常见切削刀具材料的磨损现象及原因分析

常见切削刀具材料的磨损现象及原因分析

1引言

从20世纪80年代开始，由于数控机床的主轴、进给系统等功能部件设计制造技术的突破，数控机床的主轴转速和进给速度均大幅度提高，在现代制造技术全面进步的推动下，切削加工技术开始进入高速切削的新阶段。目前，高速切削已在模具、航空、汽车等制造业领域得到了大量应用，产生了显著的经济效益，并正向其它应用领域拓展。高速切削加工对刀具提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削时，造成刀具损坏的主要原因是在切削力和切削温度作用下因机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等的引起的磨损和破损。因此，对高速切削刀具材料最主要的性能要求是耐热性、耐磨性、化学稳定性、抗热震性以及抗涂层破裂性能等。陶瓷、CBN、PCD、金属陶瓷等刀具材料具有良好的耐热性和耐磨性，当其韧性得到改善后，非常适合用于高速切削。先进涂层技术的发展进一步改善了刀具材料的性能。目前，新型涂层材料和涂层工艺的开发方兴未艾，预示着涂层刀具在高速切削领域将有巨大发展潜力和广阔应用前景。

本文对高速切削加工时陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具、金属陶瓷刀具和涂层刀具的磨损机理进行了综合评述，对刀具的磨损形态和磨损寿命进行了分析，这些研究将有益于实际生产加工中对高速切削刀具的合理选用与磨损控制。

2高速切削刀具的磨损形态

高速切削时，刀具的主要磨损形态为后刀面磨损、微崩刃、边界磨损、片状剥落、前刀面月牙洼磨损、塑性变形等。

后刀面磨损是高速切削刀具最经常发生的磨损形式，可看作是刀具的正常磨损。后刀面磨损带宽度的加大会使刀具丧失切削性能，在高速切削时常采用后刀面上均匀磨损区宽度VB值作为刀具的磨损极限。

微崩刃是在刀具切削刃上产生的微小缺口，常发生在断续高速切削时，通过选用韧性好的刀具材料、减小进给量、改变刀具主偏角以增加稳定性等措施，均可减小微崩刃的发生概率。通常只要将刀具微崩刃的大小控制在磨损限度以内，刀具仍可继续切削。

边界磨损发生在刀具后刀面的刀?工接触边缘处，形状通常为一狭长沟槽，因此也称为沟槽磨损。高速切削不锈钢、高温合金（如Inconel718）时刀具容易发生边界磨损，其原因是工件表面的加工硬化使刀? 工接触边界的工件材料硬度最高。加工外圆时，刀?工接触边界的切削速度最高，因此也容易形成边界磨损。此外，用陶瓷刀具高速切削铸铁时也容易发生边界磨损。

片状剥落多发生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀?屑或刀?工接触区的接触疲劳或热应力疲劳所致。当剥落很小时，被认为是磨损；但在很多情况下，由于疲劳裂纹源距刀具表面具有一定深度，裂纹扩展后所形成的剥落块往往大于刀具的磨损限度，一旦发生剥落，即可使刀具失效，形成剥落破损。陶瓷刀具端铣钢和铸铁时，前刀面上经常出现贝壳状剥落；涂层刀具因涂层材料与基体材料粘结强度不够也易发生剥落。

前刀面月牙洼磨损最常出现在塑性金属的高速切削加工中。塑性变形多发生在切削温度较高而刀具红硬性较差的切削条件下，超硬刀具材料在切削速度很高时也可能发生塑性变形现象。

3高速切削刀具的磨损机理

在高速切削加工中，与普通切削加工类似，也存在两个摩擦副：前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面与已加工表面间的摩擦副。其中，前者影响刀具前刀面的磨损，后者影响刀具后刀面的磨损，前、后刀面的磨损均影响刀具寿命。但与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增加，切削过程中产生的热量更多向刀具传递，因此其磨损机理与普通切削有很大区别。

（1）陶瓷刀具

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬质合金刀具高3～10倍，适用于高速切削钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削时，切削温度可高达800～1000℃甚至更高，切削压力也很大。因此，陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损综合作用的结果，其磨损机制主要包括磨料磨损、粘结磨损、化学反应、扩散磨损、氧化磨损等。陶瓷刀具的磨损

与切削条件密切相关，在高速切削时以高温引起的粘结磨损、化学反应、氧化磨损和扩散磨损为主。

Al2O3基陶瓷刀具在连续高速切削钢件时，其磨损机制主要为伴有微崩刃的磨料磨损和粘结磨损；而在高速切削铸铁时，磨损机制主要为磨料磨损。

用Al2O3/SiCw陶瓷刀具高速加工Inconel718高温合金时，刀具的主要磨损机制为粘结磨损、化学反应和扩散磨损，因此用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718时必须使用切削液（含氯化石蜡的切削液效果更好）。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN 陶瓷刀具加工AISI4337钢时，前刀面与后刀面的磨损机理有所不同：化学反应及塑性变形是前刀面磨损的主要原因；后刀面的磨损机理则是陶瓷颗粒间发生断裂，导致陶瓷颗粒脱落所致。

Al2O3/TiB2陶瓷刀具加工高强钢和淬硬钢时具有较好的耐磨性，且刀具的耐磨性能随着TiB2含量的增加而增强。Al2O3基陶瓷刀具在高速切削时，刀具表层有时会发生塑性变形现象，这是由于Al2O3与FeO（钢表面氧化产物）或MgO（陶瓷添加剂）反应形成了尖晶石结构，或者是Al2O3与SiO2、CaO作用形成了低熔点、低硬度的化合物。

Si3N4基陶瓷刀具高速切削铸铁时的主要磨损机制为化学磨损。虽然化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并不大，但化学作用可使机械磨损的程度大大加剧，如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工件间的粘结，从而导致严重的粘结磨损和微观断裂磨损。切削钢件时，Si3N4陶瓷刀具的磨损主要与刀具和工件间的化学作用有关，由于Si3N4颗粒的化学溶解及不断被从玻璃相中拔出，使Si3N4陶瓷刀具表现出很高的磨损率。Si3N4陶瓷刀具高速切削钢件时的高磨损率主要可归因于以下两种因素：①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2层不断被磨去；②SiO2与工件表面的FeO形成低熔点的共晶混合物。

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）则是由CBN微粉与少量粘结相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高温高压下烧结而成。

PCBN 组织中各微小晶粒呈无序排列状态，因此PCBN硬度均匀，无方向性，具有一致的耐磨性和抗冲击性，并有很高的硬度和耐热性（1300～1500℃）、优良的化学稳定性和导热性以及低摩擦系数，而且PCBN与Fe族元素亲和性很低，因此它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。PCBN的CBN含量、晶粒尺寸、粘结相等均会影响其性能：CBN含量越