削）。

用涂有TiN、TiC、Al2O3或它們的特定組合的硬質(zhì)金屬制成的刀片可大大提高刀具壽命。而刀具的未來發(fā)展趨勢是用脈沖等離子體法（PPD）在硬質(zhì)合金表面制備c-BN涂層。氮化硼涂層刀具的使用壽命是無涂層刀具刀片使用壽命的6.5倍。特別是硬度在HRc=63的硬加工工件材料。它們不僅具有極高的硬度，而且有很高的韌性，因此對于銑削-斷裂切削非常有用。這些工具材料在未來機床加工的新時代會發(fā)揮極大的作用。

2.2 高速切削技術(shù)優(yōu)勢

高速切削技術(shù)的一些更重要的優(yōu)勢在于提高現(xiàn)代制造業(yè)的加工精度?，F(xiàn)有精密車床加工精度標(biāo)準(zhǔn)為：標(biāo)準(zhǔn)加工為1mm、精密加工為10nm、超精密加工為1nm。下面給出了工件的一些重要因素。例如，機床加工必須要有極高的精確度，因為它的特性反映在工件公差中。對于圓柱體，給出了以下公差：外徑公差（do），IT4;長度公差（l），IT6;內(nèi)徑公差（di），IT7。

在通過銑削等方式高速制造模具時，必須遵循以下加工策略。對于具有良好和不良端部輪廓的模具。如果輪廓頂部不是太高，精加工的成本可以大大降低。實現(xiàn)低頂銑削輪廓的難度也會相應(yīng)降低。刀具的類型及其幾何形狀（銑頭）、銑削參數(shù)等都很重要。最終的結(jié)果是粗糙度，必須為精加工做好準(zhǔn)備。對于高速切削技術(shù)需要理解三個截然相反的說法：粗糙度越小，切割速度越快，成本越低。采用高速切削技術(shù)的精加工可以反而可以節(jié)省成本，因此，正確規(guī)劃銑削工藝是非常重要的。在大輪廓上切割過多的材料，會損失大量的精加工時間。

另外還有一個車床加工的新概念即無冷卻液干加工。這也可以包含在高速切削技術(shù)中。采用優(yōu)質(zhì)的切削刀具例如涂有TiCN的HM，可以銑削硬度為HRc=53的高硬度模具。即使沒有冷卻液刀具壽命也非常長。這是由于切削加工時間較短在加工完畢后可以采用自然風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻。高速切削技術(shù)是一種現(xiàn)代化的車床加工概念，它使生產(chǎn)商能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較好的表面粗糙度質(zhì)量，從而縮短生產(chǎn)時間。為了使用HSC技術(shù)，我們必須有高剛度的機床和優(yōu)良控制性能的自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許以高達(dá)16000mm/min的刀具進(jìn)給率直接在工件的CAM程序輪廓上銑削。

3? 結(jié)論

在無冷卻液干切削的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工時，由于切削刃溫度較高，需要使用涂有TiN、TiC或Al2O3的現(xiàn)代切削刀具。用最小冷卻潤滑切削材料必須涂上錫、金屬陶瓷或CBN等材料，所需的冷卻油量非常少并用專用噴嘴注入。為了工業(yè)4.0所提出的全新制造理念，國家需要更多的資金研發(fā)適用于高速切削技術(shù)的新機床。使用高質(zhì)量、高速度、高精度的機床，間接地降低了使用切削材料的成本并加快了生產(chǎn)效率。如果車床加工的生產(chǎn)速度慢產(chǎn)量低，那么我們就無法在未來模具制造行業(yè)占有一席之地。

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