深究高速切削刀具的磨损寿命

　　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，产生了显着的经济效益，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。

　　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。

　　高速切削刀具的磨损形态

　　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。

　　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。

　　（4）金属陶瓷刀具

　　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着改善，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。

　　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。

　　高速切削刀具的磨损寿命

　　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着影响，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。