切削材料和涂层对刀具质量和使用寿命的影响

俞鹏文

摘要：通过对近年来几种常用的切削材料和涂层的介绍，探讨了刀具磨损的理论模型和实际情况，重点对扩散磨损进行分析。根据确定的工艺参数，研究几种切削材料和工件材料的组合刀具寿命。分析了高速钢刀具的切削速度、进给速度和磨削方式对刀具寿命的主要影响。通过摩擦学模型将所有的参数和影响进行统一计算，通过分析结果可以帮助我们继续优化切削参数，以获得更好的工件质量和更短的生产时间从而降低成本，提高使用寿命。

关键词：刀具磨损;切削材料;涂层;使用寿命

中图分类号：TG71                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0027-02

0  引言

在工业制造生产中，从现在一直到未来的一段时间里工件的加工方式都是以切割为基础的。通过对世界切削材料生产的统计分析表明，高速钢约占50%，涂层材料占50%以上[1]。而且硬质合金刀具材料中有很大一部分也有涂层。基于这个原因，研究改善现有的切割材料和寻找新的材料是具有实际意义的。切削刀具同样广泛应用于成形工业特别是成形模具的生产。切削刀具的质量对加工生产有着直接影响，基本要求能够抵抗高切削速度和进给率[2]。在现有工件加工模式下刀具必须可以承受高切削力和高切削温度，特别是高温意味着必须改变旧的涂层刀具磨损模式，因为高温会使刀具产生更大的扩散磨损。

刀具的涂层处理方式主要有三种：物理蒸汽沉积（PVD）、化学蒸汽沉积（CVD）以及常规的金属涂层材料（例如：TiC、TiN、TiCN、Al2O3、HfN）。不同的涂层刀具都有专门的应用范围，比如PVD可以使切削刀刃更加锋利但是减小刀具的切削力，延长刀具使用寿命。随着材料结构和粒度的变化，刀具性能也会得到相应的提高[3]。在同一种刀具刃口上使用几种不同类型的涂层可生产出适合特殊操作的刀具。有涂层的高速钢刀具必须打磨，刃磨后会去除侧面焊盘的涂层但是刀具寿命不会大大缩短。随着国家工业4.0发展口号的提出，传统机械加工行业必须进行改革，高速切削技术是机床加工的一大发展趋势，必须了解高速切削的相关理论和技术[4]。随着高速切削技术的推广和发展，未来机床加工行业将会极大缩短生产时间，提升工件质量和降低生产价格。

1  刀具磨损分析

1.1 切削材料分类

在过去的10年里无涂层基本刀具的市场份额在不断降低，而碳化钨涂层刀具以及金属陶瓷刀具的市场份额在不断提升，而高硬度合金以及陶瓷刀具的市场份额基本没有变化，欧洲各国生产了大约37%的硬质金属刀具而日本在金属陶瓷生产方面具有独特的优势。在加工材料方面采用高速钢材料的大约为50%，这是由于高速钢不仅可以用于材料切削，而且还广泛应用于材料铣钻等领域。其次是硬质合金大约为33%，剩下的就是TiN涂层、金属陶瓷、TiC涂层、陶瓷以及立方氮化硼（CBN），CBN具有所有材料中最高的硬度，仅次于钻石。

1.2 刀具磨损机理及原因分析

刀具后刀面上的磨损比较容易测量。而麻花钻磨损的测量则较为复杂和严苛。测量后刀面上的磨损，我们可以通过测量中等磨损区域，其中磨损显示在车削镶块上。更为复杂的是铣刀片后刀面上的磨损流动，因为切削刃可以通过拐角去除或磨圆。工件表面粗糙度的质量取决于刀具的磨损程度和切削刃的设计是否合理。

刀具的磨损通常是多因素共同作用的结果，所以很难确定刀具磨损的真正原因以及各因素的影响程度。磨损是刀具上的一种非常常见且负面现象主要受以下几个因素的影响：刀具和工件材料组合、切削三要素、切削液、切割边缘的温度。刀具磨损实际上是一种物理和化学共同作用的结果，微观表现为切削材料的一小部分从刀具边缘去除。据统计，50%的刀具磨损是由物理摩擦引起的，20%是由粘着引起的，10%是由化学作用引起的，其余20%是由所有其他机制（特别是扩散）引起的。总磨损是刀具与工件的机械和化学相互作用的结果，可以表述为两种磨损作用的和，其中的机械磨损主要是指热力学磨损，而化学磨损主要是指由刀具、工件和环境之间的化学相互作用引起的热化学磨损。

磨损是一种微量损耗机制，在软表面之间引入硬零件，导致研磨和去除一些切削材料。磨损量随切削力的增加而线性增加，与切削参数中的切削速度和给进速度直接相关。较高的切削材料硬度可减少刀具的磨损。粘附是切削材料和工件之间的“焊接”点断裂的磨损机制。在两种材料的粗糙度峰值上，压力和温度导致“焊接”。由于材料在移动，焊接点每秒会断开很多次。这会去除切割材料，如果两种材料相似，则会发生更密集的切割。摩擦化学扩散磨损在工件较高温度（700-1200°C）下会显著增加，在较高的切削速度下，使用硬质金属刀具就会出现这种现象。即工件与切削材料接触层上原子颗粒的扩散效应。刀具前刀面存在较大的凹坑磨损，尤其是以WC-Co为基体的硬质合金，在高速切削条件下，刀具磨损呈指数增长，在工件加工过程中要尽量避免这种现象的出现。还有许多对刀具寿命有负面影响的磨损源。通常可以使用涂层来减小其他类型的磨损。基于TiC或Ti（CNN）金属陶瓷的硬质金属加工过程的磨损量较小。

1.3 涂层硬质合金的扩散磨损

在高于1000°C的温度下用TiN涂层的目的是防止刀具和工件之间的扩散磨损。它特别适用于涂有锡的TiC基硬质金属。用扫描电子显微镜对涂有TiN的金属陶瓷切削刃侧面进行了观察。利用能谱仪确定了工件表面的化学元素。除了Ti外，还发现少量W、Mo和Fe。通过在高速钢钻头上涂锡，提高了钻头的使用寿命。结果发现，在實际加工过程中发现刃磨稍微缩短了刀具寿命，但前刀面上的重要表面和切削刃仍有涂层。涂层刀具的优点不仅表现在具有更长的使用寿命，而且与刀具刃口磨损和工件及切屑表面粗糙度更小有关。

现在最流行应用最广泛的材料是高速钢。对于重型切削条件，如果工件的厚度超过1000N/mm2，则使用高速钢Co。而且高速钢麻花钻与镀锡麻花钻的刀具寿命差异非常显著。攻丝时，刀具寿命和工件壁面粗糙度有直接关系。丝锥的质量取决于刀具表面，在各种刀具材料中镀锡刀具更好。丝锥、螺纹壁和切屑表面的摩擦学符合以下规律，通过对高速钢和高速钢锡刀具之间的表面对比。以切削速度30m/min以及用油作为切削液攻丝750N/mm（C45）的工件材料。采用高速钢锡刀具，丝锥长度增加4.3倍。

2  高速切削技术

2.1 现有材料对比

金属陶瓷与WC-TiC-Co等复合材料相比较具有以下优点：硬度更高、热硬度更高、钢材切割时的摩擦力较低、在基本单位下具有最小的堆积边缘、更好的弹坑耐磨性。但是也存在以下缺点，机械强度和韧性较低、金属陶瓷更容易产生碎屑、較低的弹性模量。在使用合适的粘合剂组件开发的金属陶瓷嵌件证明其有利于间断切割性能。金属陶瓷与铈化碳化物的加工特性相比较具有以下特点：精车时可能有更高的切削速度、车削时更好的表面光洁度、中等和重型切屑载荷下韧性较低以及冲击载荷下强度较低（如铣削）。

用涂有TiN、TiC、Al2O3或它们的特定组合的硬质金属制成的刀片可大大提高刀具寿命。而刀具的未来发展趋势是用脉冲等离子体法（PPD）在硬质合金表面制备c-BN涂层。氮化硼涂层刀具的使用寿命是无涂层刀具刀片使用寿命的6.5倍。特别是硬度在HRc=63的硬加工工件材料。它们不仅具有极高的硬度，而且有很高的韧性，因此对于铣削-断裂切削非常有用。这些工具材料在未来机床加工的新时代会发挥极大的作用。

2.2 高速切削技术优势

高速切削技术的一些更重要的优势在于提高现代制造业的加工精度。现有精密车床加工精度标准为：标准加工为1mm、精密加工为10nm、超精密加工为1nm。下面给出了工件的一些重要因素。例如，机床加工必须要有极高的精确度，因为它的特性反映在工件公差中。对于圆柱体，给出了以下公差：外径公差（do），IT4;长度公差（l），IT6;内径公差（di），IT7。

在通过铣削等方式高速制造模具时，必须遵循以下加工策略。对于具有良好和不良端部轮廓的模具。如果轮廓顶部不是太高，精加工的成本可以大大降低。实现低顶铣削轮廓的难度也会相应降低。刀具的类型及其几何形状（铣头）、铣削参数等都很重要。最终的结果是粗糙度，必须为精加工做好准备。对于高速切削技术需要理解三个截然相反的说法：粗糙度越小，切割速度越快，成本越低。采用高速切削技术的精加工可以反而可以节省成本，因此，正确规划铣削工艺是非常重要的。在大轮廓上切割过多的材料，会损失大量的精加工时间。

另外还有一个车床加工的新概念即无冷却液干加工。这也可以包含在高速切削技术中。采用优质的切削刀具例如涂有TiCN的HM，可以铣削硬度为HRc=53的高硬度模具。即使没有冷却液刀具寿命也非常长。这是由于切削加工时间较短在加工完毕后可以采用自然风冷的方式进行冷却。高速切削技术是一种现代化的车床加工概念，它使生产商能够以较低的生产成本获得较好的表面粗糙度质量，从而缩短生产时间。为了使用HSC技术，我们必须有高刚度的机床和优良控制性能的自动化控制系统，该系统允许以高达16000mm/min的刀具进给率直接在工件的CAM程序轮廓上铣削。

3  结论

在无冷却液干切削的基础上进行加工时，由于切削刃温度较高，需要使用涂有TiN、TiC或Al2O3的现代切削刀具。用最小冷却润滑切削材料必须涂上锡、金属陶瓷或CBN等材料，所需的冷却油量非常少并用专用喷嘴注入。为了工业4.0所提出的全新制造理念，国家需要更多的资金研发适用于高速切削技术的新机床。使用高质量、高速度、高精度的机床，间接地降低了使用切削材料的成本并加快了生产效率。如果车床加工的生产速度慢产量低，那么我们就无法在未来模具制造行业占有一席之地。

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