解析刀具磨损与刀具寿命—涂层技术有效改善刀片切削区域性能

金属切削过程中所产生的功率消耗以切削热和摩擦的形式表现出来。这些因素使刀具处于恶劣的加工条件下，表面高负载、高切削温度。之所以产生高温是因为切屑沿刀具前刀面高速滑移，对切削刃，产生高压及强烈的摩擦。
加工过程中，刀具遇到部件微结构中的硬质点，或进行断续切削，可导致切削力出现波动。因此，对切削刀具有耐高温、高韧性、高耐磨性、高硬度等特点的要求。

在过去的半个世纪里，为了持续提升切削刀具的性能，人们开展了大量的研究工作。

影响几乎所有刀具材料磨损率的一个关键因素是加工过程中所达到的切削温度。遗憾的是，很难界定计算切削温度的相关参数值，但实验测定可以为经验公式提供依据。

通常假设切削过程中所产生的所有能量均转换为切削热，80%的切削热会被切屑带走（这一数值会随着一些因素而变化，切削速度为主要影响因素）。这使得大约20％的热量进入了刀具。即使切削低碳钢，刀具温度也可超过550℃，而此温度值是高速钢（HSS）保持硬度所能承受的最高温度。用立方氮化硼（CBN）刀具切削淬硬钢时，刀具和切屑温度可超过1000℃。

刀具磨损和刀具寿命的关系

刀具磨损形态可分为以下几类：

• 后刀面磨损

• 沟槽磨损

• 月牙洼磨损

• 切削刃崩刃

• 热裂纹

• 突发失效

目前业内对于刀具寿命还没有一种普遍接受的统一定义。人们需要针对工件材料和切削工艺，特别说明刀具寿命。一种量化刀具寿命的方法是定义一个可以接受的最大后刀面磨损值，即VB或VBmax。

从数学的角度，刀具寿命可以由如下公式表示。泰勒公式为刀具寿命预测提供了一个很好的近似计算的方法。

VcTn = C

这是泰勒公式的通用形式，相关参数如下：

• Vc = 切削速度

• T = 刀具寿命

• D = 切削深度

• F = 进给速率

• x 和 y 依据实验情况确定

• n和C是由实验或经验值确定的常数；它们因刀具材料、工件材料和进给速率的各异而不同。

从实践的角度来看，为了抑制过度的刀具磨损并克服高温，应注意三个关键要素：基体、涂层以及切削刃处理。每个要素都关系到金属切削加工成败。这三个要素，结合卷屑槽形制、刀尖圆角半径，共同决定了每刀具适用的被加工材料及应用场合。以上所有相关参数共同配合作用，才能保障刀具的长寿命，并最终体现为加工的经济性和可靠性。

基体

兼具耐磨性及韧性的钨基硬质合金刀具，加工适应范围更广。刀具供应商通常通过控制WC晶粒度范围：0.3微米至5微米，来把握基体的性能。WC晶粒度对刀具切削加工中的表现具有重大影响。WC晶粒度越小，刀具越耐磨；反之，WC晶粒度越大，刀具韧性越佳。超细晶粒基体所制成的刀片主要用于加工航空航天工业的被加工材料，譬如：钛合金，铬镍铁合金，高温合金等。

此外，将钴含量从6%调整至12％可以显著提高基体的韧性。因此，只需调整基体材料成分，即可满足金属加工应用中刀具对韧性、耐磨性的需求。

基体性能既可以通过毗邻表层的“富钴层”进行增强，也可以通过选择性地在硬质合金中加入其它类型的合金元素进行增强，例如碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）、碳化钒（VC）以及碳化铌（NbC）。富钴层显著提高了切削刃强度，使得刀具在粗加工和断续加工应用中有着优异的表现。

此外，为了匹配工件材料并满足特定加工要求，选择合适的基体时还要考虑以下五个物理特性： 冲击韧性、横向断裂强度、抗压强度、硬度和热冲击韧性。

伊斯卡研发工程师改进了新型束魔涂层（SUMO TEC）刀片的基体成份以进一步提高性能。用于加工钢的刀片牌号基体，需具有更强的抗塑性变形能力，以抑制因刀片脆性涂层出现的微裂纹。伊斯卡也对全系列的用于加工铸铁的合金基体，进行了类似的改进。

涂层

目前市场上主流的涂层材料包括：

•氮化钛（TiN） - 通常采用PVD涂层，具有高硬度、抗氧化温度高的特点。

•氮碳化钛（TiCN） - 添加碳有助于提高涂层的硬度和涂层表面自润滑性。

•氮化铝钛（TiAlN 或 AlTiN）- 包括一层氧化铝，在切削温度高的应用中可延长刀具寿命，特别适用于准干切削/干切削。相对于TiAlN 涂层，由于铝/钛比例的不同，AlTiN涂层表面硬度更高。此涂层方案非常适合于高速加工应用。

•氮化铬（CrN） - 具有高硬度、耐磨性高的优点，是抗积屑瘤的首选解决方案。

•金刚石（PCD）- 具有最好的非铁合金材料加工性能，尤其是加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金和其它研磨材料。完全不适合加工钢，因为化学反应会破坏涂层与基体的结合。

通过对近几年的涂料材料发展，市场需求的增长进行分析，我们看到，PVD涂层刀具比CVD涂层刀具更受到青睐。CVD涂层的厚度一般在5-15微米之间变化，而PVD涂层厚度一般在2-6微米之间。当CVD涂层涂覆在基体上表面时，CVD涂层会产生拉应力，而PVD涂层则相反产生压应力。这两种因素分别对切削刃产生显著影响，特别是在断续切削或连续加工过程中的刀具性能。在涂层工艺中添加新的合金元素不仅有利于提高涂层的结合力，而且还能够改善涂层的特性。

伊斯卡最近公布了独一无二的3P束魔涂层（SUMO TEC）后处理工艺，分别对PVD和CVD涂层的韧性、表面光洁度以及抗崩刃性进行了改进。束魔涂层技术还有助于降低加工中的摩擦力，并因此提高了抗积屑瘤性，并最终降低了功率消耗。

该独特工艺体现为在CVD涂层后，对刀片冷却过程特别的工艺控制，有效减少了刀片涂层表面微裂纹。同样，这一工艺可去除PVD涂层工艺中在表面留下的不良液滴。因此，无论是CVD涂层还是PVD涂层，最终均可以获得更光滑的涂层表面，这样刀片切削热更低，寿命更长，排屑更流畅，可实现的切削速度也就越快。

伊斯卡的另一个创新是DO- TEC双涂层技术，此技术基于Al2O3中温化学涂层（MTCVD）表面，进行TiAlN （PVD）涂层。这一组合为最终用户带来了多重好处，比如以中高速切削不同成分含量的铸铁，具有高耐磨性、高抗崩刃性。

刀片切削刃刃口处理

在许多情况下切削刃处理（钝化）决定了加工的成败。钝化参数由预设定的应用决定。例如，钢的高速精加工所需的切削刃刃口处理完全不同于应用于粗加工的切削刃刃口处理。

一般来说，连续车削需要对切削刃进行钝化处理，大多数的钢和铸铁的铣削也是如此。对于苛刻的断续加工，还需加大钝化参数或对切削刃进行T-LAND负倒棱处理。

相比之下，当加工不锈钢或高温合金时，需对刀片进行钝化处理以获得小钝化半径，并采纳锋利切削刃，这是因为加工此类被加工材料时，具有容易产生积屑瘤的特性。同样，加工铝时也需要锋利切削刃。

在几何方面，伊斯卡提供众多采用螺旋切削刃的刀片，切削刃轮廓沿轴线方向均匀地围绕在一个圆柱面上渐进。螺线刃旋向类似于一个螺旋。螺旋刃设计的好处之一是使得切削加工平滑过度，降低振颤，从而获取更高的表面光洁度。此外，螺旋切削刃可以承受更大的切削载荷，使得在降低切削力的同时，去除更多的金属。螺旋切削刃的刀具的另一个优点是刀具寿命更长，这是因为刀具切削力及切削热更低。