浅议高速切削刀具———涂层刀具
2014-6-13 来源：数控机床市场网 作者：徐州机电工程高等职业学校宫笃篪
【摘要】在现代切削加工制造技术中，高速切削技术已越来越多地被人们提及。高速切削顾名思义，首先是高的速度，即机床主轴的转速应达到某一水平，另一方面，还应配以大的进给量，此外机床的快速移动、快速换刀、主轴换刀后从静态到达其所需转速的加速时间等等都有一定要求。然而最终体现的是切削加工效率的大幅度地提高。刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨损量达到一定程度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸可能会超出公差范围，已加工表面质量也明显恶化。因此它是切削加工中极为重要的问题之一。
【关键词】刀具磨损；涂层；高速切削技术
刀具磨损的原因
刀具磨损的原因极其复杂，按性质大体可分为机械作用和热—化学作用。
1．1 机械作用的磨损
刀具材料虽比工件材料硬度大，但从微观上看，在工件材料中包含有氧化物，碳化物等硬质点。这些硬质点的硬度很高，它们象切削刃一样，在刀面上划出划痕，使刀具磨损。 此外，积屑瘤脱落的碎片，粘结在切屑或工件上，也会使刀具磨损。
机械磨损是低速时形成刀具磨损的主要原因。
1．2 热—化学作用
1．2．1 粘结磨损
粘结是分子间的吸引力导致金属相互吸附的结果。 切削时，在一定温度与压力下，使刀具与切屑和工件间产生粘结。由于工件与刀具之间有相对运动，使刀具材料被切屑带走而造成磨损。此外，当积屑瘤脱落时，带走刀具材料也会形成粘结磨损。
1．2．2 扩散磨损
切削时，由于高温，刀面始终与切屑或工件的新生表面相接触，在接触面间分子活动能量很大，使两摩擦面间的化学元素相互扩散到对方去，造成两摩擦面的化学成分发生变化，降低刀具材料的性能，加速刀具磨损。
扩散磨损的速度，一方面决定于刀具和工件材料间是否容易起化学反应；另一方面扩散磨损的速度又决定于接触面的温度。
1．2．3 氧化磨损或化学磨损
在一定的温度下，刀具材料与空气中的氧、极压润滑液中的添加剂硫、氯等起化学反应，生成一些疏松、脆弱的氧化物被切屑带走从而加速刀具的磨损。或因刀具材料的某种介质被腐蚀造成刀具磨损。
1．2．4 相变磨损
当刀具的最高温度超过相变温度时，刀具表面的金相组织发生变化，使硬度下降，刀具磨损加剧。
由上可知，温度对刀具磨损起着决定性的作用，温度愈高，刀具磨损愈快。
2 刀具材料对高速切削加工的影响
高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一，而刀具材料的高温性能是制约高速切削刀具技术发展的重中之重。由于在高速切削加工中所产生的切削热及对刀具的磨损比常规切削高得多，因此在此过程中对刀具材料有更高的要求：高硬度、高强度和耐磨性；高的韧性和抗冲击能力；高的红硬性和化学稳定性；抗热冲击能力。
众所周知，刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一项优质表面改性技术，由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能，不仅可有效地提高刀具使用寿命，而且还能大幅度地提高机械加工效率，因此该项技术与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。随着涂层技术不断深入的发展，在机械加工中人们越加认识到涂层技术的重要性，尤其是在高速切削加工中，其作用是不可替代的。
在高速切削加工或干式切削加工过程中，温度是影响高速切削刀具耐用度的主要原因，因此采用涂层技术提高刀具的高温性能，保证高速切削刀具的红硬性成为近几年涂层技术的开发热点；与此同时，通过对涂层薄膜组织结构的改善，以及减磨涂层技术的应用，既提高了刀具的表面质量，又降低了表面摩擦系数，从而使涂层刀具更适合于小切削深度和厚度的高速切削加工要求。
通过化学气相沉积(CVD)等方法对硬质合金刀片实行表面涂层，是近年来的重大技术进展。 涂层硬质合金采用韧性较好的基体和硬度、耐磨性极高的表层(TiC、TiN、A12O3 等，厚度 5—10μm)，较好地解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，因而具有良好的切削性能。在相同的刀具使用寿命下，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，或能在同样的切削速度下大幅度地提高使用寿命。与未涂层刀具相比，涂层刀具能降低切削力、切削温度，并能改善已加工表面质量。此外，涂层刀片的通用性较好。
涂层材料为晶粒极细的碳化物、氮化物或氧化物。其中以 TiC 和TiN 用得最为广泛，二者各具优缺点：TiC 硬度高，耐磨性好，线膨胀系数与基体比较接近，结合比较牢固；TiN 的硬度低于 TiC，与基体结合稍差，但与铁基金属之间的摩擦系数更小，抗月牙洼磨损的能力更强，且不易生成中间层(脆性相)，故涂层允许较厚。A12O3 涂层的高温化学性能稳定，适用于更高速度下的切削。HfN(氮化铪)的线膨胀系数与基体最接近，涂层后表面残余应力很小。几种涂层材料复合使用，可以得到两层、三层和多层的涂层合金。例如 TiC／Ti (C，N)／TiN 三涂层刀片，内层为 TiC，与基体结合牢固，外层为 TiN，与被加工材料摩擦力小，不易发生冷焊，中间用 Ti(C，N)过渡，其中了 TiN 的百分比由内到外递增。多层涂层合金的切削性能常优于单层。目前涂层材料还有 Ti(B，N)、A1(O，N)等，它们可与 TiC、TiN、A12O3 等组合成不同的多层涂层合金。
3 结束语
高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一，阻碍切削速度提高的关键因素是刀具材料能否承受越来越高的切削温度。因此材料技术、涂层技术的开发愈来愈引起人们重视，可以肯定的是高速切削加工时代的到来及普及为材料科学、表面该性技术的发展带来了良好的契机；复合型材料不仅可大幅度提高资源的利用率，且可使部件的功能有极大的拓展，因此也更为人们所接受。
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