高速切削刀具磨損壽命的研究

1、高速切削刀具磨損壽命的研究高速切削刀具磨損壽命的研究:china.2009年03月13日15:57生意社生意社03月13日訊1引言引言從20世紀80年代開始，由于數控機床的主軸、進給系統(tǒng)等功能部件設計制造技術的突破，數控機床的主軸轉速和進給速度均大幅度提高，在現(xiàn)代制造技術全面進步的推動下，切削加工技術開始進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)領域得到了大量應用，產生了顯著的經濟效益，并正向其它應用領域拓展。高速

2、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械摩擦、粘結、化學磨損、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的性能要求是耐熱性、耐磨性、化學穩(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，當其韌性得到改善后，非常適合用于高速切削。先進涂層技術的發(fā)展進一步改善了刀具材料的性能。目前，新

3、型涂層材料和涂層工藝的開發(fā)方興未艾，預示著涂層刀具在高速切削領域將有巨大發(fā)展?jié)摿蛷V闊應用前景。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理進行了綜合評述，對刀具的磨損形態(tài)和磨損壽命進行了分析，這些研究將有益于實際生產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形態(tài)高速切削刀具的磨損形態(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

4、、塑性變形等。后刀面磨損是高速切削刀具最經常發(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，刀具仍可繼續(xù)切削。邊界磨損發(fā)生在刀具后刀

5、面的刀—工接觸邊緣處，形狀通常為一狹長溝槽，因此也稱為溝槽磨損。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變形現(xiàn)象，這是由于Al2O3與FeO（鋼表面氧化產物）或MgO（陶瓷添加劑）反應形成了尖晶石結構，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制為化學磨損。雖然化學磨損本身在陶瓷刀具

6、的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學作用可使機械磨損的程度大大加劇，如化學溶解及擴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，從而導致嚴重的粘結磨損和微觀斷裂磨損。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作用有關，由于Si3N4顆粒的化學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：①Si3N4氧化而在刀具表面形成的

7、SiO2層不斷被磨去；②SiO2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微粉與少量粘結相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高溫高壓下燒結而成。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列狀態(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（1300～1500℃）、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和導熱性以及低摩擦系數，而

8、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、粘結相等均會影響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和導熱性也越高；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作為粘結相時，PCBN有較好的韌性和導電性，采用陶瓷材料作為粘結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)生化學磨損，導致前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損。試驗證明，通過改變CBN含量

9、和刀具幾何參數，以降低切削溫度和減小刀—屑接觸長度（時間），可減小化學磨損速率，避免前刀面月牙洼磨損。一般認為，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化學元素與之發(fā)生粘結、親和而引起的，即其磨損機制主要包括：①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1000～1200℃，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)產生氧化、放氮甚至相變。而CBN刀具一經氧化和

10、相變即會喪失其切削能力。②粘結磨損。在一定壓力和高溫條件下，刀尖與被加工材料接觸區(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族元素有較高化學惰性，但對其它元素并非如此，當條件適合時，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，將導致出現(xiàn)粘結磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當刀尖區(qū)溫度高達1200℃左右時，局部CBN顆粒將呈現(xiàn)“半熔化”狀態(tài)，從而使粘結磨損大大加劇。③摩擦磨損。工件與刀具之間的高速相