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)出來穴你。這些因素使刀具處于惡劣的加工條件下谈况，表面高負(fù)載嫩海、高切削溫度捂刺。之所以產(chǎn)生高溫是因?yàn)榍行佳氐毒咔暗睹娓咚倩埔ゼ穑瑢η邢魅校a(chǎn)生高壓及強(qiáng)烈的摩擦族展。

崩刃

加工過程中森缠，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)切削仪缸，可導(dǎo)致切削力出現(xiàn)波動贵涵。因此，對切削刀具有耐高溫恰画、高韌性宾茂、高耐磨性、高硬度等特點(diǎn)的要求拴还。

溝槽磨損

在過去的半個(gè)世紀(jì)里跨晴，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症影。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)到的切削溫度里捌。遺憾的是，很難界定計(jì)算切削溫度的相關(guān)參數(shù)值蜓盯，但實(shí)驗(yàn)測定可以為經(jīng)驗(yàn)公式提供依據(jù)型吃。

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%的切削熱會被切屑帶走(這

數(shù)值會隨著一些因素而變化腌径，切削速度為主要影響因素)栗雳。這使得大約20%的熱量進(jìn)入了刀具。即使切削低碳鋼笔骏，刀具溫度也可超過550℃是临，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)室拿，刀具和切屑溫度可超過1000℃兆又。

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)對于刀具壽命還沒有一種普遍接受的統(tǒng)一定義拢宛。人們需要針對工件材料和切削工藝，特別說明刀具壽命陈莽。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渤昌，即VB或VBmax。

后刀面磨損

從數(shù)學(xué)的角度走搁，刀具壽命可以由如下公式表示独柑。泰勒公式為刀具壽命預(yù)測提供了一個(gè)很好的近似計(jì)算的方法。

VcTn = C 私植，這是泰勒公式的通用形式忌栅，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);它們因刀具材料曲稼、工件材料和進(jìn)給速率的各異而不同索绪。

從實(shí)踐的角度來看，為了抑制過度的刀具磨損并克服高溫贫悄，應(yīng)注意三個(gè)關(guān)鍵要素:基體者春、涂層以及切削刃處理。每個(gè)要素都關(guān)系到金屬切削加工成敗清女。這三個(gè)要素钱烟，結(jié)合卷屑槽形制、刀尖圓角半徑嫡丙，共同決定了每刀具適用的被加工材料及應(yīng)用場合昆颇。以上所有相關(guān)參數(shù)共同配合作用，才能保障刀具的長壽命忠帝，并最終體現(xiàn)為加工的經(jīng)濟(jì)性和可靠性侣赘。

基體

兼具耐磨性及韌性的鎢基硬質(zhì)合金刀具，加工適應(yīng)范圍更廣涝猩。刀具供應(yīng)商通常通過控制WC晶粒度范圍:0.3微米至5微米频澜，來把握基體的性能。WC晶粒度對刀具切削加工中的表現(xiàn)具有重大影響期司。WC晶粒度越小试授，刀具越耐磨;反之，WC晶粒度越大闭廊，刀具韌性越佳辈畜。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)的被加工材料典义，譬如:鈦合金洽腊，鉻鎳鐵合金，高溫合金等藕各。

積屑瘤

此外池摧，將鈷含量從6%調(diào)整至12%可以顯著提高基體的韌性焦除。因此，只需調(diào)整基體材料成分作彤，即可滿足金屬加工應(yīng)用中刀具對韌性膘魄、耐磨性的需求。

基體性能既可以通過毗鄰表層的“富鈷層”進(jìn)行增強(qiáng)宦棺，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)，例如碳化鈦(TiC)黔帕、碳化鉭(TaC)代咸、碳化釩(VC)以及碳化鈮(NbC)。富鈷層顯著提高了切削刃強(qiáng)度成黄，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)呐芥。

熱裂紋

此外，為了匹配工件材料并滿足特定加工要求奋岁，選擇合適的基體時(shí)還要考慮以下五個(gè)物理特性: 沖擊韌性思瘟、橫向斷裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度槽邮、硬度和熱沖擊韌性耻胖。

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基體调捍，需具有更強(qiáng)的抗塑性變形能力肌顾，以抑制因刀片脆性涂層出現(xiàn)的微裂紋。伊斯卡也對全系列的用于加工鑄鐵的合金基體吃它，進(jìn)行了類似的改進(jìn)冕盅。

涂層

目前市場上主流的涂層材料包括:

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

·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)- 包括一層氧化鋁唾姊，在切削溫度高的應(yīng)用中可延長刀具壽命传悍，特別適用于準(zhǔn)干切削/干切削。相對于TiAlN 涂層驱劳，由于鋁/鈦比例的不同帕恩，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)用剩失。

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

·金剛石(PCD)- 具有最好的非鐵合金材料加工性能脾歧，尤其是加工石墨甲捏、金屬基復(fù)合材料、高硅鋁合金和其它研磨材料鞭执。完全不適合加工鋼司顿，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)會破壞涂層與基體的結(jié)合。

月牙洼磨損

通過對近幾年的涂料材料發(fā)展兄纺，市場需求的增長進(jìn)行分析大溜，我們看到，PVD涂層刀具比CVD涂層刀具更受到青睞估脆。CVD涂層的厚度一般在5-15微米之間變

钦奋，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)疙赠，CVD涂層會產(chǎn)生拉應(yīng)力付材，而PVD涂層則相反產(chǎn)生壓應(yīng)力。這兩種因素分別對切削刃產(chǎn)生顯著影響鼠废，特別是在斷續(xù)切削或連續(xù)加工過程中的刀具性能帜焰。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络蜘。

伊斯卡最近公布了獨(dú)一無二的3P束魔涂層(SUMO TEC)后處理工藝味爷，分別對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)与沪。束魔涂層技術(shù)還有助于降低加工中的摩擦力稍呛，并因此提高了抗積屑瘤性，并最終降低了功率消耗吹对。

該獨(dú)特工藝體現(xiàn)為在CVD涂層后邀曲，對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暮戏。同樣撕拇，這一工藝可去除PVD涂層工藝中在表面留下的不良液滴。因此垃散，無論是CVD涂層還是PVD涂層豌熄，最終均可以獲得更光滑的涂層表面，這樣刀片切削熱更低物咳，壽命更長锣险，排屑更流暢，可實(shí)現(xiàn)的切削速度也就越快览闰。

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

刀片切削刃刃口處理

在許多情況下切削刃處理(鈍化)決定了加工的成敗署拟。鈍化參數(shù)由預(yù)設(shè)定的應(yīng)用決定。例如歌豺，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推穷。

一般來說，連續(xù)車削需要對切削刃進(jìn)行鈍化處理宁路，大多數(shù)的鋼和鑄鐵的銑削也是如此酵抚。對于苛刻的斷續(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)倒棱處理踏旷。

相比之下凹田，當(dāng)加工不銹鋼或高溫合金時(shí)找仙，需對刀片進(jìn)行鈍化處理以獲得小鈍化半徑糜谒，并采納鋒利切削刃，這是因?yàn)榧庸ご祟惐患庸げ牧蠒r(shí)亲敷，具有容易產(chǎn)生積屑瘤的特性狸岁。同樣，加工鋁時(shí)也需要鋒利切削刃卒割。

在幾何方面泛滔，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)堂憔。螺線刃旋向類似于一個(gè)螺旋寡花。螺旋刃設(shè)計(jì)的好處之一是使得切削加工平滑過度，降低振顫奥猎，從而獲取更高的表面光潔度昼钻。此外，螺旋切削刃可以承受更大的切削載荷封寞，使得在降低切削力的同時(shí)然评，去除更多的金屬。螺旋切削刃的刀具的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是刀具壽命更長狈究，這是因?yàn)榈毒咔邢髁扒邢鳠岣汀?/p>

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