常見切削刀具材料的磨損現(xiàn)象及原因分析

1、常見切削刀具材料的磨損現(xiàn)象及原因分析1 引言從 20 世紀(jì) 80 年代開始，由于數(shù)控機(jī)床的主軸、進(jìn)給系統(tǒng)等功能部件設(shè)計制造技術(shù)的突 破，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度均大幅度提高， 在現(xiàn)代制造技術(shù)全面進(jìn)步的推動下， 切 削加工技術(shù)開始進(jìn)入高速切削的新階段。 目前，高速切削已在模具、航空、 汽車等制造業(yè)領(lǐng) 域得到了大量應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并正向其它應(yīng)用領(lǐng)域拓展。 高速切削加工 對刀具提出了一系列新的要求。 研究表明， 高速切削時， 造成刀具損壞的主要原因是在切削 力和切削溫度作用下因機(jī)械摩擦、粘結(jié)、 化學(xué)磨損、 崩刃、 破碎以及塑性變形等的引起的磨 損和破損。因此，對高速切削刀具材料最主要

2、的性能要求是耐熱性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、 抗熱震性以及抗涂層破裂性能等。陶瓷、 CBN 、PCD 、金屬陶瓷等刀具材料具有良好的耐 熱性和耐磨性， 當(dāng)其韌性得到改善后， 非常適合用于高速切削。 先進(jìn)涂層技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步 改善了刀具材料的性能。 目前， 新型涂層材料和涂層工藝的開發(fā)方興未艾， 預(yù)示著涂層刀具 在高速切削領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟀l(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)用前景。本文對高速切削加工時陶瓷刀具、 立方氮化硼刀具、 金剛石刀具、 金屬陶瓷刀具和涂層刀具 的磨損機(jī)理進(jìn)行了綜合評述， 對刀具的磨損形態(tài)和磨損壽命進(jìn)行了分析， 這些研究將有益于 實際生產(chǎn)加工中對高速切削刀具的合理選用與磨損控制。2 高速切削刀具的磨損

3、形態(tài)高速切削時，刀具的主要磨損形態(tài)為后刀面磨損、微崩刃、邊界磨損、片狀剝落、前刀 面月牙洼磨損、塑性變形等。后刀面磨損是高速切削刀具最經(jīng)常發(fā)生的磨損形式，可看作是刀具的正常磨損。后刀面 磨損帶寬度的加大會使刀具喪失切削性能，在高速切削時常采用后刀面上均勻磨損區(qū)寬度 VB 值作為刀具的磨損極限。微崩刃是在刀具切削刃上產(chǎn)生的微小缺口，常發(fā)生在斷續(xù)高速切削時，通過選用韌性好 的刀具材料、 減小進(jìn)給量、 改變刀具主偏角以增加穩(wěn)定性等措施， 均可減小微崩刃的發(fā)生概 率。通常只要將刀具微崩刃的大小控制在磨損限度以內(nèi)，刀具仍可繼續(xù)切削。邊界磨損發(fā)生在刀具后刀面的刀 ? 工接觸邊緣處，形狀通常為一狹長溝槽，因

4、此也稱為溝槽 磨損。高速切削不銹鋼、高溫合金（如 Inconel718 ）時刀具容易發(fā)生邊界磨損，其原因是 工件表面的加工硬化使刀 ? 工接觸邊界的工件材料硬度最高。加工外圓時，刀? 工接觸邊界的切削速度最高， 因此也容易形成邊界磨損。 此外， 用陶瓷刀具高速切削鑄鐵時也容易發(fā)生 邊界磨損。片狀剝落多發(fā)生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀?屑或刀 ?工接觸區(qū)的接觸疲勞或熱應(yīng)力疲勞所致。 當(dāng)剝落很小時， 被認(rèn)為是磨損；但在很多情況下， 由于疲勞裂紋源距刀具表 面具有一定深度， 裂紋擴(kuò)展后所形成的剝落塊往往大于刀具的磨損限度， 一旦發(fā)生剝落， 即 可使刀具失效，形成剝落破損。陶瓷刀具端銑鋼和鑄鐵時，

5、前刀面上經(jīng)常出現(xiàn)貝殼狀剝落； 涂層刀具因涂層材料與基體材料粘結(jié)強度不夠也易發(fā)生剝落。前刀面月牙洼磨損最常出現(xiàn)在塑性金屬的高速切削加工中。塑性變形多發(fā)生在切削溫度 較高而刀具紅硬性較差的切削條件下， 超硬刀具材料在切削速度很高時也可能發(fā)生塑性變形 現(xiàn)象。3 高速切削刀具的磨損機(jī)理在高速切削加工中，與普通切削加工類似，也存在兩個摩擦副：前刀面與切屑間的摩擦 副和后刀面與已加工表面間的摩擦副。其中， 前者影響刀具前刀面的磨損， 后者影響刀具后刀面的磨損，前、后刀面的磨損均影響刀具壽命。 但與普通切削相比， 高速切削時刀具與工 件的接觸時間減少， 接觸頻率增加， 切削過程中產(chǎn)生的熱量更多向刀具傳遞，

6、因此其磨損機(jī) 理與普通切削有很大區(qū)別。（1）陶瓷刀具 陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點。陶瓷刀具的最佳切削速度通?？杀扔操|(zhì)合金刀具高310倍，適用于高速切削鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削時，切削溫度可高達(dá)8001000 C甚至更高，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機(jī)制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散磨損、氧化磨損等。陶瓷刀具的磨損 與切削條件密切相關(guān)， 在高速切削時以高溫引起的粘結(jié)磨損、 化學(xué)反應(yīng)、 氧化磨損和擴(kuò)散磨 損為主。Al2O3 基陶瓷刀具在連續(xù)高速切削鋼件時， 其磨

7、損機(jī)制主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié) 磨損；而在高速切削鑄鐵時，磨損機(jī)制主要為磨料磨損。用 Al2O3/SiCw 陶瓷刀具高速加工 Inconel718 高溫合金時， 刀具的主要磨損機(jī)制為粘結(jié) 磨損、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散磨損，因此用 Al2O3/SiCw 陶瓷刀具加工 Inconel718 時必須使用切 削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。用 Al2O3/ZrO2 和 Al2O3/TiCN 陶瓷刀具加工 AISI4337 鋼時，前刀面與后刀面的磨損機(jī)理有所不同：化學(xué)反應(yīng)及塑性變形是前刀面磨損 的主要原因；后刀面的磨損機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致陶瓷顆粒脫落所致。Al2O3/TiB2 陶瓷刀具加

8、工高強鋼和淬硬鋼時具有較好的耐磨性，且刀具的耐磨性能隨著TiB2 含量的增加而增強。 Al2O3 基陶瓷刀具在高速切削時， 刀具表層有時會發(fā)生塑性變形 現(xiàn)象，這是由于 Al2O3 與 FeO （鋼表面氧化產(chǎn)物）或 MgO （陶瓷添加劑）反應(yīng)形成了尖晶 石結(jié)構(gòu)，或者是 Al2O3 與 SiO2 、CaO 作用形成了低熔點、低硬度的化合物。Si3N4 基陶瓷刀具高速切削鑄鐵時的主要磨損機(jī)制為化學(xué)磨損。雖然化學(xué)磨損本身在陶 瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大， 但化學(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇， 如化 學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會引起陶瓷表面強度減弱， 加劇刀具與工件間的粘結(jié)， 從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘 結(jié)磨損

9、和微觀斷裂磨損。 切削鋼件時， Si3N4 陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作 用有關(guān)，由于 Si3N4 顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相中拔出，使 Si3N4 陶瓷刀具表現(xiàn)出 很高的磨損率。 Si3N4 陶瓷刀具高速切削鋼件時的高磨損率主要可歸因于以下兩種因素：Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2層不斷被磨去；SiO2與工件表面的FeO形成低熔點的共晶混合物。2）立方氮化硼刀具立方氮化硼（ CBN ）是氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼（ PCBN ）則是由 CBN 微粉 與少量粘結(jié)相（Co，Ni或TiC、TiN、A12O3 ）在高溫高壓下燒結(jié)而成。PCBN 組織中各微小晶粒呈無序排列狀

10、態(tài)，因此 PCBN 硬度均勻，無方向性，具有一致的 耐磨性和抗沖擊性，并有很高的硬度和耐熱性（13001500 C）、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性以及低摩擦系數(shù)， 而且 PCBN 與 Fe 族元素親和性很低， 因此它是高速切削黑色金屬較 理想的刀具材料。 PCBN 的 CBN 含量、 晶粒尺寸、 粘結(jié)相等均會影響其性能： CBN 含量越 高， PCBN 的硬度和導(dǎo)熱性也越高； CBN 晶粒尺寸越大，其抗破損性越弱，刀刃鋒利性越 差；采用金屬材料 Co 、 Ni 作為粘結(jié)相時， PCBN 有較好的韌性和導(dǎo)電性，采用陶瓷材料 作為粘結(jié)相時則具有較好的熱穩(wěn)定性。PCBN 刀具高速切削鑄鐵時主要發(fā)生化學(xué)磨

11、損， 導(dǎo)致前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損。 試驗證明， 通 過改變 CBN 含量和刀具幾何參數(shù)，以降低切削溫度和減小刀?屑接觸長度（時間），可減小化學(xué)磨損速率，避免前刀面月牙洼磨損。一般認(rèn)為， CBN 刀具的磨損是由于切削過程中 的高溫、 高壓、 切屑與前刀面間的摩擦以及工件材料中有關(guān)化學(xué)元素與之發(fā)生粘結(jié)、 親和而 引起的，即其磨損機(jī)制主要包括：氧化磨損和相變磨損。CBN刀具高速切削時的平均切削溫度可達(dá)10001200 C,在此高溫下，即使在常壓和空氣氣氛中也足以使CBN刀具刀尖區(qū)產(chǎn)生氧化、放氮甚至相變。而CBN刀具一經(jīng)氧化和相變即會喪失其切削能力。粘結(jié)磨損。 在一定壓力和高溫條件下， 刀尖與被加工材料

12、接觸區(qū)隨著切屑不斷流出， 雙方均不斷 裸露出新的表面。盡管 CBN對Fe族元素有較高化學(xué)惰性，但對其它元素并非如此，當(dāng)條 件適合時，會使 CBN 活性增加、惰性降低，隨著與合金元素的親和傾向不斷增加，將導(dǎo)致 出現(xiàn)粘結(jié)磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當(dāng)?shù)都鈪^(qū)溫度高達(dá)1200 C左右時，局部CBN顆粒將呈現(xiàn) 半熔化”狀態(tài)，從而使粘結(jié)磨損大大加劇。摩擦磨損。工件與刀具之間的高速 相對運動會使CBN刀具發(fā)生摩擦磨損。顆粒剝落與微崩刃。由于CBN刀具是由無數(shù)細(xì)小的 CBN 顆粒構(gòu)成，顆粒之間呈晶界間的精細(xì)裂紋連接，且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，因此當(dāng) 高溫切屑流摩擦刮研 CBN 刀尖時，會因工件材料硬度不均或

13、存在硬質(zhì)點所產(chǎn)生的微沖擊而 造成 CBN 顆粒脫落或產(chǎn)生微崩刃。造成 CBN 刀具磨損的上述多種因素并非只是獨立存在、單獨作用，而是相互影響、共 同加劇， 如氧化磨損和相變磨損必然伴隨著粘結(jié)磨損， 并出現(xiàn)摩擦磨損、 剝落磨損和微崩磨 損。（3）金剛石刀具金剛石材料可分為天然金剛石和人造金剛石。天然金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度 和導(dǎo)熱系數(shù)。 近年來開發(fā)的多種采用化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣氛釬焊金剛石 技術(shù)使天然金剛石刀具的制造變得相對容易， 從而使天然金剛石刀具在超精密鏡面切削領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 20 世紀(jì) 50 年代實現(xiàn)了利用高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石粉后， 70 年代制 造出了

14、金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石（ PCD ）刀具。 PCD 晶粒呈無序排列狀態(tài)，不具 方向性，因而硬度均勻。PCD刀具具有高硬度（800012000HV ）、高導(dǎo)熱性、低熱脹系數(shù)、高彈性模量和低摩擦系數(shù)， 刀刃非常鋒利， 可高速切削加工各種有色金屬和耐磨性極強 的高性能非金屬材料， 如鋁、 銅、鎂及其合金、 硬質(zhì)合金、 纖維增塑材料、 金屬基復(fù)合材料、 木材復(fù)合材料等。目前正在研究和開發(fā)的化學(xué)氣相沉積（ CVD ）金剛石主要有兩種形式： 一種是在基體上沉積厚度小于30 ym的薄層膜（CVD薄膜）；另一種是沉積厚度達(dá)1mm的無襯底金剛石厚層膜（ CVD 厚膜）。三種主要的金剛石刀具材料 ?PCD

15、 、 CVD 厚膜和人工合成單晶金剛石的性能比較結(jié)果為： PCD 的焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差； CVD 厚膜的抗腐蝕性最好，機(jī)械磨削性、刃口質(zhì)量、斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性 最差； 人工合成單晶金剛石的刃口質(zhì)量、 抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機(jī)械磨削性和 斷裂韌性最差。目前，金剛石刀具是高速切削（ 2500 5000m/min ）鋁合金較理想的刀具 材料，但在高速切削鋼鐵及其合金時卻磨損較快， 其磨損機(jī)理主要是由于碳與鐵具有較大親 和作用，尤其在高溫下金剛石易與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此它不適于切削鋼鐵及其合金材料。（ 4）金屬陶瓷刀具金屬陶瓷

16、（即TiC （ N）基硬質(zhì)合金）的主要成分為TiC （碳化鈦）、TiN （氮化鈦）和TiCN （碳氮化鈦）等。TiC （ N）基硬質(zhì)合金包括具有高耐磨性的TiC+Ni （或Mo ）合金、具有高韌性的 TiC+WC+TaC+Co 合金、以 TiN 為主體的強韌合金和 TiCN+NbC 高強韌合 金等。與 WC 硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷的硬度、強度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能等 均有顯著改善，尤其是高溫強度、高溫硬度、導(dǎo)熱性、抗氧化性和抗熱震性能得到提高，與 鋼的親和力小， 摩擦系數(shù)小， 抗月牙洼磨損和抗粘結(jié)能力強， 現(xiàn)已發(fā)展成為獨立系列的一類 刀具材料。近年來開發(fā)的高氮含量、具有均勻微細(xì)硬質(zhì)組織

17、的TiC （N ）基硬質(zhì)合金具有良好的抗磨損性能和抗崩刃性，適于在200 400m/min 的高速下切削普通鋼和合金鋼，也可用于鑄鐵的精加工。由于 TiC 的抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散性能較好，所以耐磨性好，但抗塑性變形 能力較差，在對高硬材料進(jìn)行高速切削時常因刀刃的塑性變形而導(dǎo)致刀刃損壞。5）涂層刀具涂層刀具具有很強的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨損 能力。 涂層的摩擦系數(shù)較低， 能有效降低切削時的切削力及切削溫度， 因而可大大提高刀具 耐用度。 TiC 涂層的硬度高、耐磨性好，適用于可能產(chǎn)生劇烈磨損的刀具； TiN 涂層與被切 削金屬的親和力小、潤濕性好、抗氧化性強， 適用于

18、容易發(fā)生粘結(jié)磨損的刀具； Al2O3 涂層 在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性， 適用于高速切削時產(chǎn)生大量切削熱的刀具。 目前應(yīng)用較廣泛 的主要是在硬質(zhì)合金和高速鋼刀體上涂覆不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化鋁 （Al2O3 ）、碳氮化鈦（ TiCN ）、氮化鋁鈦（ TiAlN ）、碳氮化鋁鈦（ TiAl-CN ）等涂層具有 優(yōu)異的高溫性能。 WC基、TiC （N）基硬質(zhì)合金和陶瓷等材料都可作為涂層刀具的基體。涂層技術(shù)發(fā)展很快，目前已從單涂層發(fā)展為多涂層。應(yīng)用較廣泛的涂層工藝有化學(xué)氣相 沉積法（ CVD 法）和物理氣相沉積法（ PVD 法）。 PVD 法主要用于高速鋼刀具涂層； CVD 法和 P

19、VD 法均可用于硬質(zhì)合金刀具涂層。 PVD 法涂層的硬質(zhì)合金刀具有較好的抗破損性能， 適于斷續(xù)切削，但耐磨性不如 CVD 法涂層的硬質(zhì)合金刀具。目前適用于高速切削的硬質(zhì)合 金涂層刀具的涂層物質(zhì)主要有采用 CVD 法的 TiCN+Al2O3+TiN 、 TiCN+Al2O3 、 TiCN+ Al2O3+HfN 、 TiN+Al2O3 、 TiCN 等和采用 PVD 法的 TiAlN/TiN 復(fù)合涂層、 TiAlN 等。選用 不同涂層物質(zhì)的硬質(zhì)合金涂層刀具可以200400m/min的切削速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、合金鑄鐵等。近年來開發(fā)的氮化碳（ CNx ）和其它氮化物（ TiN/NbN 、

20、 TiN/VN 等）涂層在高溫下具有良 好的熱穩(wěn)定性，適合于高速切削。日本近年開發(fā)的納米 TiN/AlN 復(fù)合涂層銑刀片的涂層層數(shù)達(dá) 2000 層，每層厚度為 2.5nm ，可在高速下進(jìn)行切削。涂層刀具用于高速切削時，由于切削溫度較高，可使涂層與 基體的結(jié)合強度削弱，容易產(chǎn)生剝落、崩碎等損傷。4 高速切削刀具的磨損壽命高速切削時，應(yīng)根據(jù)加工方法和加工要求確定合理的刀具磨損壽命（極限）。影響高速 切削刀具磨損壽命的因素較多，如工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何形狀、 切削用量、 冷卻液、 振動等對刀具磨損壽命都有顯著影響， 其影響規(guī)律與具體切削條件有關(guān)， 應(yīng)通過切削試驗來確定各相關(guān)因素

21、對刀具磨損壽命的影響效應(yīng)。下面給出幾個高速切削加工實例及相應(yīng)的刀具磨損壽命。1）鑄鐵的高速切削加工在鑄鐵的高速切削加工中，正確選擇刀具材料是提高加工效率的關(guān)鍵。適用于高速切削 鑄鐵零件的刀具材料主要有超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、 金屬陶瓷、 陶瓷、立方氮化硼和涂層刀具等。 陶瓷刀具是高速切削鑄鐵的理想刀具之一，其價格比 PCBN 刀具低廉得多，其高速切削鑄 鐵的切削性能則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具。 用 Sialon 陶瓷刀具和 Si3N4 陶瓷刀具車削和銑削 普通鑄鐵時，在相同切削條件下， Sialon 陶瓷刀具車削時的磨損量較小，而 Si3N4 陶瓷刀 具銑削時的磨損量較小。這說明 Sialon 陶瓷刀具

22、適用于高速連續(xù)切削，而 Si3N4 陶瓷刀具 適用于高速斷續(xù)切削。（2）淬硬鋼的高速切削加工在相同切削條件下 （切削進(jìn)給量 0.1mm/r ，切削深度 0.2mm ，刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn) VB=0.2mm ） 分別采用 P10 硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具和 CBN 刀具加工 AISI4340 工件材料（硬度 60HRC ） 時，硬質(zhì)合金刀具的工作壽命最低， 這是由于工件材料硬度很高， 導(dǎo)致加工時的切削力和切 削溫度較高，造成硬質(zhì)合金刀具迅速磨損、剝離乃至斷裂破損。陶瓷刀具和 CBN 刀具的工 作壽命隨著切削速度的提高而增加， 當(dāng)達(dá)到最大臨界值后則開始降低。 出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因 可能是當(dāng)切削速度增加時，刀具粘結(jié)層厚度增加，形成一層保護(hù)膜，有利于減小刀具磨損， 從而提高了刀具壽命； 但當(dāng)切削速度進(jìn)一步提高時， 刀具表面層將變軟， 容易被工件材料中 的硬質(zhì)點磨耗掉，從而加劇了刀具磨損，造成刀具壽命迅速降低。（3）鎳基合金的高速切削加工選用 Si3N4 陶瓷刀具和 Si3N4-TiC 陶瓷刀具（刀具幾何參數(shù)分別為 -5 °，-6 &