“工欲善其事，必先利其器”渠吮，這句古話對切削加工而言，“器”指的是刀具和機(jī)床痹橙。機(jī)床使刀具和工件作必要的相對運(yùn)動僻绸。而刀具則在相對運(yùn)動中切削工件，它作為利器涕克，既要有好的材料蛀醉，又要有先進(jìn)合理的幾何形狀。對車削刀片來說衅码，材料包括基體材料和涂層材料拯刁，幾何形狀則和斷屑槽設(shè)計(jì)密切相關(guān)。用戶有的需要著重提高車削鋼的效率逝段、穩(wěn)定性垛玻，有的則需要有較廣闊的通用性，對于刀具制造商而言就應(yīng)從不同的方向去研發(fā)用戶對這些新產(chǎn)品的不同需求奶躯，以滿足他們個性化的差異帚桩。

本期中亿驾，通過一些共性問題的剖析，將分別進(jìn)行闡述账嚎。

涂層與刀片

刀片的損傷形式主要分為磨損和破損（崩刃）莫瞬。涂層硬度高低和厚度直接影響刀片的耐磨性，其韌性則會影響刀片承受沖擊的耐破損性郭蕉。切削時(shí)疼邀，刀片表面粘結(jié)物的形成和在持續(xù)加工時(shí)，被強(qiáng)制脫落也會造成磨損和破損恳不。涂層材料在耐熱褥辰、耐化學(xué)物方面的穩(wěn)定性越好、被切削材料的親和性越差的情況下麸河，就越不易產(chǎn)生粘結(jié)和相應(yīng)的損傷力邻。涂層的導(dǎo)熱系數(shù)也很重要，它是涂層物質(zhì)在加工時(shí)生成切削熱后的導(dǎo)出能力冰枯，導(dǎo)熱系數(shù)值低认平，熱導(dǎo)出能力則差，使熱難以傳入刀片庵窄，將熱傳給切屑隨之排出弃净，可以減少刀片的熱磨損。

在硬質(zhì)合金等基體材料表面涂敷數(shù)微米硬質(zhì)物質(zhì)炉展，可使切削刀具獲得基體材料的韌性绩罩，并兼?zhèn)渌坑操|(zhì)物質(zhì)的高硬度。一般涂層厚度不超過刀片厚度的0.2%就可使刀片及刀具的切削性能發(fā)生很大的變化和提高聪磁。所以涂層刀片及其刀具的應(yīng)用越來越廣咽娃。不同的情況下，通過沉積不同的涂層瞎暑，可以提高各種條件下的切削效率彤敛，延長刀具壽命。現(xiàn)在無涂層的刀片及刀具僅用于某些特殊防粘結(jié)的加工與非鐵金屬加工等情況了赌，以及要求低成本的場合墨榄。

涂層一般分化學(xué)氣相沉積CVD（Chemical Vapor Diposition）和物理氣相沉積PVD（Physical Vapor Diposition）兩種方法。CVD涂層生成的基本原理是在高溫（900-1100℃）爐中勿她，送入含化合物的氣體袄秩，使它在被涂物體的表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而在其表面沉積硬質(zhì)物質(zhì)的方法嫂拴。PVD涂層的生成原理則是利用真空附著播揪，通過離子鍍、濺射筒狠、離子混合等物理方法猪狈，在較低溫度（100-700℃）條件下，在被涂物體表面沉積硬質(zhì)物質(zhì)的方法辩恼。

CVD涂層由于處理溫度高雇庙，故只能涂在耐高溫的基體材料上。CVD涂層與基體的結(jié)合力強(qiáng)荸速，可形成較厚的涂層穆惩。通過更換原料氣體，還可以在同一處理爐中穴阱，連續(xù)涂敷多種物質(zhì)咖自。故能用于高速、大進(jìn)給爱蚣、大切深以及單位時(shí)間要求去除材料體積較大的情況下逼渤。一般情況下，車削用刀片主要用CVD方法沉積涂層间炮，以提高其切削性能焙厂。由于它和基體材料的熱膨脹系數(shù)不同，易產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力卫银。這對刀片的耐破損性耐疲勞性不利扫钝。

再來看看PVD涂層的優(yōu)點(diǎn)，其可在較低的溫度條件下進(jìn)行涂敷掐边，因此對基體耐熱性要求低刁祸，涂敷時(shí)刀刃強(qiáng)度韌性不降低，涂層較薄斋竞，涂層膜上產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力倔约、耐破損性耐疲勞性也較好。按ISO國際標(biāo)準(zhǔn)窃页，切鋼用的刀片材料標(biāo)為P跺株、不銹鋼為M、鑄鐵為K脖卖、有色金屬為N乒省、耐熱鋼為S、高硬鋼為H畦木。每種材料按其性能成分又分為01袖扛，10，20十籍，30蛆封，40幾類。號碼越小則越硬勾栗，越大越韌惨篱。如切鋼用的刀片材料注為：P01盏筐，P10.....P40，其余類同令掠。針對不同材料不同切削條件规学，應(yīng)用與不同代號相當(dāng)材料的刀片去加工。

涂層材料與斷屑槽的奇妙組合

本文先介紹三菱公司新開發(fā)的高效率辫扯、高穩(wěn)定性車削鋼用的CVD涂層的MC6000系列刀片橡周。其中包括適切硬度較高（相當(dāng)P10上下）的MC6015涂層；適切中等硬度鋼（相當(dāng)P20上下）通用性好侄突，兼?zhèn)湟欢ㄓ捕群晚g性的MC6025涂層膊向；適切斷續(xù)表面、韌性高的（相當(dāng)P30-P40）MC6035涂層刀片涎狐。

CVD涂層開始只有單層的TiC糙娃，TiN等。后有了雙層但雨，甚至多層蕉妇。之后又出現(xiàn)了包含強(qiáng)韌厚膜，納米結(jié)構(gòu)的多層等螺谅。每層各有其相應(yīng)的功能腹忽。圖1是新開發(fā)這種先進(jìn)系列中MC6015涂層結(jié)構(gòu)的剖面圖及各層主要功能。

圖1：MC6015 的涂層結(jié)構(gòu)

圖1中可見其最外層是超平滑的涂層表面砚作，粗糙度非常低窘奏，在1μ以內(nèi)『迹化學(xué)穩(wěn)定性好着裹，能抗粘結(jié)，耐磨米同，能在加工過程中保持正常磨損骇扇，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切削，并能防止粘結(jié)引起崩刃等突發(fā)損傷面粮。表層下面是Al2O3涂層少孝，這一涂層出現(xiàn)的一個很大的優(yōu)點(diǎn)如圖2，3所示熬苍，它在低溫時(shí)硬度相對低稍走，磨損大。在高溫時(shí)卻顯示硬度高柴底，磨損相對比其他涂層少现辰。圖3中顯示，高速切削產(chǎn)生高溫時(shí)，熱擴(kuò)散率降低托捆，導(dǎo)熱變難篱汤，減少了熱傳量入刀體，使熱量大部分傳入切屑隨之排走嗜吉，再加上Al2O3還具有優(yōu)異的抗粘結(jié)性能莱火，因此是高速高效切削的理想涂層材料滴推。

圖2：切削速度與后刀面磨損      圖 3：溫度和熱擴(kuò)散率

MC6000系列各涂層均有Al2O3層熄自，沉積時(shí)又對它采用了最新的“厚膜納米結(jié)構(gòu)”和“晶體成長控制技術(shù)”（圖4），與以往相比仪从，晶粒細(xì)化了专菠，生長又控制在一個方向，可同時(shí)提高硬度和韌性潜狭，并能與下面的TiCN涂層結(jié)合得更緊密（圖5）茄敲。Al2O3層下面的TiCN層也是納米結(jié)構(gòu)，沉積時(shí)控制使其結(jié)晶生長形成強(qiáng)韌的纖維結(jié)構(gòu)（圖4）進(jìn)一步增強(qiáng)其耐破損能力谭央，使在高速條件下狠持，整體的耐磨耐破損性能進(jìn)一步得到提升。

圖4：結(jié)晶生長控制在相同方向

MC6025瞻润，MC6035 和MC6015相比由圖6可知各層成分基本相同喘垂，但每層組織、結(jié)構(gòu)绍撞、厚度有所不同正勒，MC6015的Al2O3膜層最厚，硬度最高傻铣，可用于切削較硬的鋼材章贞。切削速度可達(dá)到300m/min，甚至350m/min 以上非洲。MC6025鸭限，MC6035的硬度比MC6015低，韌性則要更高两踏。MC6035的韌性最高败京，用它可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)斷續(xù)表面的高效穩(wěn)定加工。

圖5：層間結(jié)合力強(qiáng)

如之前所提到缆瓣，CVD涂層易生成拉伸殘余應(yīng)力哮瓦，以往的產(chǎn)品加工時(shí)，拉伸應(yīng)力造成的龜裂啼厌，會直接延伸到涂層內(nèi)部岛盗，是造成破損的原因。但先進(jìn)MC6035的組織結(jié)構(gòu)可成功緩和拉伸應(yīng)力，分散斷續(xù)切削的沖擊萄尽，抑制破損（圖7）记辖。通過對多種材料以不同切削速度、切深進(jìn)行的斷續(xù)切削實(shí)驗(yàn)倡照，證明MC6035 的壽命遠(yuǎn)超過去的產(chǎn)品苗圃。另外本系列涂層刀片還研發(fā)了新的基體材料，新基體材料和涂層之間声屯，特別注意使之形成均勻的強(qiáng)韌中間層惫饲，也可防止龜裂延伸，提高耐破損性去园。

圖6：MC6035 和MC6025

車削刀片的性能也與其具體切削部分的幾何形狀的斷屑槽有關(guān)裤础。目前斷屑槽結(jié)構(gòu)不僅是槽本身的形狀尺寸，也包括切除導(dǎo)入切屑的刀棱的角度正負(fù)蜓谋、大小梦皮、寬度，以及形狀等桃焕。斷屑槽的功能不只是斷屑剑肯，也關(guān)系到實(shí)際生成切削力、切削熱的大小高低和加工質(zhì)量观堂、加工效率让网、操作是否省力、操作者安全性型将，能否實(shí)現(xiàn)自動化等多個方面寂祥。其設(shè)計(jì)除依據(jù)經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)七兜，還依靠各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)丸凭，以求得最佳的結(jié)構(gòu)形狀尺寸。

圖7：MC6035 抑制破損機(jī)理

為確定一定范圍的切深和進(jìn)給量所適合的斷屑槽腕铸，MP6000系列精確設(shè)計(jì)并推薦了如下的斷屑槽惜犀。如適精加工（ap=0.1-1）的FP，F(xiàn)V斷屑槽裂体。適輕切削（ap=0.2-2）的LP斷屑槽势纺、SH，SV息队，SA演茂，SW斷屑槽。其中SW帶修光刃可增大進(jìn)給量沿硕，也保證加工表面質(zhì)量件银。適中切削（ap=1-4左右）的M類斷屑槽和無代號斷屑槽（ap=1.5-5）肤轿，其中MW 是中切削的帶修光刃的斷屑槽。適合粗加工（ap=1.5-6）的RP斷屑槽郊片《燃總計(jì)十類斷屑槽。在樣本中具體指明了法后角為“零”的負(fù)角刀片和不等于“零”等于5o焚惰，7o的正角刀片的各種斷屑槽的剖面形狀碌掩。推薦使用的切削條件，寫明適合一般切削還是不穩(wěn)定的斷續(xù)切削蛆存。

正確選定了刀片材料和斷屑槽后步氏，就可實(shí)現(xiàn)在該切削條件下，高效穩(wěn)定地車削鋼件账劲。以上是本文的第一個研發(fā)完成的目標(biāo)戳护。同時(shí)也可以看出，同一種涂層材料選擇不同的斷屑槽瀑焦，就可以擴(kuò)大刀片的使用范圍。

可以 “ 開天 ” 亦能 “ 辟地 ”

現(xiàn)實(shí)中許多工廠生產(chǎn)品種很多梗肝，數(shù)量不多榛瓮，材料硬度各一，有的還有黑皮巫击，工件表面有連續(xù)有斷續(xù)禀晓，有的要求精加工，有的要求半精加工粗加工……這都給刀片的采購坝锰、備貨粹懒、管理帶來挑戰(zhàn)。

能否有一種通用的材料和斷屑槽呢顷级？這是本文另一個研究開發(fā)的目標(biāo)凫乖，即刀片的通用性要廣。這樣就可以減少采購裁国，而在之前需要儲備許多各式各樣的刀片馅拥，造成管理不便，成本過高表季。

理想的刀片是材料和涂層的硬度和韌性都能達(dá)到最高肯窜，適應(yīng)任何切削條件的斷屑槽。這樣虏淤，只要準(zhǔn)備一種刀片纹茫，就什么都能加工了，那該多好舶惕！

但這似乎難以實(shí)現(xiàn)自古，盡管困難，人們還是不斷朝這個理想的方向努力。如對材料和涂層的微細(xì)化善婉、納米化以及控制結(jié)晶方向等沪翔，既提高硬度耐磨性又提高了韌性耐破損性，這就是朝理想前進(jìn)了一大步抄瓦。先進(jìn)的MC6000系列就比上一代產(chǎn)品通用性有很多擴(kuò)展潮瓶， 例如MC6015材質(zhì)雖然硬，但綜合性能通過納米化等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)提高钙姊，再結(jié)合不同的斷屑槽毯辅，就擴(kuò)大了使用范圍。如當(dāng)它選用LP煞额、SA類斷屑槽思恐、MA 斷屑槽可在連續(xù)穩(wěn)定表面條件下， 分別進(jìn)行輕膊毁、中切削（ap=0.3-4）胀莹，選用無代號和RP斷屑槽可進(jìn)行輕斷續(xù)表面條件下的中、粗加工（ap=1.5-6）婚温。但是還不夠描焰，因韌性不足，無法進(jìn)行不穩(wěn)定重?cái)嗬m(xù)切削栅螟。若改用韌性高的MC6035荆秦，又無法兼顧到需要耐磨性高的應(yīng)用范圍。此外斷屑槽所備用的種類還較多力图，應(yīng)用尚不方便蚜宠。

圖8：各涂層材料適用范圍

針對這些情況，再結(jié)合中國企業(yè)的現(xiàn)狀雅跺，通用性的擴(kuò)展再次被提上議程极炎。為此三菱公司在之前的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新的涂層UE6120（如圖8）程伞，它所適應(yīng)的加工范圍要比MC6025系列的寬胆抓，韌性則要優(yōu)于MC6015，并被命名為“開天”涂層刀片暴既。

圖9：UE6120 斷屑槽結(jié)構(gòu)形狀及實(shí)際應(yīng)用

UE6120是在通用性較好的UE6020基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后推出的新產(chǎn)品辽察。它的幾層涂層成分、組織磁饮、結(jié)構(gòu)大致與過去的系列相同腰步，但各層厚度，具體的組織結(jié)構(gòu)有所不同减少，更強(qiáng)調(diào)了提高韌性堆鸦，因此韌性耐破損性超過了以往镊鹊。它只有3種斷屑槽；MA烛芬，無代號和GH（圖9）隧期。故也便于選擇。僅用這一種材料赘娄，只要改變少數(shù)幾種斷屑槽仆潮，就可以進(jìn)行輕切削， 中切削遣臼， 粗加工性置。切削深度ap為0.3mm-6mm。不但可以切鋼揍堰、合金鋼鹏浅，而且可以切削鑄鐵、不銹鋼等屏歹，加工材料的范圍也擴(kuò)大了隐砸。強(qiáng)斷續(xù)切削、中斷續(xù)切削西采，以及連續(xù)切削皆能勝任凰萨。根據(jù)零件表面斷續(xù)程度不同，切削速度也可從175m/min到305m/min眠便。在圖9中，還可以見到各斷屑槽的結(jié)構(gòu)形狀和它們所適應(yīng)的進(jìn)給量f和切深ap范圍况饥。

為測定UE6120刀片在強(qiáng)斷續(xù)切削其便，中等斷續(xù)切削的耐破損性能，用不同的進(jìn)給量（0.17-0.24mm/rev）荸冒，不同的沖擊次數(shù)（0-3000）進(jìn)行了試驗(yàn)蘑杭，證明性能良好。又對S45C 鋼和SCM440 鉻鉬合金鋼進(jìn)行連續(xù)切削實(shí)驗(yàn)13-20分鐘扬饰，測定其后刀面磨損宛办，磨損量均未超過標(biāo)準(zhǔn)磨鈍高度。經(jīng)廣泛試切汽車工業(yè)中的多種零件班跟，證明效果令人滿意属荤。

對車削用刀片的高效穩(wěn)定性和通用性這兩個研發(fā)的方向，三菱公司緊抓不放板径， 在切鋼方面取得上述成績外就初， 在切削鑄鐵方面，又新推出了MC5005疾捍，MC5015高效穩(wěn)定刀片系列奈辰。由于應(yīng)用了專利的納米結(jié)構(gòu)和強(qiáng)固結(jié)合技術(shù)栏妖，其性能優(yōu)于較昂貴的陶瓷材料，切削速度可高達(dá)600m/min奖恰。

這兩種涂層材料分擔(dān)了連續(xù)和斷續(xù)切削吊趾，再配合不同斷屑槽效果更佳。在切削不銹鋼方面瑟啃，又新推出了MP735通用刀片系列论泛，它采用了新的高鋁技術(shù)，非但不會像一般技術(shù)因含鋁過多翰守，造成涂層硬度等性能下降孵奶，反使之提高。雖僅備兩種斷屑槽蜡峰，但可切削各類不銹鋼如奧氏體了袁、鐵素體，馬氏體等湿颅，也可切削二相系和析出硬化系载绿，可連續(xù)、也可斷續(xù)加工斟策，可精加工研歧，粗加工，還可以切除黑皮胡傅，通用性非常好氧悦，商業(yè)上被命名為“辟地”涂層刀片和UE6120系列的“開天”涂層相對應(yīng)。這兩種研發(fā)方向及其實(shí)際成果給人們不少啟示母烘，值得我們思考學(xué)習(xí)和應(yīng)用国享。

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