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淺議高速切削刀具———塗層刀具

2014-6-13 來源：數控機床市場網作者：徐州機電工（gōng）程（chéng）高等職業學校宮篤篪

【摘（zhāi）要（yào）】在現代切削加工（gōng）製造技術中，高速切削技術已越來越多地被人們提及。高速切削顧名思義，首先是高的（de）速（sù）度，即機床主軸的轉速應達到某一水平，另一（yī）方麵，還應配以大的進給量（liàng），此（cǐ）外機床的快速移動、快速換刀、主軸換刀後從靜態到達其所需轉速的加速時間等等都有一定（dìng）要求。然而最終（zhōng）體現的是切削加工效率的大幅度地提高。刀具在切削過程中將逐漸產生磨損。當刀具磨損量達到（dào）一定（dìng）程（chéng）度時，可以明（míng）顯地發現切削力加大，切削溫度（dù）上升，切屑顏色（sè）改變，甚至產生振動。同時，工件尺寸可能會超出（chū）公差範圍，已加（jiā）工表麵質量也明顯惡化。因此它是切削加工（gōng）中極為重要（yào）的問（wèn）題之一。

【關（guān）鍵詞】刀具磨損；塗層；高速切削技術

刀具磨損的原因

刀具磨損（sǔn）的原因極其複雜，按性質大體可分為（wéi）機械作用和（hé）熱—化學作用。

1．1 機械作用（yòng）的磨損

刀具材（cái）料雖比工件材料硬（yìng）度大，但從微觀上看，在工件材料中包含有氧化物，碳化物等硬質點（diǎn）。這些硬質點（diǎn）的硬（yìng）度很高，它們象（xiàng）切削刃一樣，在刀麵上劃出劃痕，使刀具磨損。此外，積屑瘤脫落的碎片，粘結在切屑或工件上，也（yě）會使（shǐ）刀具磨損。

機械（xiè）磨損是低速時形成刀具磨損的主要原因。

1．2 熱（rè）—化學作用

1．2．1 粘結磨損

粘（zhān）結是分子間的吸引力（lì）導致金屬相互吸附的結果。切削（xuē）時（shí），在（zài）一定溫度與壓力下，使（shǐ）刀具與（yǔ）切屑和工件（jiàn）間產（chǎn）生粘結。由於工件與刀具之間有（yǒu）相對運（yùn）動，使（shǐ）刀具材料被切屑帶走而造成磨損（sǔn）。此外，當積屑瘤脫落時，帶走刀具材（cái）料也（yě）會形成粘結磨損。

1．2．2 擴散磨損（sǔn）

切削時，由於高溫，刀麵始（shǐ）終與切屑或工件的新生表麵相接觸，在接觸麵間分子活動能量很大，使兩摩擦麵間的化學元素相互擴散到（dào）對方去，造（zào）成兩摩擦麵的化學成分發生變（biàn）化，降低刀具材料（liào）的性能（néng），加速刀具磨損。

擴散磨損的速度，一方麵決定於刀具和工件材料間是（shì）否容易起化學反應（yīng）；另（lìng）一方麵擴散磨損的速度又決定於接觸麵的溫度。

1．2．3 氧化磨損或化學磨損

在一定的溫度下，刀具材料與空氣中的氧、極（jí）壓潤滑液中的添加劑硫、氯等起化學反應，生（shēng）成一些疏鬆、脆弱的（de）氧（yǎng）化物被切屑帶走從而加速刀具的磨損。或因刀具材料的某（mǒu）種介質被腐蝕造成刀具磨損。

1．2．4 相變磨損

當刀具（jù）的最（zuì）高溫（wēn）度超過（guò）相變溫度時，刀具表麵（miàn）的金（jīn）相組織發生（shēng）變化，使硬度下（xià）降，刀具磨損加劇。

由上可知，溫度對刀具磨損起著決定性的（de）作用，溫度愈高，刀具磨損愈（yù）快。

2 刀具材料對高速切削加工的影響（xiǎng）

高速切削刀具技術是實（shí）現高速加工的關鍵技術之一，而刀具材料的（de）高溫性能是製約高速切削刀具技術發展的重中（zhōng）之重。由於在（zài）高速切削加工中（zhōng）所（suǒ）產生的切削熱及對刀具的磨損（sǔn）比常規切（qiē）削（xuē）高得多，因（yīn）此在此過程中對刀具材料（liào）有更高的要求：高（gāo）硬度、高強度和（hé）耐磨性；高的韌性和抗衝擊能力；高的紅硬性（xìng）和化學穩（wěn）定性；抗熱衝擊能力。

眾所周知，刀具表麵塗層技術是應市場需求而發展起來的一項優質表麵改性技（jì）術，由於（yú）該項技（jì）術可使切（qiē）削刀（dāo）具獲得優良的（de）綜合機械性能，不僅可有效地提高刀具（jù）使用壽命，而且還能大幅度地提高機（jī）械加工效（xiào）率，因（yīn）此該項技術與材料（liào）、加工工藝並稱為切削刀具（jù）製造的（de）三大關鍵技術。隨著塗層技術不斷深（shēn）入的發展，在機械加工中（zhōng）人（rén）們越加認識到塗層技術的重要性，尤其（qí）是在高速切削加工中，其作用是不可替代的。

在高速切削加工（gōng）或幹式切削加工過程中，溫度是影響高速切削刀具耐用度（dù）的（de）主要原因，因此采用塗層技術提高刀具的（de）高溫性能，保證高速切削刀具的紅硬性成為近幾年（nián）塗層技術的開發熱（rè）點；與此同時（shí），通過對塗層薄膜組織結構的改善（shàn），以及減磨塗層技術的應用，既提高了刀具的表麵（miàn）質量，又降低（dī）了表麵摩擦（cā）係數，從而使塗層（céng）刀具更適合於小切削深（shēn）度和厚（hòu）度的高速切削（xuē）加（jiā）工要求。

通過化（huà）學氣相沉積(CVD)等（děng）方法對硬質合金刀片實行表麵塗層，是近年來的重大技術進展。塗層（céng）硬質合金（jīn）采用韌性較好的基體和硬度、耐磨（mó）性極高的表層(TiC、TiN、A12O3 等，厚度 5—10μm)，較好地解（jiě）決了刀具的硬度（dù）、耐磨性與強（qiáng）度、韌性之間的矛盾，因而具（jù）有良好的切削性能。在相同的（de）刀具（jù）使用壽命下，塗層（céng）硬質合（hé）金允許采用較高的切削速度（dù），或能在同樣的（de）切（qiē）削速度下大（dà）幅度地提高使用壽命。與未塗（tú）層刀具（jù）相比，塗層刀具能降低切削力、切削（xuē）溫度，並能改（gǎi）善已加工表（biǎo）麵質（zhì）量。此外，塗層刀片的通用性較好。

塗層材料為晶粒極（jí）細的碳（tàn）化物、氮化物或氧化物。其中以 TiC 和TiN 用得最（zuì）為廣（guǎng）泛，二者各具優缺點（diǎn）：TiC 硬度（dù）高，耐磨性好，線膨脹係數與基體比（bǐ）較接近，結（jié）合比較牢（láo）固；TiN 的硬度低於 TiC，與基體結（jié）合稍差，但與鐵基（jī）金屬之間的摩擦（cā）係（xì）數更小，抗月牙窪磨損的能力更強，且不易生成中間（jiān）層(脆（cuì）性相（xiàng）)，故塗層允許較厚。A12O3 塗層的高（gāo）溫化學性能穩（wěn）定，適（shì）用（yòng）於更高速度下（xià）的切削。HfN(氮化鉿)的線膨脹係數與基體最接（jiē）近，塗層後表麵殘餘應力很小（xiǎo）。幾種塗層（céng）材料複合使用，可以得到兩層、三層和多層（céng）的塗層（céng）合金。例（lì）如 TiC／Ti (C，N)／TiN 三塗層刀片，內層為 TiC，與基體結合牢固，外層（céng）為 TiN，與被加（jiā）工材料摩擦力小，不易發生冷焊，中間（jiān）用 Ti(C，N)過渡，其中了 TiN 的百分比由內到外（wài）遞增。多層塗（tú）層（céng）合金的切削性能常優於（yú）單層。目前塗層材料還有 Ti(B，N)、A1(O，N)等，它們可與 TiC、TiN、A12O3 等組合成不同的多層塗層合金。

3 結束語

高速切削刀（dāo）具技術是實現高速加工的關鍵技術之一，阻礙切削（xuē）速度提高的關鍵因素是刀具（jù）材料能否承受越來越高的切削溫度（dù）。因此材料技術、塗層技術的（de）開發愈來（lái）愈引起人們（men）重（chóng）視（shì），可以肯定的是高速切削加工時代（dài）的到來及普及為材料科學、表麵該性技術的發展帶來了良好的契機；複合型材料不僅可大幅度提高資源的利用率，且可使部（bù）件的功能有極大的拓展，因此（cǐ）也更為人們所接受。

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