解析刀具磨損與刀具壽命.docx

解析刀具磨損與刀具壽命H ReadNews9418.html解析刀具磨損與刀具壽命，涂層技術(shù)有效改善刀片切削區(qū)性能金屬切削過(guò)程中產(chǎn)生的功率消耗以切削熱和摩擦的形式表現(xiàn)出來(lái)。這些因素使刀具處于惡劣的加工條件下，刀具表面負(fù)載高、切削溫度高。產(chǎn)生高溫的原因是切屑沿刀具前刀面高速滑移，對(duì)切削刃產(chǎn)生高壓及強(qiáng)烈的摩擦。加工過(guò)程中，刀具遇到部件微結(jié)構(gòu)中的硬質(zhì)點(diǎn)或斷續(xù)切削時(shí)，導(dǎo)致切削力出現(xiàn)波動(dòng)。因此，對(duì)切削刀具有耐高溫、高韌性、高耐磨性、高硬度等要求。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，為了持續(xù)提升切削刀具性能，人們開展了大量研究工作。影響幾乎所有刀具材料磨損率的一個(gè)關(guān)鍵因素是加工過(guò)程中所達(dá)到的切削溫度。遺憾的是，很難界定計(jì)算切削溫度的相關(guān)參數(shù)值，但實(shí)驗(yàn)測(cè)定可以為經(jīng)驗(yàn)公式提供依據(jù)。通常假設(shè)切削過(guò)程中產(chǎn)生的所有能量均轉(zhuǎn)換為切削熱，80%的切削熱會(huì)被切屑帶走(這一數(shù)值會(huì)隨著一些因素而變化，切削速度為主要影響因素)。這使得大約20%的熱量進(jìn)入了刀具。即使切削低碳鋼，刀具溫度也可超過(guò)550，而此溫度值是高速鋼(HSS)保持硬度所能承受的最高溫度。用立方氮化硼(CBN)刀具切削淬硬鋼時(shí)，刀具和切屑溫度可超過(guò)1000。刀具磨損與刀具壽命的關(guān)系刀具磨損形態(tài)可分為以下幾類:后刀面磨損、溝槽磨損、月牙洼磨損、切削刃崩刃、熱裂紋和突發(fā)失效。目前業(yè)內(nèi)對(duì)于刀具壽命還沒(méi)有一種普遍接受的統(tǒng)一定義。人們需要針對(duì)工件材料和切削工藝，特別說(shuō)明刀具壽命。量化刀具壽命的方法是定義一個(gè)可以接受的最大后刀面磨損值，即VB或VBmax。刀具壽命從數(shù)學(xué)的角度可以由如下公式表示。泰勒公式為刀具壽命預(yù)測(cè)提供了一個(gè)很好的近似計(jì)算的方法，其通用形式為:VcTn = C式中:Vc為切削速度，T為刀具壽命，D為切削深度，F(xiàn)為進(jìn)給速率，x和y依據(jù)實(shí)驗(yàn)情況確定，n和C是由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)值確定的常數(shù)，它們因刀具材料、工件材料和進(jìn)給速率的各異而不同。從實(shí)踐角度來(lái)看，為了抑制過(guò)度的刀具磨損并克服高溫，應(yīng)注意三個(gè)關(guān)鍵要素:基體、涂層以及切削刃處理。每個(gè)要素都關(guān)系到金屬切削加工成敗。結(jié)合卷屑槽形和刀尖圓角半徑，共同決定了每種刀具適用的被加工材料及應(yīng)用場(chǎng)合。以上所有相關(guān)參數(shù)共同配合作用，才能保障刀具的長(zhǎng)壽命，并最終體現(xiàn)為加工的經(jīng)濟(jì)性和可靠性?；w兼具耐磨性及韌性的鎢基硬質(zhì)合金刀具加工適應(yīng)范圍更廣。刀具供應(yīng)商通常通過(guò)控制WC晶粒度范圍(0.35m)來(lái)把握基體的性能。WC晶粒度對(duì)刀具切削加工中的表現(xiàn)具有重大影響。WC晶粒度越小，刀具越耐磨：反之，WC晶粒度越大，刀具韌性越佳。超細(xì)晶?；w所制成的刀片主要用于加工航空航天工業(yè)的被加工材料，如鈦合金、鉻鎳鐵合金、高溫合金等。此外，將鈷含量從6%調(diào)整至12%可以顯著提高基體的韌性。因此，只需調(diào)整基體材料成分，即可滿足金屬加工應(yīng)用中刀具對(duì)韌性、耐磨性的需求?；w性能既可以通過(guò)毗鄰表層的“富鈷層”進(jìn)行增強(qiáng)，也可以通過(guò)選擇性地在硬質(zhì)合金中加入其它類型的合金元素進(jìn)行增強(qiáng)，例如碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化釩(VC)以及碳化鈮(NbC)。富鈷層顯著提高了切削刃強(qiáng)度，使刀具在粗加工和斷續(xù)加工應(yīng)用中有優(yōu)異的表現(xiàn)。為了匹配工件材料并滿足特定加工要求，選擇合適的基體還要考慮以下五個(gè)物理特性:沖擊韌性、橫向斷裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、硬度和熱沖擊韌性。伊斯卡研發(fā)工程師改進(jìn)了新型束魔涂層(SUMO TEC)刀片的基體成份以進(jìn)一步提高性能。用于加工鋼的刀片牌號(hào)基體，需具有更強(qiáng)的抗塑性變形能力，以抑制因刀片脆性涂層出現(xiàn)的微裂紋。伊斯卡也對(duì)全系列的用于加工鑄鐵的合金基體進(jìn)行了類似改進(jìn)。涂層目前市場(chǎng)上主要的涂層材料包括:氮化鈦(TiN)通常采用PVD涂覆，具有硬度高、抗氧化溫度高的特點(diǎn)：氮碳化鈦(TiCN)添加碳有助于提高涂層硬度和涂層表面自潤(rùn)滑性：氮化鋁鈦(TiAlN 或 AlTiN)包括一層氧化鋁，在切削溫度高的應(yīng)用中可延長(zhǎng)刀具壽命，特別適用于準(zhǔn)干切削或干切削。相對(duì)于TiAlN 涂層，由于鋁、鈦比例不同，AlTiN涂層表面硬度更高。此涂層方案非常適合于高速加工應(yīng)用。氮化鉻(CrN)具有硬度高、耐磨性高的優(yōu)點(diǎn)，是抗積屑瘤的首選解決方案。金剛石(PCD)具有最好的非鐵合金材料加工性能，尤其是加工石墨、金屬基復(fù)合材料、高硅鋁合金和其它研磨材料。完全不適合加工鋼，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)破壞涂層與基體的結(jié)合。通過(guò)對(duì)近幾年涂層材料的發(fā)展和市場(chǎng)需求增長(zhǎng)進(jìn)行分析看到，PVD涂層刀具比CVD涂層刀具更受青睞。CVD涂層的厚度一般在5-15m之間變化，而PVD涂層厚度一般在2-6m之間。當(dāng)CVD涂層涂覆在基體上表面時(shí)，CVD涂層會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而PVD涂層則相反，產(chǎn)生壓應(yīng)力。這兩種因素分別對(duì)切削刃產(chǎn)生顯著影響，特別是會(huì)影響在斷續(xù)切削或連續(xù)加工過(guò)程中的刀具性能。在涂層工藝中添加新的合金元素不僅有利于提高涂層的結(jié)合力，而且還能夠改善涂層的特性。伊斯卡最近公布了3P束魔涂層(SUMO TEC)后處理工藝，分別對(duì)PVD和CVD涂層的韌性、表面光潔度以及抗崩刃性進(jìn)行了改進(jìn)。束魔涂層技術(shù)有助于降低加工中的摩擦力，并因此提高了抗積屑瘤性，并最終降低了功率消耗。該獨(dú)特工藝體現(xiàn)為在CVD涂層后，對(duì)刀片冷卻過(guò)程進(jìn)行特別的工藝控制，有效減少刀片涂層表面微裂紋。同樣，這一工藝可去除PVD涂層工藝中表面留下的不良液滴。因此，無(wú)論是CVD涂層還是PVD涂層，最終均可以獲得更光滑的涂層表面，使刀片切削熱更低，壽命更長(zhǎng)，排屑更流暢，可實(shí)現(xiàn)的切削速度也就越快。伊斯卡的另一個(gè)創(chuàng)新是DO-TEC雙涂層技術(shù)，該技術(shù)基于Al2O3中溫化學(xué)涂層(MTCVD)表面進(jìn)行TiAlN (PVD)涂層。這一組合為最終用戶帶來(lái)了多重好處，在中高速切削不同成分含量的鑄鐵時(shí)具有高耐磨性和高抗崩刃性。刀片切削刃口處理在許多情況下切削刃處理(鈍化)決定了加工的成敗。鈍化參數(shù)由預(yù)設(shè)定的應(yīng)用決定。例如，高速精加工鋼所需的切削刃刃口處理與粗加工完全不同。一般來(lái)說(shuō)，連續(xù)車削需要對(duì)切削刃進(jìn)行鈍化處理，大多數(shù)的鋼和鑄鐵的銑削也是如此。對(duì)于苛刻的斷續(xù)加工，還需加大鈍化參數(shù)或?qū)η邢魅羞M(jìn)行T-LAND負(fù)倒棱處理。當(dāng)加工不銹鋼或高溫合金時(shí)，需對(duì)刀片進(jìn)行鈍化處理以獲得小鈍化半徑，并采用鋒利切削刃，這是因?yàn)榧庸ご祟惐患庸げ牧蠒r(shí)，容易產(chǎn)生積屑瘤。同樣，加工鋁時(shí)也需要鋒利切削刃。在幾何形狀方面，伊斯卡提供眾多采用螺旋切削刃的刀片，切削刃輪廓沿軸線方向均勻地圍繞在一個(gè)圓柱面上漸進(jìn)，螺線刃旋向類似于一個(gè)螺旋。螺旋刃設(shè)計(jì)的好處之一是使得切削加工平滑過(guò)度