解析刀具磨損與刀具壽命——

　　涂層技術(shù)有效改善刀片切削區(qū)域性能

　　金屬切削過程中所產(chǎn)生的功率消耗以切削熱和摩擦的形式表現(xiàn)出來丛君。這些因素使刀具處于惡劣的加工條件下苟呐，表面高負(fù)載汪厨、高切削溫度低斋。之所以產(chǎn)生高溫是因?yàn)榍行佳氐毒咔暗睹娓咚倩仆Ｆ龋瑢?duì)切削刃，產(chǎn)生高壓及強(qiáng)烈的摩擦司逗。

　　加工過程中擎若，刀具遇到部件微結(jié)構(gòu)中的硬質(zhì)點(diǎn)，或進(jìn)行斷續(xù)切削改佛，可導(dǎo)致切削力出現(xiàn)波動(dòng)漂肖。因此，對(duì)切削刀具有耐高溫遵奇、高韌性躯括、高耐磨性、高硬度等特點(diǎn)的要求杏恍。

　　在過去的半個(gè)世紀(jì)里轮昧，為了持續(xù)提升切削刀具的性能，人們開展了大量的研究工作胆狐。

　　影響幾乎所有刀具材料磨損率的一個(gè)關(guān)鍵因素是加工過程中所達(dá)到的切削溫度熟排。遺憾的是，很難界定計(jì)算切削溫度的相關(guān)參數(shù)值虱而，但實(shí)驗(yàn)測(cè)定可以為經(jīng)驗(yàn)公式提供依據(jù)丸冕。

　　通常假設(shè)切削過程中所產(chǎn)生的所有能量均轉(zhuǎn)換為切削熱，80%的切削熱會(huì)被切屑帶走（這一數(shù)值會(huì)隨著一些因素而變化薛窥，切削速度為主要影響因素）胖烛。這使得大約20％的熱量進(jìn)入了刀具。即使切削低碳鋼诅迷，刀具溫度也可超過550℃佩番，而此溫度值是高速鋼（HSS）保持硬度所能承受的最高溫度。用立方氮化硼（CBN）刀具切削淬硬鋼時(shí)罢杉，刀具和切屑溫度可超過1000℃趟畏。

　　刀具磨損和刀具壽命的關(guān)系

　　刀具磨損形態(tài)可分為以下幾類：

　　·        后刀面磨損

　　·        溝槽磨損

　　·        月牙洼磨損

　　·        切削刃崩刃

　　·        熱裂紋

　　·        突發(fā)失效

　　目前業(yè)內(nèi)對(duì)于刀具壽命還沒有一種普遍接受的統(tǒng)一定義。人們需要針對(duì)工件材料和切削工藝滩租，特別說明刀具壽命赋秀。一種量化刀具壽命的方法是定義一個(gè)可以接受的最大后刀面磨損值，即VB或VBmax律想。

　　從數(shù)學(xué)的角度猎莲，刀具壽命可以由如下公式表示绍弟。泰勒公式為刀具壽命預(yù)測(cè)提供了一個(gè)很好的近似計(jì)算的方法。

　　VcTn = C

　　這是泰勒公式的通用形式石阵，相關(guān)參數(shù)如下：

　　·Vc = 切削速度

　　·T = 刀具壽命

　　·D = 切削深度

　　·F = 進(jìn)給速率

　　·x 和 y 依據(jù)實(shí)驗(yàn)情況確定

　　·n和C是由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)值確定的常數(shù)郁表；它們因刀具材料、工件材料和進(jìn)給速率的各異而不同豌楷。

　　從實(shí)踐的角度來看罕腿，為了抑制過度的刀具磨損并克服高溫，應(yīng)注意三個(gè)關(guān)鍵要素：基體彭倡、涂層以及切削刃處理看群。每個(gè)要素都關(guān)系到金屬切削加工成敗。這三個(gè)要素赴笨，結(jié)合卷屑槽形制步盼、刀尖圓角半徑，共同決定了每刀具適用的被加工材料及應(yīng)用場(chǎng)合隘勾。以上所有相關(guān)參數(shù)共同配合作用樊鲁，才能保障刀具的長壽命，并最終體現(xiàn)為加工的經(jīng)濟(jì)性和可靠性捏章。

　　基體

　　兼具耐磨性及韌性的鎢基硬質(zhì)合金刀具蔗彤，加工適應(yīng)范圍更廣。刀具供應(yīng)商通常通過控制WC晶粒度范圍：0.3微米至5微米疯兼，來把握基體的性能然遏。WC晶粒度對(duì)刀具切削加工中的表現(xiàn)具有重大影響。WC晶粒度越小吧彪，刀具越耐磨待侵；反之，WC晶粒度越大姨裸，刀具韌性越佳秧倾。超細(xì)晶粒基體所制成的刀片主要用于加工航空航天工業(yè)的被加工材料傀缩，譬如：鈦合金那先，鉻鎳鐵合金，高溫合金等赡艰。

　　此外售淡，將鈷含量從6%調(diào)整至12％可以顯著提高基體的韌性。因此慷垮，只需調(diào)整基體材料成分揖闸，即可滿足金屬加工應(yīng)用中刀具對(duì)韌性、耐磨性的需求徽榄。

　　基體性能既可以通過毗鄰表層的“富鈷層”進(jìn)行增強(qiáng)阐赖，也可以通過選擇性地在硬質(zhì)合金中加入其它類型的合金元素進(jìn)行增強(qiáng)闲耿，例如碳化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）佃贞、碳化釩（VC）以及碳化鈮（NbC）。富鈷層顯著提高了切削刃強(qiáng)度镐催，使得刀具在粗加工和斷續(xù)加工應(yīng)用中有著優(yōu)異的表現(xiàn)隶俄。

　　此外，為了匹配工件材料并滿足特定加工要求椅豆，選擇合適的基體時(shí)還要考慮以下五個(gè)物理特性： 沖擊韌性剿蹦、橫向斷裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度沽叠、硬度和熱沖擊韌性叹盼。

　　伊斯卡研發(fā)工程師改進(jìn)了新型束魔涂層（SUMO TEC）刀片的基體成份以進(jìn)一步提高性能。用于加工鋼的刀片牌號(hào)基體菊榨，需具有更強(qiáng)的抗塑性變形能力运杭，以抑制因刀片脆性涂層出現(xiàn)的微裂紋。伊斯卡也對(duì)全系列的用于加工鑄鐵的合金基體函卒，進(jìn)行了類似的改進(jìn)辆憔。

　　涂層

　　目前市場(chǎng)上主流的涂層材料包括：

　　·氮化鈦（TiN） - 通常采用PVD涂層，具有高硬度报嵌、抗氧化溫度高的特點(diǎn)虱咧。

　　·氮碳化鈦（TiCN） - 添加碳有助于提高涂層的硬度和涂層表面自潤滑性。

　　·氮化鋁鈦（TiAlN 或 AlTiN）- 包括一層氧化鋁锚国，在切削溫度高的應(yīng)用中可延長刀具壽命腕巡，特別適用于準(zhǔn)干切削/干切削。相對(duì)于TiAlN 涂層血筑，由于鋁/鈦比例的不同绘沉，AlTiN涂層表面硬度更高。此涂層方案非常適合于高速加工應(yīng)用豺总。

　　·氮化鉻（CrN） - 具有高硬度梆砸、耐磨性高的優(yōu)點(diǎn)，是抗積屑瘤的首選解決方案园欣。

　　·金剛石（PCD）- 具有最好的非鐵合金材料加工性能版药，尤其是加工石墨、金屬基復(fù)合材料幔膝、高硅鋁合金和其它研磨材料茅铺。完全不適合加工鋼，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)破壞涂層與基體的結(jié)合抑驹。

　　通過對(duì)近幾年的涂料材料發(fā)展毕模，市場(chǎng)需求的增長進(jìn)行分析昵诅，我們看到，PVD涂層刀具比CVD涂層刀具更受到青睞腌哎。CVD涂層的厚度一般在5-15微米之間變化貌梦，而PVD涂層厚度一般在2-6微米之間。當(dāng)CVD涂層涂覆在基體上表面時(shí)晰淋，CVD涂層會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力尸饵，而PVD涂層則相反產(chǎn)生壓應(yīng)力。這兩種因素分別對(duì)切削刃產(chǎn)生顯著影響乘儒，特別是在斷續(xù)切削或連續(xù)加工過程中的刀具性能苔寝。在涂層工藝中添加新的合金元素不僅有利于提高涂層的結(jié)合力，而且還能夠改善涂層的特性塑猖。

　　伊斯卡最近公布了獨(dú)一無二的3P束魔涂層（SUMO TEC）后處理工藝竹祷，分別對(duì)PVD和CVD涂層的韌性、表面光潔度以及抗崩刃性進(jìn)行了改進(jìn)羊苟。束魔涂層技術(shù)還有助于降低加工中的摩擦力塑陵，并因此提高了抗積屑瘤性，并最終降低了功率消耗蜡励。

　　該獨(dú)特工藝體現(xiàn)為在CVD涂層后猿妈，對(duì)刀片冷卻過程特別的工藝控制，有效減少了刀片涂層表面微裂紋巍虫。同樣彭则，這一工藝可去除PVD涂層工藝中在表面留下的不良液滴。因此占遥，無論是CVD涂層還是PVD涂層俯抖，最終均可以獲得更光滑的涂層表面，這樣刀片切削熱更低瓦胎，壽命更長芬萍，排屑更流暢，可實(shí)現(xiàn)的切削速度也就越快敛意。

　　伊斯卡的另一個(gè)創(chuàng)新是DO- TEC雙涂層技術(shù)她忱，此技術(shù)基于Al2O3中溫化學(xué)涂層（MTCVD）表面，進(jìn)行TiAlN （PVD）涂層胶勾。這一組合為最終用戶帶來了多重好處园秫，比如以中高速切削不同成分含量的鑄鐵，具有高耐磨性爹窥、高抗崩刃性峡稿。

　　刀片切削刃刃口處理

　　在許多情況下切削刃處理（鈍化）決定了加工的成敗。鈍化參數(shù)由預(yù)設(shè)定的應(yīng)用決定。例如土叠，鋼的高速精加工所需的切削刃刃口處理完全不同于應(yīng)用于粗加工的切削刃刃口處理支捍。

　　一般來說，連續(xù)車削需要對(duì)切削刃進(jìn)行鈍化處理构睬，大多數(shù)的鋼和鑄鐵的銑削也是如此抗稿。對(duì)于苛刻的斷續(xù)加工，還需加大鈍化參數(shù)或?qū)η邢魅羞M(jìn)行T-LAND負(fù)倒棱處理歪榕。

　　相比之下基公，當(dāng)加工不銹鋼或高溫合金時(shí)，需對(duì)刀片進(jìn)行鈍化處理以獲得小鈍化半徑捺信，并采納鋒利切削刃酌媒，這是因?yàn)榧庸ご祟惐患庸げ牧蠒r(shí)欠痴，具有容易產(chǎn)生積屑瘤的特性迄靠。同樣，加工鋁時(shí)也需要鋒利切削刃喇辽。

　　在幾何方面掌挚，伊斯卡提供眾多采用螺旋切削刃的刀片，切削刃輪廓沿軸線方向均勻地圍繞在一個(gè)圓柱面上漸進(jìn)菩咨。螺線刃旋向類似于一個(gè)螺旋吠式。螺旋刃設(shè)計(jì)的好處之一是使得切削加工平滑過度，降低振顫抽米，從而獲取更高的表面光潔度特占。此外，螺旋切削刃可以承受更大的切削載荷云茸，使得在降低切削力的同時(shí)是目，去除更多的金屬。螺旋切削刃的刀具的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是刀具壽命更長么鹊，這是因?yàn)榈毒咔邢髁扒邢鳠岣汀?/p>

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