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(jì)80年代開始，由于數(shù)控機(jī)床的主軸、進(jìn)給系統(tǒng)等功能部件設(shè)計制造技術(shù)的突破，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度均大幅度提高，在現(xiàn)代制造技術(shù)全面進(jìn)步的推動下，切削加工技術(shù)開始進(jìn)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(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并正向其它應(yīng)用領(lǐng)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(jī)械摩擦、粘結(jié)、化學(xué)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(xué)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(dāng)其韌性得到改善后，非常適合用于高速切削。先進(jìn)涂層技術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(yù)示著涂層刀具在高速切削領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟀l(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)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(jī)理進(jìn)行了綜合評述，對刀具的磨損形態(tài)和磨損壽命進(jìn)行了分析，這些研究將有益于實(shí)際生產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(jìn)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(nèi)，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(chǎn)物）或MgO（陶瓷添加劑）反應(yīng)形成了尖晶石結(jié)構(gòu)，或者是Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點(diǎn)、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(jī)制為化學(xué)磨損。雖然化學(xué)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(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)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(xué)作用有關(guān)，由于Si3N4顆粒的化學(xué)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(diǎn)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(jié)相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高溫高壓下燒結(jié)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(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性以及低摩擦系數(shù)，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(jié)相等均會影響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和導(dǎo)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(jié)相時，PCBN有較好的韌性和導(dǎo)電性，采用陶瓷材料作為粘結(jié)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(xué)磨損，導(dǎo)致前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損。試驗(yàn)證明，通過改變CBN含量

9、和刀具幾何參數(shù)，以降低切削溫度和減小刀—屑接觸長度（時間），可減小化學(xué)磨損速率，避免前刀面月牙洼磨損。一般認(rèn)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(guān)化學(xué)元素與之發(fā)生粘結(jié)、親和而引起的，即其磨損機(jī)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(dá)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(chǎn)生氧化、放氮甚至相變。而CBN刀具一經(jīng)氧化和

10、相變即會喪失其切削能力。②粘結(jié)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(xué)惰性，但對其它元素并非如此，當(dāng)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(dǎo)致出現(xiàn)粘結(jié)磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當(dāng)?shù)都鈪^(qū)溫度高達(dá)1200℃左右時，局部CBN顆粒將呈現(xiàn)“半熔化”狀態(tài)，從而使粘結(jié)磨損大大加劇。③摩擦磨損。工件與刀具之間的高速相