1引言

　　從20世紀80年代開始，由于數控機床的主軸、進給系統等功能部件設計制造技術的突破，數控機床的主軸轉速和進給速度均大幅度提高，在現代制造技術全面進步的推動下，切削加工技術開始進入高速切削的新階段。目前，高速切削已在模具、航空、汽車等制造業領域得到了大量應用，產生了顯著的經濟效益，并正向其它應用領域拓展。

　　高速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械http://www.stonebuy.com/machine/摩擦、粘結、化學磨損、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、化學穩定性、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，當其韌性得到改善后，非常適合用于高速切削。先進涂層技術的發展進一步改善了刀具材料的性能。目前，新型涂層材料和涂層工藝的開發方興未艾，預示著涂層刀具在高速切削領域將有巨大發展潛力和廣闊應用前景。

　　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理進行了綜合評述，對刀具的磨損形態和磨損壽命進行了分析，這些研究將有益于實際生產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

　　高速切削時，刀具的主要磨損形態為后刀面磨損、微崩刃、邊界磨損、片狀剝落、前刀面月牙洼磨損、塑性變形等。

　　后刀面磨損是高速切削刀具最經常發生的磨損形式，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生的微小缺口，常發生在斷續高速切削時，通過選用韌性好的刀具材料、減小進給量、改變刀具主偏角以增加穩定性等措施，均可減小微崩刃的發生概率。通常只要將刀具微崩刃的大小控制在磨損限度以內，刀具仍可繼續切削。

　　邊界磨損發生在刀具后刀面的刀—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Inconel 718)時刀具容易發生邊界磨損，其原因是工件表面的加工硬化使刀—工接觸邊界的工件材料硬度最高。加工外圓時，刀—工接觸邊界的切削速度最高，因此也容易形成邊界磨損。此外，用陶瓷刀具高速切削鑄鐵時也容易發生邊界磨損。

　　片狀剝落多發生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀—屑或刀—工接觸區的接觸疲勞或熱應力疲勞所致。當剝落很小時，被認為是磨損；但在很多情況下，由于疲勞裂紋源距刀具表面具有一定深度，裂紋擴展后所形成的剝落塊往往大于刀具的磨損限度，一旦發生剝落，即可使刀具失效，形成剝落破損。陶瓷刀具端銑鋼和鑄鐵時，前刀面上經常出現貝殼狀剝落；涂層刀具因涂層材料與基體材料粘結強度不夠也易發生剝落。

　　前刀面月牙洼磨損最常出現在塑性金屬的高速切削加工中。塑性變形多發生在切削溫度較高而刀具紅硬性較差的切削條件下，超硬刀具材料在切削速度很高時也可能發生塑性變形現象。
 
 
 
　(4)金屬陶瓷刀具

　　金屬陶瓷(即TiC(N)基硬質合金)的主要成分為TiC(碳化鈦)、TiN(氮化鈦)和TiCN(碳氮化鈦)等。TiC(N)基硬質合金包括具有高耐磨性的TiC+Ni(或Mo)合金、具有高韌性的TiC+WC+TaC+Co合金、以TiN為主體的強韌合金和TiCN+NbC高強韌合金等。與WC硬質合金相比，金屬陶瓷的硬度、強度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能等均有顯著改善，尤其是高溫強度、高溫硬度、導熱性、抗氧化性和抗熱震性能得到提高，與鋼的親和力小，摩擦系數小，抗月牙洼磨損和抗粘結能力強，現已發展成為獨立系列的一類刀具材料。近年來開發的高氮含量、具有均勻微細硬質組織的TiC(N)基硬質合金具有良好的抗磨損性能和抗崩刃性，適于在200～400m/min的高速下切削普通鋼和合金鋼，也可用于鑄鐵的精加工。由于TiC的抗粘結、抗擴散性能較好，所以耐磨性好，但抗塑性變形能力較差，在對高硬材料進行高速切削時常因刀刃的塑性變形而導致刀刃損壞。

　　(5)涂層刀具

　　涂層刀具具有很強的抗氧化性能和抗粘結性能，因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。涂層的摩擦系數較低，能有效降低切削時的切削力及切削溫度，因而可大大提高刀具耐用度。TiC涂層的硬度高、耐磨性好，適用于可能產生劇烈磨損的刀具；TiN涂層與被切削金屬的親和力小、潤濕性好、抗氧化性強，適用于容易發生粘結磨損的刀具；Al2O3涂層在高溫下具有良好的熱穩定性，適用于高速切削時產生大量切削熱的刀具。目前應用較廣泛的主要是在硬質合金和高速鋼刀體上涂覆不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化鋁(Al2O3)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAl-CN)等涂層具有優異的高溫性能。WC基、TiC(N)基硬質合金和陶瓷等材料都可作為涂層刀具的基體。

　　涂層技術發展很快，目前已從單涂層發展為多涂層。應用較廣泛的涂層工藝有化學氣相沉積法(CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)。PVD法主要用于高速鋼刀具涂層；CVD法和PVD法均可用于硬質合金刀具涂層。PVD法涂層的硬質合金刀具有較好的抗破損性能，適于斷續切削，但耐磨性不如CVD法涂層的硬質合金刀具。目前適用于高速切削的硬質合金涂層刀具的涂層物質主要有采用CVD法的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN、TiN+Al2O3、TiCN等和采用PVD法的TiAlN/TiN復合涂層、TiAlN等。選用不同涂層物質的硬質合金涂層刀具可以200～400m/min的切削速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、合金鑄鐵等。近年來開發的氮化碳(CNx)和其它氮化物(TiN/NbN、TiN/VN等)涂層在高溫下具有良好的熱穩定性，適合于高速切削。

　　日本近年開發的納米TiN/AlN復合涂層銑刀片的涂層層數達2000層，每層厚度為2.5nm，可在高速下進行切削。涂層刀具用于高速切削時，由于切削溫度較高，可使涂層與基體的結合強度削弱，容易產生剝落、崩碎等損傷。

　　4高速切削刀具的磨損壽命

　　高速切削時，應根據加工方法和加工要求確定合理的刀具磨損壽命(極限)。影響高速切削刀具磨損壽命的因素較多，如工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何形狀、切削用量、冷卻液、振動等對刀具磨損壽命都有顯著影響，其影響規律與具體切削條件有關，應通過切削試驗來確定各相關因素對刀具磨損壽命的影響效應。下面給出幾個高速切削加工實例及相應的刀具磨損壽命。