鎢鋼銑刀磨損及應對之策
2020-04-13
鎢鋼銑刀磨損是切削加工中最基本的命題之一。定義和了解鎢鋼銑刀磨損，可以幫助鎢鋼銑刀製造商和用戶延長鎢鋼銑刀壽命。此外，當今的鎢鋼銑刀塗層技術（包括採用新的合金元素）提供了進一步延長鎢鋼銑刀壽命的有效手段，同時可以顯著提高生產率。
在金屬切削加工中，產生的熱量和摩擦是能量的表現形式。由很高的表面負荷以及切屑沿鎢鋼銑刀前刀面高速滑移而產生的熱量和摩擦，使鎢鋼銑刀處於一種極具挑戰性的加工環境中。
切削力的大小往往會上下波動，主要取決於不同的加工條件（如工件材料中存在硬質成份，或進行斷續切削）。因此，為了在切削高溫下保持其強度，要求鎢鋼銑刀具有一些基本特性，包括極好的韌性、耐磨性和高硬度。
儘管鎢鋼銑刀/工件介面處的切削溫度是決定幾乎所有鎢鋼銑刀材料磨損率的關鍵要素，但要確定計算切削溫度所需的參數值卻十分困難。不過，切削試驗的測量結果可以為一些經驗性的方法奠定基礎。
通常可以假定，在切削中產生的能量被轉化為熱量，而通常這些熱量的80％都被切屑帶走（這一比例的變化取決於幾個要素——尤其是切削速度）。其餘大約20％的熱量則傳入銑刀之中。即使在切削硬度不太高的鋼件時，銑刀溫度也可能會超過550℃，這是高速鋼在硬度不降低的前提下能夠承受的最高溫度。用聚晶立方氮化硼（PCBN）鎢鋼銑刀切削淬硬鋼時，銑刀和切屑的溫度通常將超過1000℃。
鎢鋼銑刀磨損通常包括以下幾種類型：①後刀面磨損；②刻劃磨損；③月牙窪磨損；④切削刃磨鈍；⑤切削刃崩刃；⑥切削刃裂紋；⑦災難性失效。
對於鎢鋼銑刀壽命，並沒有被普遍接受的統一定義，通常取決於不同的工件和鎢鋼銑刀材料，以及不同的切削工藝。定量分析鎢鋼銑刀壽命終止點的一種方式是設定一個可以接受的最大後刀面磨損極限值（用VB或VBmax表示）。鎢鋼銑刀壽命可用預期鎢鋼銑刀壽命的泰勒公式表示，即
該公式的一種更常用的形式為
式中，Vc為切削速度；T為鎢鋼銑刀壽命；D為切削深度；f為進給率；x和y由實驗確定；n和C是根據實驗或已發表的技術資料確定的常數，它們表示鎢鋼銑刀材料、工件和進給率的特性。
不斷發展的最佳鎢鋼銑刀基體、塗層和切削刃製備技術對於限制鎢鋼銑刀磨損和抵抗切削高溫至關重要。這些要素，加上在可轉位刀片上採用的斷屑槽和轉角圓弧半徑，決定了每種鎢鋼銑刀對於不同的工件和切削加工的適用性。所有這些要素的最佳組合能夠延長鎢鋼銑刀壽命，使切削加工更經濟、更可靠。
通過在1－5µm範圍內改變碳化鎢的粒度，鎢鋼銑刀製造商可以改變硬質合金鎢鋼銑刀的基體性能。基體材料的粒度對於切削性能和鎢鋼銑刀壽命起著重要作用。粒度越小，鎢鋼銑刀的耐磨性越好。反之，粒度越大，鎢鋼銑刀的強韌性越好。細顆粒基體主要用於加工航空牌號材料（如鈦合金、Inconel合金和其他高溫合金）的刀片。
此外，將硬質合金鎢鋼銑刀材料的鈷含量提高6％－12％，可以獲得更好的韌性。因此，可以通過調整鈷含量來滿足特定切削加工的要求，無論這種要求是韌性還是耐磨性。
鎢鋼銑刀基體的性能還可以通過在接近外表面處形成富鈷層，或者通過在硬質合金材料中有選擇性地添加其他合金元素（如鈦、鉭、釩、鈮等）而獲得增強。富鈷層可以顯著提高切削刃強度，從而提高粗加工和斷續切削鎢鋼銑刀的性能。
此外，在選擇與工件材料和加工方式相匹配的鎢鋼銑刀基體時，還表現考慮另外5種基體特性——斷裂韌性、橫向斷裂強度、抗壓強度、硬度和耐熱衝擊性能。例如，如果硬質合金鎢鋼銑刀出現沿切削刃崩刃的現象，就應該選用具有較高斷裂韌性的基體材料。而在鎢鋼銑刀出現切削刃直接失效或破損的情況下，可能採用的解決方案是選用具有較高橫向斷裂強度或較高抗壓強度的基體材料。對於切削溫度較高的加工場合（如乾式切削），通常應該首選硬度較高的鎢鋼銑刀材料。在可以觀察到鎢鋼銑刀產生熱裂紋的加工場合（在銑削加工中最常見），建議選用耐熱衝擊性能較好的鎢鋼銑刀材料。
對鎢鋼銑刀基體材料的優化改進可以提高鎢鋼銑刀的切削性能。例如，用於加工鋼件的刀片牌號的基體材料應選擇具有較好的抗塑性變形能力的廠家，從而能減小硬脆的刀片塗層產生微裂紋的可能性。通過對刀片的二次加工，減小了其塗層的表面粗糙度和微裂紋，從而降低了刀片表面的切削熱以及由此引起的塑性變形和微裂紋。此外，一種加工鑄鐵用刀片的新型基體具有更好的耐熱性，從而可以採用更高的切削速度進行加工。
塗層也有助於提高鎢鋼銑刀的切削性能。目前的塗層技術包括：
①氮化鈦（TiN）塗層：這是一種通用型PVD和CVD塗層，可以提高鎢鋼銑刀的硬度和氧化溫度。
②碳氮化鈦（TiCN）塗層：通過在TiN中添加碳元素，提高了塗層的硬度和表面光潔度。
③氮鋁鈦（TiAlN）和氮鈦鋁（AlTiN）塗層：氧化鋁（Al2O3）層與這些塗層的複合應用可以提高高溫切削加工的鎢鋼銑刀壽命。氧化鋁塗層尤其適合乾式切削和近干切削。AlTiN塗層的鋁含量較高，與鈦含量較高的TiAlN塗層相比，具有更高的表面硬度。AlTiN塗層通常用於高速切削加工。
④氮化鉻（CrN）塗層：這種塗層具有較好的抗粘結性能，是對抗積屑瘤的首選解決方案。
⑤金剛石塗層：金剛石塗層可以顯著提高加工非鐵族材料鎢鋼銑刀的切削性能，非常適合加工石墨、金屬基複合材料、高矽鋁合金和其他高磨蝕性材料。但金剛石塗層不適合加工鋼件，因為它與鋼的化學反應會破壞塗層與基體的粘附性能。
近年來，PVD塗層鎢鋼銑刀的市場份額有所擴大，其價格也與CVD塗層鎢鋼銑刀不相上下。CVD塗層的厚度通常為5－15µm，而PVD塗層的厚度約為2－6µm。在塗覆到鎢鋼銑刀基體上時，CVD塗層會產生不受歡迎的拉應力；而PVD塗層則有助於對基體形成有益的壓應力。較厚的CVD塗層通常會顯著降低鎢鋼銑刀切削刃的強度。因此，CVD塗層不能用於要求切削刃非常鋒利的鎢鋼銑刀。
在塗層工藝中採用新的合金元素可以改善塗層的粘附性和塗層性能。例如，處理技術能提高PVD和CVD兩類塗層的韌性、光滑程度和抗崩刃性能。WOTEK塗層技術還能減小摩擦，從而降低加工中的能量消耗，同時提高對積屑瘤的抵抗能力。
WOTEK塗層工藝可以減少刀片在CVD塗層後冷卻時因收縮率不同而在刀片表面產生的微裂紋。同樣，該工藝還能消除PVD塗層時在塗層表面產生的有害液滴，從而使塗層表面更光滑，使刀片在加工時切削溫度更低、壽命更長、形成更理想的切屑流，以及能採用更高的切削速度。
另一個例子是WOTEK的塗層技術。該技術可在中溫CVD Al2O3塗層上沉積一層TiAlN PVD塗層。這種複合塗層具有很好的耐磨性和抗崩刃性，非常適合用於高速切削鑄鐵的各種刀片牌號，其預期的切削速度可達到650－1200sfm以上（取決於工件材料的類型和加工條件）。
在許多情況下，切削刃的製備（或稱刃口鈍化）已成為決定加工成敗的分水嶺。鈍化工藝參數需根據特定的加工要求而定。例如，用於高速精加工鋼件的切削刃對刃口鈍化的要求就與用於粗加工的切削刃有所不同。刃口鈍化可應用於加工幾乎任何類型碳鋼或合金鋼的切削刃，而在加工不鏽鋼和特殊合金材料的切削刃上，其應用則有一定限制。鈍化量可以小至0.007mm，也可以大到0.05mm。為了在條件惡劣的加工中起到增強切削刃的作用，還可以通過刃口鈍化形成微小的T型棱帶。
一般來說，用於連續車削加工以及銑削大部分鋼和鑄鐵的刀片需要進行較大程度的刃口鈍化。鈍化量取決於硬質合金牌號和塗層類型（CVD或PCD塗層）。對於重度斷續切削加工刀片，對刃口進行重度鈍化或加工出T型棱帶已成為一種先決條件。根據不同的塗層類型，鈍化量可接近0.05mm。
與此相反，由於加工不鏽鋼和高溫合金的鎢鋼銑刀容易形成積屑瘤，因此要求切削刃保持鋒利，只能進行輕微鈍化（可小至0.01mm），甚至還可以定製更小的鈍化量。同樣，加工鋁合金的鎢鋼銑刀也要求具有鋒利的切削刃。
例如，WOTEK公司生產各種具有螺旋切削刃的鎢鋼銑刀，這種切削刃的廓形是圍繞一個圓柱面沿軸向均勻移動而形成的。這種近似於螺旋線的螺旋刃設計的優點之一是切削運動更平滑。與直線刃的切削方式不同，螺旋切削刃模擬了螺旋槽立銑刀的運動方式。切削刃是在「螺旋」運動中逐漸進入切削，而不是全部同時進入切削，從而可減輕顫振，獲得更好的加工表面光潔度。
此外，螺旋切削刃能承受更大的切削負荷，獲得更高的金屬去除率，同時還能減小應力。由於作用於鎢鋼銑刀的切削壓力和切削熱降低，因此螺旋切削刃的另一個優勢是可以延長鎢鋼銑刀壽命。
了解鎢鋼銑刀磨損的機理，並採用新技術與之抗衡，可以提高鎢鋼銑刀壽命和加工效率。在如今的市場上，企業不僅要在本地競爭，而且還要參與全球競爭，因此，充分利用自己的全部競爭優勢至關重要。
鎢鋼銑刀磨損原理
在金屬切削加工中，產生的熱量和摩擦是能量的表現形式。由很高的表面負荷以及切屑沿鎢鋼銑刀前刀面高速滑移而產生的熱量和摩擦，使鎢鋼銑刀處於一種極具挑戰性的加工環境中。
切削力的大小往往會上下波動，主要取決於不同的加工條件（如工件材料中存在硬質成份，或進行斷續切削）。因此，為了在切削高溫下保持其強度，要求鎢鋼銑刀具有一些基本特性，包括極好的韌性、耐磨性和高硬度。
儘管鎢鋼銑刀/工件介面處的切削溫度是決定幾乎所有鎢鋼銑刀材料磨損率的關鍵要素，但要確定計算切削溫度所需的參數值卻十分困難。不過，切削試驗的測量結果可以為一些經驗性的方法奠定基礎。
通常可以假定，在切削中產生的能量被轉化為熱量，而通常這些熱量的80％都被切屑帶走（這一比例的變化取決於幾個要素——尤其是切削速度）。其餘大約20％的熱量則傳入銑刀之中。即使在切削硬度不太高的鋼件時，銑刀溫度也可能會超過550℃，這是高速鋼在硬度不降低的前提下能夠承受的最高溫度。用聚晶立方氮化硼（PCBN）鎢鋼銑刀切削淬硬鋼時，銑刀和切屑的溫度通常將超過1000℃。
鎢鋼銑刀磨損與鎢鋼銑刀壽命
鎢鋼銑刀磨損通常包括以下幾種類型：①後刀面磨損；②刻劃磨損；③月牙窪磨損；④切削刃磨鈍；⑤切削刃崩刃；⑥切削刃裂紋；⑦災難性失效。
對於鎢鋼銑刀壽命，並沒有被普遍接受的統一定義，通常取決於不同的工件和鎢鋼銑刀材料，以及不同的切削工藝。定量分析鎢鋼銑刀壽命終止點的一種方式是設定一個可以接受的最大後刀面磨損極限值（用VB或VBmax表示）。鎢鋼銑刀壽命可用預期鎢鋼銑刀壽命的泰勒公式表示，即
VcTn=C
該公式的一種更常用的形式為
VcTn×Dxfy=C
式中，Vc為切削速度；T為鎢鋼銑刀壽命；D為切削深度；f為進給率；x和y由實驗確定；n和C是根據實驗或已發表的技術資料確定的常數，它們表示鎢鋼銑刀材料、工件和進給率的特性。
不斷發展的最佳鎢鋼銑刀基體、塗層和切削刃製備技術對於限制鎢鋼銑刀磨損和抵抗切削高溫至關重要。這些要素，加上在可轉位刀片上採用的斷屑槽和轉角圓弧半徑，決定了每種鎢鋼銑刀對於不同的工件和切削加工的適用性。所有這些要素的最佳組合能夠延長鎢鋼銑刀壽命，使切削加工更經濟、更可靠。
改變鎢鋼銑刀基體
通過在1－5µm範圍內改變碳化鎢的粒度，鎢鋼銑刀製造商可以改變硬質合金鎢鋼銑刀的基體性能。基體材料的粒度對於切削性能和鎢鋼銑刀壽命起著重要作用。粒度越小，鎢鋼銑刀的耐磨性越好。反之，粒度越大，鎢鋼銑刀的強韌性越好。細顆粒基體主要用於加工航空牌號材料（如鈦合金、Inconel合金和其他高溫合金）的刀片。
此外，將硬質合金鎢鋼銑刀材料的鈷含量提高6％－12％，可以獲得更好的韌性。因此，可以通過調整鈷含量來滿足特定切削加工的要求，無論這種要求是韌性還是耐磨性。
鎢鋼銑刀基體的性能還可以通過在接近外表面處形成富鈷層，或者通過在硬質合金材料中有選擇性地添加其他合金元素（如鈦、鉭、釩、鈮等）而獲得增強。富鈷層可以顯著提高切削刃強度，從而提高粗加工和斷續切削鎢鋼銑刀的性能。
此外，在選擇與工件材料和加工方式相匹配的鎢鋼銑刀基體時，還表現考慮另外5種基體特性——斷裂韌性、橫向斷裂強度、抗壓強度、硬度和耐熱衝擊性能。例如，如果硬質合金鎢鋼銑刀出現沿切削刃崩刃的現象，就應該選用具有較高斷裂韌性的基體材料。而在鎢鋼銑刀出現切削刃直接失效或破損的情況下，可能採用的解決方案是選用具有較高橫向斷裂強度或較高抗壓強度的基體材料。對於切削溫度較高的加工場合（如乾式切削），通常應該首選硬度較高的鎢鋼銑刀材料。在可以觀察到鎢鋼銑刀產生熱裂紋的加工場合（在銑削加工中最常見），建議選用耐熱衝擊性能較好的鎢鋼銑刀材料。
對鎢鋼銑刀基體材料的優化改進可以提高鎢鋼銑刀的切削性能。例如，用於加工鋼件的刀片牌號的基體材料應選擇具有較好的抗塑性變形能力的廠家，從而能減小硬脆的刀片塗層產生微裂紋的可能性。通過對刀片的二次加工，減小了其塗層的表面粗糙度和微裂紋，從而降低了刀片表面的切削熱以及由此引起的塑性變形和微裂紋。此外，一種加工鑄鐵用刀片的新型基體具有更好的耐熱性，從而可以採用更高的切削速度進行加工。
選擇正確的塗層
塗層也有助於提高鎢鋼銑刀的切削性能。目前的塗層技術包括：
①氮化鈦（TiN）塗層：這是一種通用型PVD和CVD塗層，可以提高鎢鋼銑刀的硬度和氧化溫度。
②碳氮化鈦（TiCN）塗層：通過在TiN中添加碳元素，提高了塗層的硬度和表面光潔度。
③氮鋁鈦（TiAlN）和氮鈦鋁（AlTiN）塗層：氧化鋁（Al2O3）層與這些塗層的複合應用可以提高高溫切削加工的鎢鋼銑刀壽命。氧化鋁塗層尤其適合乾式切削和近干切削。AlTiN塗層的鋁含量較高，與鈦含量較高的TiAlN塗層相比，具有更高的表面硬度。AlTiN塗層通常用於高速切削加工。
④氮化鉻（CrN）塗層：這種塗層具有較好的抗粘結性能，是對抗積屑瘤的首選解決方案。
⑤金剛石塗層：金剛石塗層可以顯著提高加工非鐵族材料鎢鋼銑刀的切削性能，非常適合加工石墨、金屬基複合材料、高矽鋁合金和其他高磨蝕性材料。但金剛石塗層不適合加工鋼件，因為它與鋼的化學反應會破壞塗層與基體的粘附性能。
近年來，PVD塗層鎢鋼銑刀的市場份額有所擴大，其價格也與CVD塗層鎢鋼銑刀不相上下。CVD塗層的厚度通常為5－15µm，而PVD塗層的厚度約為2－6µm。在塗覆到鎢鋼銑刀基體上時，CVD塗層會產生不受歡迎的拉應力；而PVD塗層則有助於對基體形成有益的壓應力。較厚的CVD塗層通常會顯著降低鎢鋼銑刀切削刃的強度。因此，CVD塗層不能用於要求切削刃非常鋒利的鎢鋼銑刀。
在塗層工藝中採用新的合金元素可以改善塗層的粘附性和塗層性能。例如，處理技術能提高PVD和CVD兩類塗層的韌性、光滑程度和抗崩刃性能。WOTEK塗層技術還能減小摩擦，從而降低加工中的能量消耗，同時提高對積屑瘤的抵抗能力。
WOTEK塗層工藝可以減少刀片在CVD塗層後冷卻時因收縮率不同而在刀片表面產生的微裂紋。同樣，該工藝還能消除PVD塗層時在塗層表面產生的有害液滴，從而使塗層表面更光滑，使刀片在加工時切削溫度更低、壽命更長、形成更理想的切屑流，以及能採用更高的切削速度。
另一個例子是WOTEK的塗層技術。該技術可在中溫CVD Al2O3塗層上沉積一層TiAlN PVD塗層。這種複合塗層具有很好的耐磨性和抗崩刃性，非常適合用於高速切削鑄鐵的各種刀片牌號，其預期的切削速度可達到650－1200sfm以上（取決於工件材料的類型和加工條件）。
切削刃的製備
在許多情況下，切削刃的製備（或稱刃口鈍化）已成為決定加工成敗的分水嶺。鈍化工藝參數需根據特定的加工要求而定。例如，用於高速精加工鋼件的切削刃對刃口鈍化的要求就與用於粗加工的切削刃有所不同。刃口鈍化可應用於加工幾乎任何類型碳鋼或合金鋼的切削刃，而在加工不鏽鋼和特殊合金材料的切削刃上，其應用則有一定限制。鈍化量可以小至0.007mm，也可以大到0.05mm。為了在條件惡劣的加工中起到增強切削刃的作用，還可以通過刃口鈍化形成微小的T型棱帶。
一般來說，用於連續車削加工以及銑削大部分鋼和鑄鐵的刀片需要進行較大程度的刃口鈍化。鈍化量取決於硬質合金牌號和塗層類型（CVD或PCD塗層）。對於重度斷續切削加工刀片，對刃口進行重度鈍化或加工出T型棱帶已成為一種先決條件。根據不同的塗層類型，鈍化量可接近0.05mm。
與此相反，由於加工不鏽鋼和高溫合金的鎢鋼銑刀容易形成積屑瘤，因此要求切削刃保持鋒利，只能進行輕微鈍化（可小至0.01mm），甚至還可以定製更小的鈍化量。同樣，加工鋁合金的鎢鋼銑刀也要求具有鋒利的切削刃。
例如，WOTEK公司生產各種具有螺旋切削刃的鎢鋼銑刀，這種切削刃的廓形是圍繞一個圓柱面沿軸向均勻移動而形成的。這種近似於螺旋線的螺旋刃設計的優點之一是切削運動更平滑。與直線刃的切削方式不同，螺旋切削刃模擬了螺旋槽立銑刀的運動方式。切削刃是在「螺旋」運動中逐漸進入切削，而不是全部同時進入切削，從而可減輕顫振，獲得更好的加工表面光潔度。
此外，螺旋切削刃能承受更大的切削負荷，獲得更高的金屬去除率，同時還能減小應力。由於作用於鎢鋼銑刀的切削壓力和切削熱降低，因此螺旋切削刃的另一個優勢是可以延長鎢鋼銑刀壽命。
了解鎢鋼銑刀磨損的機理，並採用新技術與之抗衡，可以提高鎢鋼銑刀壽命和加工效率。在如今的市場上，企業不僅要在本地競爭，而且還要參與全球競爭，因此，充分利用自己的全部競爭優勢至關重要。