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刀具磨損與壽命
閱讀：999 發(fā)布時(shí)間：2022-1-31刀具磨損是切削加工中最基本的命題之一。定義和了解刀具磨損，可以幫助刀具制造商和用戶延長(zhǎng)刀具壽命。當(dāng)今的刀具涂層技術(shù)提供了進(jìn)一步延長(zhǎng)刀具壽命的有效手段，同時(shí)可以顯著提高生產(chǎn)率。
刀具磨損機(jī)理
在金屬切削加工中，產(chǎn)生的熱量和摩擦是能量的表現(xiàn)形式。由很高的表面負(fù)荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑移而產(chǎn)生的熱量和摩擦，使刀具處于一種挑戰(zhàn)性的加工環(huán)境中?！ ?/p>
切削力的大小往往會(huì)上下波動(dòng)，主要取決于不同的加工條件(如工件材料中存在硬質(zhì)成份，或進(jìn)行斷續(xù)切削)。因此，為了在切削高溫下保持其強(qiáng)度，要求刀具具有一些基本特性，包括的韌性、耐磨性和高硬度?！ ?/p>
盡管刀具/工件界面處的切削溫度是決定幾乎所有刀具材料磨損率的關(guān)鍵要素，但要確定計(jì)算切削溫度所需的參數(shù)值卻十分困難。不過(guò)，切削試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果可以為一些經(jīng)驗(yàn)性的方法奠定基礎(chǔ)?！ ?/p>
通常可以假定，在切削中產(chǎn)生的能量被轉(zhuǎn)化為熱量，而通常這些熱量的80%都被切屑帶走(這一比例的變化取決于幾個(gè)要素——尤其是切削速度)。其余大約20%的熱量則傳入刀具之中。即使在切削硬度不太高的鋼件時(shí)，刀具溫度也可能會(huì)超過(guò)550℃，這是高速鋼在硬度不降低的前提下能夠承受的溫度。用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬鋼時(shí)，刀具和切屑的溫度通常將超過(guò)1000℃。
刀具磨損與刀具壽命
刀具磨損通常包括以下幾種類(lèi)型：①后刀面磨損;②刻劃磨損;③月牙洼磨損;④切削刃磨鈍;⑤切削刃崩刃;⑥切削刃裂紋;⑦災(zāi)難性失效?！?/p>
對(duì)于刀具壽命，并沒(méi)有被普遍接受的統(tǒng)一定義，通常取決于不同的工件和刀具材料，以及不同的切削工藝。定量分析刀具壽命終止點(diǎn)的一種方式是設(shè)定一個(gè)可以接受的后刀面磨損極限值(用VB或VBmax表示)。刀具壽命可用預(yù)期刀具壽命的泰勒公式表示，即
VcTn=C
該公式的一種更常用的形式為
VcTn×Dxfy=C
式中，Vc為切削速度;T為刀具壽命;D為切削深度;f為進(jìn)給率;x和y由實(shí)驗(yàn)確定;n和C是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或已發(fā)表的技術(shù)資料確定的常數(shù)，它們表示刀具材料、工件和進(jìn)給率的特性?！ ?/p>
不斷發(fā)展的刀具基體、涂層和切削刃制備技術(shù)對(duì)于限制刀具磨損和抵抗切削高溫至關(guān)重要。這些要素，加上在可轉(zhuǎn)位刀片上采用的斷屑槽和轉(zhuǎn)角圓弧半徑，決定了每種刀具對(duì)于不同的工件和切削加工的適用性。所有這些要素的組合能夠延長(zhǎng)刀具壽命，使切削加工更經(jīng)濟(jì)、更可靠。
改變刀具基體
通過(guò)在1-5µm范圍內(nèi)改變碳化鎢的粒度，刀具制造商可以改變硬質(zhì)合金刀具的基體性能?；w材料的粒度對(duì)于切削性能和刀具壽命起著重要作用。粒度越小，刀具的耐磨性越好。反之，粒度越大，刀具的強(qiáng)韌性越好。細(xì)顆?；w主要用于加工航空牌號(hào)材料(如鈦合金、Inconel合金和其他高溫合金)的刀片?！ ?/p>
此外，將硬質(zhì)合金刀具材料的鈷含量提高6%-12%，可以獲得更好的韌性。因此，可以通過(guò)調(diào)整鈷含量來(lái)滿足特定切削加工的要求，無(wú)論這種要求是韌性還是耐磨性?！ ?/p>
刀具基體的性能還可以通過(guò)在接近外表面處形成富鈷層，或者通過(guò)在硬質(zhì)合金材料中有選擇性地添加其他合金元素(如鈦、鉭、釩、鈮等)而獲得增強(qiáng)。富鈷層可以顯著提高切削刃強(qiáng)度，從而提高粗加工和斷續(xù)切削刀具的性能?！ ?/p>
此外，在選擇與工件材料和加工方式相匹配的刀具基體時(shí)，還表現(xiàn)考慮另外5種基體特性——斷裂韌性、橫向斷裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、硬度和耐熱沖擊性能。例如，如果硬質(zhì)合金刀具出現(xiàn)沿切削刃崩刃的現(xiàn)象，就應(yīng)該選用具有較高斷裂韌性的基體材料。而在刀具出現(xiàn)切削刃直接失效或破損的情況下，可能采用的解決方案是選用具有較高橫向斷裂強(qiáng)度或較高抗壓強(qiáng)度的基體材料。對(duì)于切削溫度較高的加工場(chǎng)合(如干式切削)，通常應(yīng)該硬度較高的刀具材料。在可以觀察到刀具產(chǎn)生熱裂紋的加工場(chǎng)合(在銑削加工中見(jiàn))，建議選用耐熱沖擊性能較好的刀具材料。
對(duì)刀具基體材料的優(yōu)化改進(jìn)可以提高刀具的切削性能。例如，伊斯卡(Iscar)公司用于加工鋼件的Sumo Tec刀片牌號(hào)的基體材料具有較好的抗塑性變形能力，從而能減小硬脆的刀片涂層產(chǎn)生微裂紋的可能性。通過(guò)對(duì)Sumo Tec刀片的二次加工，減小了其涂層的表面粗糙度和微裂紋，從而降低了刀片表面的切削熱以及由此引起的塑性變形和微裂紋。此外，一種加工鑄鐵用刀片的新型基體具有更好的耐熱性，從而可以采用更高的切削速度進(jìn)行加工。
選擇正確的涂層
涂層也有助于提高刀具的切削性能。目前的涂層技術(shù)包括：
?、俚?TiN)涂層：這是一種通用型PVD和CVD涂層，可以提高刀具的硬度和氧化溫度?！ ?/p>
?、谔嫉?TiCN)涂層：通過(guò)在TiN中添加碳元素，提高了涂層的硬度和表面光潔度?！ ?/p>
?、鄣X鈦(TiAlN)和氮鈦鋁(AlTiN)涂層：氧化鋁(Al2O3)層與這些涂層的復(fù)合應(yīng)用可以提高高溫切削加工的刀具壽命。氧化鋁涂層尤其適合干式切削和近干切削。AlTiN涂層的鋁含量較高，與鈦含量較高的TiAlN涂層相比，具有更高的表面硬度。AlTiN涂層通常用于高速切削加工。
④氮化鉻(CrN)涂層：這種涂層具有較好的抗粘結(jié)性能，是對(duì)抗積屑瘤的解決方案?！ ?/p>
⑤金剛石涂層：金剛石涂層可以顯著提高加工非鐵族材料刀具的切削性能，非常適合加工石墨、金屬基復(fù)合材料、高硅鋁合金和其他高磨蝕性材料。但金剛石涂層不適合加工鋼件，因?yàn)樗c鋼的化學(xué)反應(yīng)會(huì)破壞涂層與基體的粘附性能?！ ?/p>
近年來(lái)，PVD涂層刀具的*有所擴(kuò)大，其價(jià)格也與CVD涂層刀具不相上下。CVD涂層的厚度通常為5-15µm，而PVD涂層的厚度約為2-6µm。在涂覆到刀具基體上時(shí)，CVD涂層會(huì)產(chǎn)生不受歡迎的拉應(yīng)力;而PVD涂層則有助于對(duì)基體形成有益的壓應(yīng)力。較厚的CVD涂層通常會(huì)顯著降低刀具切削刃的強(qiáng)度。因此，CVD涂層不能用于要求切削刃非常鋒利的刀具?！ ?/p>
在涂層工藝中采用新的合金元素可以改善涂層的粘附性和涂層性能。
切削刃的制備
在許多情況下，刀片切削刃的制備(或稱刃口鈍化)已成為決定加工成敗的分水嶺。鈍化工藝參數(shù)需根據(jù)特定的加工要求而定。例如，用于高速精加工鋼件的刀片對(duì)刃口鈍化的要求就與用于粗加工的刀片有所不同。刃口鈍化可應(yīng)用于加工幾乎任何類(lèi)型碳鋼或合金鋼的刀片，而在加工不銹鋼和特殊合金材料的刀片上，其應(yīng)用則有一定限制。鈍化量可以小至0.007mm，也可以大到0.05mm。為了在條件惡劣的加工中起到增強(qiáng)切削刃的作用，還可以通過(guò)刃口鈍化形成微小的T型棱帶?！ ?/p>
一般來(lái)說(shuō)，用于連續(xù)車(chē)削加工以及銑削大部分鋼和鑄鐵的刀片需要進(jìn)行較大程度的刃口鈍化。鈍化量取決于硬質(zhì)合號(hào)和涂層類(lèi)型(CVD或PCD涂層)。對(duì)于重度斷續(xù)切削加工刀片，對(duì)刃口進(jìn)行重度鈍化或加工出T型棱帶已成為一種先決條件。根據(jù)不同的涂層類(lèi)型，鈍化量可接近0.05mm?！ ?/p>
與此相反，由于加工不銹鋼和高溫合金的刀片容易形成積屑瘤，因此要求切削刃保持鋒利，只能進(jìn)行輕微鈍化(可小至0.01mm)，甚至還可以定制更小的鈍化量。同樣，加工鋁合金的刀片也要求具有鋒利的切削刃。螺旋切削刃能承受更大的切削負(fù)荷，獲得更高的金屬去除率，同時(shí)還能減小應(yīng)力。由于作用于刀具的切削壓力和切削熱降低，因此螺旋切削刃的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以延長(zhǎng)刀具壽命?！ ?/p>
了解刀具磨損的機(jī)理，并采用新技術(shù)與之抗衡，可以提高刀具壽命和加工效率。在如今的市場(chǎng)上，企業(yè)不僅要在本地競(jìng)爭(zhēng)，而且還要參與競(jìng)爭(zhēng)，因此，充分利用自己的全部競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。