熱熔鉆頭磨損形態(tài)和主流涂層材料

—涂層技術(shù)有效改善刀片切削區(qū)域性能

金屬切削過程中所產(chǎn)生的功率消耗以切削熱和摩擦的形式表現(xiàn)出來。這些因素使刀具處于惡劣的加工條件下，表面高負載、高切削溫度。之所以產(chǎn)生高溫是因為切屑沿刀具前刀面高速滑移，對切削刃，產(chǎn)生高壓及強烈的摩擦。

加工過程中，刀具遇到部件微結(jié)構(gòu)中的硬質(zhì)點，或進行斷續(xù)切削，可導(dǎo)致切削力出現(xiàn)波動。因此，對切削刀具有耐高溫、高韌性、高耐磨性、高硬度等特點的要求。

在過去的半個世紀里，為了持續(xù)提升切削刀具的性能，人們開展了大量的研究工作。影響幾乎所有刀具材料磨損率的一個關(guān)鍵因素是加工過程中所達到的切削溫度。遺憾的是，很難界定計算切削溫度的相關(guān)參數(shù)值，但實驗測定可以為經(jīng)驗公式提供依據(jù)。

通常假設(shè)切削過程中所產(chǎn)生的所有能量均轉(zhuǎn)換為切削熱，80%的切削熱會被切屑帶走（這一數(shù)值會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％的熱量進入了刀具。即使切削低碳鋼，刀具溫度也可超過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，刀具和切屑溫度可超過1000℃。

刀具磨損和刀具壽命的關(guān)系

熱熔鉆頭磨損形態(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 
·突發(fā)失效

目前業(yè)內(nèi)對于刀具壽命還沒有一種普遍接受的統(tǒng)一定義。人們需要針對工件材料和切削工藝，特別說明刀具壽命。一種量化刀具壽命的方法是定義一個可以接受的最大后刀面磨損值，即VB或VBmax。

從數(shù)學(xué)的角度，刀具壽命可以由如下公式表示。泰勒公式為刀具壽命預(yù)測提供了一個很好的近似計算的方法。

VcTn = C ，這是泰勒公式的通用形式，相關(guān)參數(shù)如下：

Vc = 切削速度 
T = 刀具壽命 
D = 切削深度 
F = 進給速率

x 和 y 依據(jù)實驗情況確定，n和C是由實驗或經(jīng)驗值確定的常數(shù)；它們因刀具材料、工件材料和進給速率的各異而不同。

從實踐的角度來看，為了抑制過度的刀具磨損并克服高溫，應(yīng)注意三個關(guān)鍵要素：基體、涂層以及切削刃處理。每個要素都關(guān)系到金屬切削加工成敗。這三個要素，結(jié)合卷屑槽形制、刀尖圓角半徑，共同決定了每刀具適用的被加工材料及應(yīng)用場合。以上所有相關(guān)參數(shù)共同配合作用，才能保障刀具的長壽命，并最終體現(xiàn)為加工的經(jīng)濟性和可靠性。

基體

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)商通常通過控制WC晶粒度范圍：0.3微米至5微米，來把握基體的性能。WC晶粒度對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。超細晶粒基體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，譬如：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)用中刀具對韌性、耐磨性的需求。

基體性能既可以通過毗鄰表層的“富鈷層”進行增強，也可以通過選擇性地在硬質(zhì)合金中加入其它類型的合金元素進行增強，例如碳化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）、碳化釩（VC）以及碳化鈮（NbC）。富鈷層顯著提高了熱熔鉆頭切削刃強度，使得刀具在粗加工和斷續(xù)加工應(yīng)用中有著優(yōu)異的表現(xiàn)。

此外，為了匹配工件材料并滿足特定加工要求，選擇合適的基體時還要考慮以下五個物理特性： 沖擊韌性、橫向斷裂強度、抗壓強度、硬度和熱沖擊韌性。

伊斯卡研發(fā)工程師改進了新型束魔涂層（SUMO TEC）刀片的基體成份以進一步提高性能。用于加工鋼的刀片牌號基體，需具有更強的抗塑性變形能力，以抑制因刀片脆性涂層出現(xiàn)的微裂紋。伊斯卡也對全系列的用于加工鑄鐵的合金基體，進行了類似的改進。

涂層

目前市場上主流的涂層熱熔鉆材料包括：

·氮化鈦（TiN） - 通常采用PVD涂層，具有高硬度、抗氧化溫度高的特點。

·氮碳化鈦（TiCN） - 添加碳有助于提高涂層的硬度和涂層表面自潤滑性。

·氮化鋁鈦（TiAlN 或 AlTiN）- 包括一層氧化鋁，在切削溫度高的應(yīng)用中可延長刀具壽命，特別適用于準干切削/干切削。相對于TiAlN 涂層，由于鋁/鈦比例的不同，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） - 具有高硬度、耐磨性高的優(yōu)點，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，因為化學(xué)反應(yīng)會破壞涂層與基體的結(jié)合。