一文了解加工中的刀具磨損，延長刀具壽命

文章來源：http://www.ruchuo.cn 發布時間：2024-10-26 瀏覽次數：14

刀具磨損是切削加工中最基本的問題之一。了解刀具磨損的情況和原因，可以幫助刀具制造商以及用戶延長數控刀具壽命。現在的數控刀具都會采用涂層技術（包括采用新的合金元素），這進一步有效的延長了刀具的使用壽命，同時可以顯著提高生產率。下文對刀具磨損做了詳細梳理，盡管某些例子有點老，相信會對你有所啟發。

01 刀具磨損機理介紹

在金屬切削加工中，產生的熱量和摩擦是能量的表現形式。由很高的表面負荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑移而產生的熱量和摩擦，使刀具處于一種極具挑戰性的加工環境中。

切削力的大小往往會上下波動，主要取決于不同的加工條件（如工件材料中存在硬質成份，或進行斷續切削）。因此，為了在切削高溫下保持其強度，要求刀具具有一些基本特性，包括極好的韌性、耐磨性和高硬度。

盡管刀具/工件界面處的切削溫度是決定幾乎所有刀具材料磨損率的關鍵要素，但要確定計算切削溫度所需的參數值卻十分困難。不過，切削試驗的測量結果可以為一些經驗性的方法奠定基礎。

通常可以假定，在切削中產生的能量被轉化為熱量，而通常這些熱量的80％都被切屑帶走（這一比例的變化取決于幾個要素——尤其是切削速度）。其余大約20％的熱量則傳入刀具之中。即使在切削硬度不太高的鋼件時，刀具溫度也可能會超過550℃，這是高速鋼在硬度不降低的前提下能夠承受的最高溫度。用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具切削淬硬鋼時，刀具和切屑的溫度通常將超過1000℃。

02 刀具磨損與刀具壽命

刀具磨損通常包括以下幾種類型：后刀面磨損、刻劃磨損、月牙洼磨損、切削刃磨鈍、切削刃崩刃、切削刃裂紋、災難性失效。

對于刀具壽命，并沒有被普遍接受的統一定義，通常取決于不同的工件和刀具材料，以及不同的切削工藝。定量分析刀具壽命終止點的一種方式是設定一個可以接受的最大后刀面磨損極限值（用VB或VBmax表示）。

刀具壽命可用預期刀具壽命的泰勒公式表示，即VcTn=C，該公式的一種更常用的形式為VcTn×Dxfy=C式中，Vc為切削速度；T為刀具壽命；D為切削深度；f為進給率；x和y由實驗確定；n和C是根據實驗或已發表的技術資料確定的常數，它們表示刀具材料、工件和進給率的特性。

不斷發展的最佳刀具基體、涂層和切削刃制備技術對于限制刀具磨損和抵抗切削高溫至關重要。這些要素，加上在可轉位刀片上采用的斷屑槽和轉角圓弧半徑，決定了每種刀具對于不同的工件和切削加工的適用性。所有這些要素的最佳組合能夠延長刀具壽命，使切削加工更經濟、更可靠。

03 改變刀具基體

通過在1~5μm范圍內改變碳化鎢的粒度，刀具制造商可以改變硬質合金刀具的基體性能。基體材料的粒度對于切削性能和刀具壽命起著重要作用。粒度越小，刀具的耐磨性越好。反之，粒度越大，刀具的強韌性越好。細顆粒基體主要用于加工航空牌號材料（如鈦合金、Inconel合金和其他高溫合金）的刀片。

此外，將硬質合金刀具材料的鈷含量提高6％~12％，可以獲得更好的韌性。因此，可以通過調整鈷含量來滿足特定切削加工的要求，無論這種要求是韌性還是耐磨性。

刀具基體的性能還可以通過在接近外表面處形成富鈷層，或者通過在硬質合金材料中有選擇性地添加其他合金元素（如鈦、鉭、釩、鈮等）而獲得增強。富鈷層可以顯著提高切削刃強度，從而提高粗加工和斷續切削刀具的性能。

此外，在選擇與工件材料和加工方式相匹配的刀具基體時，還表現考慮另外5種基體特性——斷裂韌性、橫向斷裂強度、抗壓強度、硬度和耐熱沖擊性能。例如，如果硬質合金刀具出現沿切削刃崩刃的現象，就應該選用具有較高斷裂韌性的基體材料。而在刀具出現切削刃直接失效或破損的情況下，可能采用的解決方案是選用具有較高橫向斷裂強度或較高抗壓強度的基體材料。對于切削溫度較高的加工場合（如干式切削），通常應該首選硬度較高的刀具材料。在可以觀察到刀具產生熱裂紋的加工場合（在銑削加工中最常見），建議選用耐熱沖擊性能較好的刀具材料。

對刀具基體材料的優化改進可以提高刀具的切削性能。例如，伊斯卡（Iscar）公司用于加工鋼件的SumoTec刀片牌號的基體材料具有較好的抗塑性變形能力，從而能減小硬脆的刀片涂層產生微裂紋的可能性。通過對SumoTec刀片的二次加工，減小了其涂層的表面粗糙度和微裂紋，從而降低了刀片表面的切削熱以及由此引起的塑性變形和微裂紋。此外，一種加工鑄鐵用刀片的新型基體具有更好的耐熱性，從而可以采用更高的切削速度進行加工。

04 選擇正確的涂層

涂層也有助于提高刀具的切削性能。目前的涂層技術包括：

（1）氮化鈦（TiN）涂層：這是一種通用型PVD和CVD涂層，可以提高刀具的硬度和氧化溫度。

（2）碳氮化鈦（TiCN）涂層：通過在TiN中添加碳元素，提高了涂層的硬度和表面光潔度。

（3）氮鋁鈦（TiAlN）和氮鈦鋁（AlTiN）涂層：氧化鋁（Al2O3）層與這些涂層的復合應用可以提高高溫切削加工的刀具壽命。氧化鋁涂層尤其適合干式切削和近干切削。AlTiN涂層的鋁含量較高，與鈦含量較高的TiAlN涂層相比，具有更高的表面硬度。AlTiN涂層通常用于高速切削加工。

（4）氮化鉻（CrN）涂層：這種涂層具有較好的抗粘結性能，是對抗積屑瘤的首選解決方案。

（5）金剛石涂層：金剛石涂層可以顯著提高加工非鐵族材料刀具的切削性能，非常適合加工石墨、金屬基復合材料、高硅鋁合金和其他高磨蝕性材料。但金剛石涂層不適合加工鋼件，因為它與鋼的化學反應會破壞涂層與基體的粘附性能。

近年來，PVD涂層刀具的市場份額有所擴大，其價格也與CVD涂層刀具不相上下。CVD涂層的厚度通常為5－15μm，而PVD涂層的厚度約為2－6μm。在涂覆到刀具基體上時，CVD涂層會產生不受歡迎的拉應力；而PVD涂層則有助于對基體形成有益的壓應力。較厚的CVD涂層通常會顯著降低刀具切削刃的強度。因此，CVD涂層不能用于要求切削刃非常鋒利的刀具。

在涂層工藝中采用新的合金元素可以改善涂層的粘附性和涂層性能。例如，伊斯卡公司的3PSumoTec處理技術能提高PVD和CVD兩類涂層的韌性、光滑程度和抗崩刃性能。SumoTec涂層技術還能減小摩擦，從而降低加工中的能量消耗，同時提高對積屑瘤的抵抗能力。

SumoTec涂層工藝可以減少刀片在CVD涂層后冷卻時因收縮率不同而在刀片表面產生的微裂紋。同樣，該工藝還能消除PVD涂層時在涂層表面產生的有害液滴，從而使涂層表面更光滑，使刀片在加工時切削溫度更低、壽命更長、形成更理想的切屑流，以及能采用更高的切削速度。

另一個例子是伊斯卡公司的Do-Tec涂層技術。該技術可在中溫CVDAl2O3涂層上沉積一層TiAlNPVD涂層。這種復合涂層具有很好的耐磨性和抗崩刃性，非常適合用于高速切削鑄鐵的各種刀片牌號，其預期的切削速度可達到650－1200sfm以上（取決于工件材料的類型和加工條件）。

05 切削刃的制備

在許多情況下，刀片切削刃的制備（或稱刃口鈍化）已成為決定加工成敗的分水嶺。鈍化工藝參數需根據特定的加工要求而定。例如，用于高速精加工鋼件的刀片對刃口鈍化的要求就與用于粗加工的刀片有所不同。刃口鈍化可應用于加工幾乎任何類型碳鋼或合金鋼的刀片，而在加工不銹鋼和特殊合金材料的刀片上，其應用則有一定限制。鈍化量可以小至0.007mm，也可以大到0.05mm。為了在條件惡劣的加工中起到增強切削刃的作用，還可以通過刃口鈍化形成微小的T型棱帶。

一般來說，用于連續車削加工以及銑削大部分鋼和鑄鐵的刀片需要進行較大程度的刃口鈍化。鈍化量取決于硬質合金牌號和涂層類型（CVD或PCD涂層）。對于重度斷續切削加工刀片，對刃口進行重度鈍化或加工出T型棱帶已成為一種先決條件。根據不同的涂層類型，鈍化量可接近0.05mm。

與此相反，由于加工不銹鋼和高溫合金的刀片容易形成積屑瘤，因此要求切削刃保持鋒利，只能進行輕微鈍化（可小至0.01mm），甚至還可以定制更小的鈍化量。同樣，加工鋁合金的刀片也要求具有鋒利的切削刃。

例如，伊斯卡公司生產各種具有螺旋切削刃的刀片，這種切削刃的廓形是圍繞一個圓柱面沿軸向均勻移動而形成的。這種近似于螺旋線的螺旋刃設計的優點之一是切削運動更平滑。與直線刃的切削方式不同，螺旋切削刃模擬了螺旋槽立銑刀的運動方式。切削刃是在“螺旋”運動中逐漸進入切削，而不是全部同時進入切削，從而可減輕顫振，獲得更好的加工表面光潔度。

此外，螺旋切削刃能承受更大的切削負荷，獲得更高的金屬去除率，同時還能減小應力。由于作用于刀具的切削壓力和切削熱降低，因此螺旋切削刃的另一個優勢是可以延長刀具壽命。了解刀具磨損的機理，并采用新技術與之抗衡，可以提高刀具壽命和加工效率。在如今的市場上，企業不僅要在本地競爭，而且還要參與全球競爭，因此，充分利用自己的全部競爭優勢至關重要。