刀具磨损及应对之策
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刀具磨损是切削加工中最基本的命题之一。定义和了解刀具磨损,可以帮助刀具制造商和用户延长刀具寿命。此外,当今的刀具涂层技术(包括采用新的合金元素)提供了进一步延长刀具寿命的有效手段,同时可以显著提高生产率。
刀具磨损是切削加工中最基本的命题之一。定义和了解刀具磨损,可以帮助刀具制造商和用户延长刀具寿命。此外,当今的刀具涂层技术(包括采用新的合金元素)提供了进一步延长刀具寿命的有效手段,同时可以显著提高生产率。

刀具磨损机理

在金属切削加工中,产生的热量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(这一比例的变化取决于几个要素——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℃,这是高速钢在硬度不降低的前提下能够承受的最高温度。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℃。

图1 因磨损失效而无法再使用的刀片(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

刀具磨损与刀具寿命

刀具磨损通常包括以下几种类型:①后刀面磨损;②刻划磨损;③月牙洼磨损;④切削刃磨钝;⑤切削刃崩刃;⑥切削刃裂纹;⑦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最大后刀面磨损极限值(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×Dxfy=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。
不断发展的最佳刀具基体、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。所有这些要素的最佳组合能够延长刀具寿命,使切削加工更经济、更可靠。

改变刀具基体

通过在1-5μm范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钴含量提高6%-12%,可以获得更好的韧性。因此,可以通过调整钴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钴层,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。富钴层可以显著提高切削刃强度,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——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(在铣削加工中最常见),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性能。例如,伊斯卡(Iscar)公司用于加工钢件的Sumo Tec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Sumo Tec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。

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:
  1. 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。
  2. 碳氮化钛(TiCN)涂层:通过在TiN中添加碳元素,提高了涂层的硬度和表面光洁度。
  3. 氮铝钛(TiAlN)和氮钛铝(AlTiN)涂层:氧化铝(Al2O3)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。
  4. 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。
  5. 金刚石涂层:金刚石涂层可以显著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5-15μm,而PVD涂层的厚度约为2-6μm。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涂层通常会显著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3P Sumo Tec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。Sumo Tec涂层技术还能减小摩擦,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。

图2 对刀片基体和涂层进行观测研究(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 伊斯卡公司采用新技术制造的几种涂层刀片(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
Sumo Tec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CVD Al2O3涂层上沉积一层TiAlN PVD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(取决于工件材料的类型和加工条件)。

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铣刀的运动方式。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,从而可减轻颤振,获得更好的加工表面光洁度。
此外,螺旋切削刃能承受更大的切削负荷,获得更高的金属去除率,同时还能减小应力。由于作用于刀具的切削压力和切削热降低,因此螺旋切削刃的另一个优势是可以延长刀具寿命。
了解刀具磨损的机理,并采用新技术与之抗衡,可以提高刀具寿命和加工效率。在如今的市场上,企业不仅要在本地竞争,而且还要参与全球竞争,因此,充分利用自己的全部竞争优势至关重要。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第2期
上载于:2012-12-3 17:52:10

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