解析刀具磨損與刀具壽命-涂層技術有效改善刀片切削區(qū)域性能

金屬切削過程中所產生的功率消耗以切削熱和摩擦的形式表現出來。這些因素使刀具處于惡劣的加工條件下，表面高負載、高切削溫度。之所以產生高溫是因為切屑沿刀具前刀面高速滑移，對切削刃，產生高壓及強烈的摩擦。

崩刃

加工過程中，刀具遇到部件微結構中的硬質點，或進行斷續(xù)切削，可導致切削力出現波動。因此，對切削刀具有耐高溫、高韌性、高耐磨性、高硬度等特點的要求。

溝槽磨損

在過去的半個世紀里，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。影響幾乎所有刀具材料磨損率的一個關鍵因素是加工過程中所達到的切削溫度。遺憾的是，很難界定計算切削溫度的相關參數值，但實驗測定可以為經驗公式提供依據。

通常假設切削過程中所產生的所有能量均轉換為切削熱，80%的切削熱會被切屑帶走(這

數值會隨著一些因素而變化，切削速度為主要影響因素)。這使得大約20%的熱量進入了刀具。即使切削低碳鋼，刀具溫度也可超過550℃，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，刀具和切屑溫度可超過1000℃。

刀具磨損和刀具壽命的關系

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)內對于刀具壽命還沒有一種普遍接受的統(tǒng)一定義。人們需要針對工件材料和切削工藝，特別說明刀具壽命。一種量化刀具壽命的方法是定義一個可以接受的最大后刀面磨損值，即VB或VBmax。

后刀面磨損

從數學的角度，刀具壽命可以由如下公式表示。泰勒公式為刀具壽命預測提供了一個很好的近似計算的方法。

VcTn = C ，這是泰勒公式的通用形式，相關參數如下:

Vc = 切削速度

T= 刀具壽命

D= 切削深度

F= 進給速率

x和 y 依據實驗情況確定，n和C是由實驗或經驗值確定的常數;它們因刀具材料、工件材料和進給速率的各異而不同。

從實踐的角度來看，為了抑制過度的刀具磨損并克服高溫，應注意三個關鍵要素:基體、涂層以及切削刃處理。每個要素都關系到金屬切削加工成敗。這三個要素，結合卷屑槽形制、刀尖圓角半徑，共同決定了每刀具適用的被加工材料及應用場合。以上所有相關參數共同配合作用，才能保障刀具的長壽命，并最終體現為加工的經濟性和可靠性。

基體

兼具耐磨性及韌性的鎢基硬質合金刀具，加工適應范圍更廣。刀具供應商通常通過控制WC晶粒度范圍:0.3微米至5微米，來把握基體的性能。WC晶粒度對刀具切削加工中的表現具有重大影響。WC晶粒度越小，刀具越耐磨;反之，WC晶粒度越大，刀具韌性越佳。超細晶?；w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，譬如:鈦合金，鉻鎳鐵合金，高溫合金等。

積屑瘤

此外，將鈷含量從6%調整至12%可以顯著提高基體的韌性。因此，只需調整基體材料成分，即可滿足金屬加工應用中刀具對韌性、耐磨性的需求。

基體性能既可以通過毗鄰表層的“富鈷層”進行增強，也可以通過選擇性地在硬質合金中加入其它類型的合金元素進行增強，例如碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化釩(VC)以及碳化鈮(NbC)。富鈷層顯著提高了切削刃強度，使得刀具在粗加工和斷續(xù)加工應用中有著優(yōu)異的表現。

熱裂紋

此外，為了匹配工件材料并滿足特定加工要求，選擇合適的基體時還要考慮以下五個物理特性: 沖擊韌性、橫向斷裂強度、抗壓強度、硬度和熱沖擊韌性。

納斯卡研發(fā)工程師改進了新型束魔涂層(SUMO TEC)刀片的基體成份以進一步提高性能。用于加工鋼的刀片牌號基體，需具有更強的抗塑性變形能力，以抑制因刀片脆性涂層出現的微裂紋。納斯卡也對全系列的用于加工鑄鐵的合金基體，進行了類似的改進。

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、抗氧化溫度高的特點。

·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，在切削溫度高的應用中可延長刀具壽命，特別適用于準干切削/干切削。相對于TiAlN 涂層，由于鋁/鈦比例的不同，AlTiN涂層表面硬度更高。此涂層方案非常適合于高速加工應用。

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

·金剛石(PCD)- 具有最好的非鐵合金材料加工性能，尤其是加工石墨、金屬基復合材料、高硅鋁合金和其它研磨材料。完全不適合加工鋼，因為化學反應會破壞涂層與基體的結合。

月牙洼磨損

通過對近幾年的涂料材料發(fā)展，市場需求的增長進行分析，我們看到，PVD涂層刀具比CVD涂層刀具更受到青睞。CVD涂層的厚度一般在5-15微米之間變，而PVD涂層厚度一般在2-6微米之間。當CVD涂層涂覆在基體上表面時，CVD涂層會產生拉應力，而PVD涂層則相反產生壓應力。這兩種因素分別對切削刃產生顯著影響，特別是在斷續(xù)切削或連續(xù)加工過程中的刀具性能。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合力，而且還能夠改善涂層的特性。

納斯卡最近公布了獨一無二的3P束魔涂層(SUMO TEC)后處理工藝，分別對PVD和CVD涂層的韌性、表面光潔度以及抗崩刃性進行了改進。束魔涂層技術還有助于降低加工中的摩擦力，并因此提高了抗積屑瘤性，并最終降低了功率消耗。

該獨特工藝體現為在CVD涂層后，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。同樣，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，無論是CVD涂層還是PVD涂層，最終均可以獲得更光滑的涂層表面，這樣刀片切削熱更低，壽命更長，排屑更流暢，可實現的切削速度也就越快。

納斯卡的另一個創(chuàng)新是DO- TEC雙涂層技術，此技術基于Al2O3中溫化學涂層(MTCVD)表面，進行TiAlN (PVD)涂層。這一組合為最終用戶帶來了多重好處，比如以中高速切削不同成分含量的鑄鐵，具有高耐磨性、高抗崩刃性。

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。鈍化參數由預設定的應用決定。例如，鋼的高速精加工所需的切削刃刃口處理完全不同于應用于粗加工的切削刃刃口處理。

一般來說，連續(xù)車削需要對切削刃進行鈍化處理，大多數的鋼和鑄鐵的銑削也是如此。對于苛刻的斷續(xù)加工，還需加大鈍化參數或對切削刃進行T-LAND負倒棱處理。

相比之下，當加工不銹鋼或高溫合金時，需對刀片進行鈍化處理以獲得小鈍化半徑，并采納鋒利切削刃，這是因為加工此類被加工材料時，具有容易產生積屑瘤的特性。同樣，加工鋁時也需要鋒利切削刃。

在幾何方面，納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圓柱面上漸進。螺線刃旋向類似于一個螺旋。螺旋刃設計的好處之一是使得切削加工平滑過度，降低振顫，從而獲取更高的表面光潔度。此外，螺旋切削刃可以承受更大的切削載荷，使得在降低切削力的同時，去除更多的金屬。螺旋切削刃的刀具的另一個優(yōu)點是刀具壽命更長，這是因為刀具切削力及切削熱更低。