刀具在加工过程中的磨损以及应对策略【干货】

1、刀具在加工过程中的磨损以及 应对策略【干货】内容来源网络，由“深圳机械展（11万m2 , 1100 多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控 刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无 人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金 冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械 展.刀具磨损是切削加工中基本的问题之一。 了解刀 具磨损的情况和原因，可以帮助刀具制造商以及 用户延长数控刀具寿命。现在的数控刀具都会采 用涂层技术（包括采用新的合金元素），这进一 步有效的延长了刀具的使用寿命，同时可以显著 提高生产率。亠、刀具磨损机理介绍在金属切削加工中，产生的热量

2、和摩擦是能 量的表现形式。由很高的表面负荷以及切屑沿刀 具前刀面高速滑移而产生的热量和摩擦，使刀具 处于一种极具挑战性的加工环境中。切削力的大小往往会上下波动，主要取决于 不同的加工条件（如工件材料中存在硬质成份， 或进行断续切削）。因此，为了在切削高温下保 持其强度，要求刀具具有一些基本特性，包括极 好的韧性、耐磨性和高硬度。尽管刀具/工件界面处的切削温度是决定几 乎所有刀具材料磨损率的关键要素，但要确定计 算切削温度所需的参数值却十分困难。不过，切削试验的测量结果可以为一些经验性的方法奠 定基础。通常可以假定，在切削中产生的能量被转化 为热量，而通常这些热量的80 %都被切屑带走 （这一比

3、例的变化取决于几个要素一一尤其是 切削速度）。其余大约20 %的热量则传入刀具 之中。即使在切削硬度不太高的钢件时，刀具温 度也可能会超过550 C,这是高速钢在硬度不降 低的前提下能够承受的高温度。用聚晶立方氮化 硼（PCBN ）刀具切削淬硬钢时，刀具和切屑的 温度通常将超过1000 C。】、刀具磨损与刀具寿命刀具磨损通常包括以下几种类型：后刀面 磨损；刻划磨损；月牙洼磨损；切削刃磨 钝；切削刃崩刃；切削刃裂纹；灾难性失 效。对于刀具寿命，并没有被普遍接受的统一定 义，通常取决于不同的工件和刀具材料，以及不同的切削工艺。定量分析刀具寿命终止点的一种 方式是设定一个可以接受的后刀面磨损极限值（

4、用VB或VBmax表示）。刀具寿命可用预期 刀具寿命的泰勒公式表示，即VcTn=C，该公式 的一种更常用的形式为VcTn XDxfy=C式中， Vc为切削速度；T为刀具寿命；D为切削深度； f为进给率；x和y由实验确定；n和C是根据 实验或已发表的技术资料确定的常数，它们表示 刀具材料、工件和进给率的特性。不断发展的刀具基体、涂层和切削刃制备技 术对于限制刀具磨损和抵抗切削高温至关重要。 这些要素，加上在可转位刀片上采用的断屑槽和 转角圆弧半径，决定了每种刀具对于不同的工件 和切削加工的适用性。所有这些要素的组合能够 延长刀具寿命，使切削加工更经济、更可靠。三、改变刀具基体通过在1 5 ym范

5、围内改变碳化钨的粒度， 刀具制造商可以改变硬质合金刀具的基体性能。 基体材料的粒度对于切削性能和刀具寿命起着重要作用。粒度越小，刀具的耐磨性越好。反之， 粒度越大，刀具的强韧性越好。细颗粒基体主要 用于加工航空牌号材料（如钛合金、Inconel合 金和其他高温合金）的刀片。此外，将硬质合金刀具材料的钻含量提高6% 12 %，可以获得更好的韧性。因此，可以 通过调整钻含量来满足特定切削加工的要求，无 论这种要求是韧性还是耐磨性。刀具基体的性能还可以通过在接近外表面 处形成富钻层，或者通过在硬质合金材料中有选 择性地添加其他合金元素（如钛、钽、钒、铌等） 而获得增强。富钻层可以显着提高切削刃强度，

6、 从而提高粗加工和断续切削刀具的性能此外，在选择与工件材料和加工方式相匹配 的刀具基体时，还表现考虑另外5种基体特性一 断裂韧性、横向断裂强度、抗压强度、硬度和 耐热冲击性能。例如，如果硬质合金刀具出现沿 切削刃崩刃的现象，就应该选用具有较高断裂韧 性的基体材料。而在刀具出现切削刃直接失效或 破损的情况下，可能采用的解决方案是选用具有 较高横向断裂强度或较高抗压强度的基体材料。 对于切削温度较高的加工场合（如干式切削）， 通常应该首选硬度较高的刀具材料。在可以观察 到刀具产生热裂纹的加工场合（在铣削加工中常 见），建议选用耐热冲击性能较好的刀具材料。对刀具基体材料的优化改进可以提高刀具 的切削

7、性能。例如，伊斯卡（Iscar ）公司用于 加工钢件的SumoTec刀片牌号的基体材料具 有较好的抗塑性变形能力，从而能减小硬脆的刀 片涂层产生微裂纹的可能性。通过对 SumoTec 刀片的二次加工，减小了其涂层的表面粗糙度和 微裂纹，从而降低了刀片表面的切削热以及由此 引起的塑性变形和微裂纹。此外，一种加工铸铁 用刀片的新型基体具有更好的耐热性， 从而可以 采用更高的切削速度进行加工。四、选择正确的涂层涂层也有助于提高刀具的切削性能。目前的 涂层技术包括： 氮化钛（TiN ）涂层：这是一种通用型PVD 和CVD涂层，可以提高刀具的硬度和氧化温度。 碳氮化钛（TiCN ）涂层：通过在TiN中

8、添加碳元素，提高了涂层的硬度和表面光洁度。 氮铝钛（TiAlN ）和氮钛铝（AlTiN ）涂 层：氧化铝（AI2O3 ）层与这些涂层的复合应用 可以提高高温切削加工的刀具寿命。氧化铝涂层 尤其适合干式切削和近干切削。AlTiN涂层的铝 含量较高，与钛含量较高的TiAlN涂层相比， 具有更高的表面硬度。AlTiN涂层通常用于高速 切削加工。 氮化铬（CrN ）涂层：这种涂层具有较好 的抗粘结性能，是对抗积屑瘤的首选解决方案。 金刚石涂层：金刚石涂层可以显着提高加 工非铁族材料刀具的切削性能，非常适合加工石 墨、金属基复合材料、高硅铝合金和其他高磨蚀 性材料。但金刚石涂层不适合加工钢件，因为它 与

9、钢的化学反应会破坏涂层与基体的粘附性能。近年来，PVD涂层刀具的市场份额有所扩 大，其价格也与CVD涂层刀具不相上下。CVD 涂层的厚度通常为5 15 ym，而PVD涂层的 厚度约为2 6卩m。在涂覆到刀具基体上时， CVD涂层会产生不受欢迎的拉应力；而PVD涂 层则有助于对基体形成有益的压应力。较厚的CVD涂层通常会显着降低刀具切削刃的强度。 因此，CVD涂层不能用于要求切削刃非常锋利 的刀具。在涂层工艺中采用新的合金元素可以改善 涂层的粘附性和涂层性能。例如，伊斯卡公司的 3PSumoTec 处理技术能提高PVD和CVD两 类涂层的韧性、光滑程度和抗崩刃性能。SumoTec涂层技术还能减小

10、摩擦，从而降低加 工中的能量消耗，同时提高对积屑瘤的抵抗能 力。SumoTec涂层工艺可以减少刀片在CVD 涂层后冷却时因收缩率不同而在刀片表面产生 的微裂纹。同样，该工艺还能消除 PVD涂层时 在涂层表面产生的有害液滴，从而使涂层表面更 光滑，使刀片在加工时切削温度更低、寿命更长、 形成更理想的切屑流，以及能采用更高的切削速 度。另一个例子是伊斯卡公司的Do-Tec涂层 技术。该技术可在中温CVDAI2O3涂层上沉积 一层TiAINPVD涂层。这种复合涂层具有很好 的耐磨性和抗崩刃性，非常适合用于高速切削铸 铁的各种刀片牌号，其预期的切削速度可达到 650 1200sfm 以上（取决于工件材

11、料的类型 和加工条件）。五、切削刃的制备在许多情况下，刀片切削刃的制备（或称刃 口钝化）已成为决定加工成败的分水岭。钝化工 艺参数需根据特定的加工要求而定。例如，用于 高速精加工钢件的刀片对刃口钝化的要求就与 用于粗加工的刀片有所不同。刃口钝化可应用于 加工几乎任何类型碳钢或合金钢的刀片，而在加 工不锈钢和特殊合金材料的刀片上，其应用则有 一定限制。钝化量可以小至0.007mm，也可以 大到0.05mm。为了在条件恶劣的加工中起到 增强切削刃的作用，还可以通过刃口钝化形成微 小的T型棱带。一般来说，用于连续车削加工以及铣削大部 分钢和铸铁的刀片需要进行较大程度的刃口钝 化。钝化量取决于硬质合金

12、牌号和涂层类型（CVD或PCD涂层）。对于重度断续切削加工 刀片，对刃口进行重度钝化或加工出 T型棱带已 成为一种先决条件。根据不同的涂层类型，钝化 量可接近0.05mm。与此相反，由于加工不锈钢和高温合金的刀 片容易形成积屑瘤，因此要求切削刃保持锋利， 只能进行轻微钝化（可小至 0.01mm ），甚至 还可以定制更小的钝化量。同样，加工铝合金的 刀片也要求具有锋利的切削刃。例如，伊斯卡公司生产各种具有螺旋切削刃 的刀片，这种切削刃的廓形是围绕一个圆柱面沿 轴向均匀移动而形成的。这种近似于螺旋线的螺 旋刃设计的优点之一是切削运动更平滑。与直线 刃的切削方式不同，螺旋切削刃模拟了螺旋槽立 铳刀的运动方式。切削刃是在“螺旋”运动中逐 渐进入切削，而不是全部同时进入切削，从而可 减