可轉(zhuǎn)位數(shù)控車(chē)刀片的失效分析

周 波，宋 斌，盧 威，邵偉芹

(張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造學(xué)院，湖南 張家界 427000)

隨著國(guó)家制造業(yè)朝高精度、高質(zhì)量、高智能、高效率方向發(fā)展，對(duì)數(shù)控加工刀具的要求也越來(lái)越高。但由于傳統(tǒng)一體式刀具及釬焊刀具存在使用壽命短、切削穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代高精度零件的機(jī)械加工要求。因此在傳統(tǒng)刀具的基礎(chǔ)上，研究了可轉(zhuǎn)位車(chē)削刀。相對(duì)傳統(tǒng)刀具，可轉(zhuǎn)位車(chē)削刀具有穩(wěn)定性好、可加工材料范圍廣、制造成本相對(duì)較低、換刀片時(shí)間短、無(wú)需重新對(duì)刀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航空、航天、武器裝備等高精尖領(lǐng)域的零件制造。然而，可轉(zhuǎn)位車(chē)刀片又是可轉(zhuǎn)位數(shù)控車(chē)削刀具的重要組成部分，其切削加工性能將直接影響著零件的加工效率和尺寸穩(wěn)定性。

在實(shí)際加工過(guò)程中，由于機(jī)床操作人員缺乏對(duì)可轉(zhuǎn)位刀片失效影響的認(rèn)識(shí)，并在過(guò)度追求機(jī)械生產(chǎn)效率的過(guò)程中往往忽視了切削參數(shù)、切削環(huán)境等對(duì)刀片使用壽命的影響，從而導(dǎo)致了刀片材料的大量浪費(fèi)。此外，許多學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)位刀片的失效進(jìn)行理論分析，主要是以特定材質(zhì)刀片針對(duì)某種被加工材料的切削失效進(jìn)行分析，這與企業(yè)實(shí)際加工過(guò)程(一刀多用)存在偏差，進(jìn)而導(dǎo)致一些理論研究成果在指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在著成果轉(zhuǎn)化困難。因此，本文綜述了可轉(zhuǎn)位數(shù)控車(chē)刀片的失效特征，總結(jié)分析了刀片的主要失效機(jī)理和影響因素。

1 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀片失效形態(tài)及機(jī)理

在實(shí)際車(chē)切削加工過(guò)程中，可轉(zhuǎn)位車(chē)刀片的磨損及破損狀態(tài)直接影響工件的加工質(zhì)量、尺寸精度以及幾何形狀。因此，在加工過(guò)程中必須經(jīng)常觀(guān)察可轉(zhuǎn)位刀片的磨損及破損形態(tài)并進(jìn)行分析，判斷刀片能否繼續(xù)使用。

1.1 失效形態(tài)

在數(shù)控車(chē)床切削加工過(guò)程中，由于切削力和切削熱的共同作用，刀片容易產(chǎn)生前刀面磨損、后刀面磨損、積削瘤、崩刃等失效形態(tài)，具體見(jiàn)圖1。

1.1.1前刀面磨損

前刀面磨損一般存在于刀片切削刃附近的前刀面上，呈月牙形凹坑。這種月牙形凹坑會(huì)導(dǎo)致刀片強(qiáng)度下降、排屑不暢，特別是在高速或者大進(jìn)給切削狀態(tài)下容易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展并引起刀片崩刃。都曉峰等[1]對(duì)前刀面磨損失效形式及原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)前刀面的主要失效特征為微崩刃、宏觀(guān)裂紋等。前刀面的失效可以歸因于切屑與前刀面的高速摩擦行為，以及摩擦熱的擴(kuò)散不暢等引起的摩擦失效。

1.1.2后刀面磨損

后刀面磨損主要存在于靠近主切削刃附近的后刀面區(qū)域，造成該區(qū)域磨損的原因?yàn)椋孩傧鄬?duì)刀片其他區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低；②與工件存在擠壓摩擦；③與冷介質(zhì)的接觸條件受限，從而導(dǎo)致其散熱性較差。在這三個(gè)主要因素的綜合作用下，刀片的切削力增大，當(dāng)切削力超過(guò)刀片的許用應(yīng)力時(shí)，后刀面區(qū)域可能會(huì)引發(fā)微崩刃破損。此外，在高切削速度、快進(jìn)給的精加工過(guò)程中，車(chē)刀片需要承受較高的切削熱和摩擦磨損，也容易引起后刀面區(qū)域涂層脫落或者微崩刃破損。

1.1.3積屑瘤

由于刀片的前刀面存在著較高的切削溫度和高擠壓應(yīng)力，使得切屑容易在此區(qū)域產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象。并隨著加工過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，積屑瘤會(huì)不斷長(zhǎng)大，導(dǎo)致排屑不暢、切削力增大等問(wèn)題出現(xiàn)，進(jìn)而大大降低工件的加工質(zhì)量，并且最終可能導(dǎo)致刀片崩刃[2]。

圖1 常見(jiàn)刀片磨損及破損形態(tài)Fig.1 Common insert wear and damage morphology

1.1.4崩刃

崩刃一般是指在切削加工過(guò)程中，刀片切削刃突然出現(xiàn)局部斷裂失效。而在實(shí)際加工過(guò)程中，一旦出現(xiàn)崩刃失效需要引起高度重視，因?yàn)檫@種失效將有可能導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床撞刀、被加工工件報(bào)廢等嚴(yán)重生產(chǎn)事故的發(fā)生。造成崩刃的兩個(gè)主要原因?yàn)椋孩俚镀牧习l(fā)生了化學(xué)氧化和化學(xué)擴(kuò)散，使刀片整體強(qiáng)度降低；②高溫高壓引起的熱裂紋擴(kuò)散。

1.2 失效機(jī)理

在車(chē)削加工過(guò)程中，刀片的前后刀面磨損、積削瘤、崩刃等失效特征往往是由粘結(jié)磨損、擴(kuò)散和化學(xué)磨損、疲勞磨損、熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力等磨損或破損機(jī)制導(dǎo)致形成的，但在不同的加工條件下，主要磨損和破損機(jī)制會(huì)有差異。

1.2.1粘結(jié)磨損

粘結(jié)磨損是刀片前表面的積削瘤在高速?zèng)_擊載荷的作用下發(fā)生脫落，從而導(dǎo)致刀片表面涂層材料也被積削瘤帶走，形成粘結(jié)磨損。

1.2.2擴(kuò)散和化學(xué)磨損

擴(kuò)散磨損是在高切削熱的作用下，刀片表面的涂層元素與切屑元素發(fā)生相互擴(kuò)散和置換作用，導(dǎo)致刀片綜合力學(xué)性能、耐磨性能等顯著降低的磨損機(jī)制。

化學(xué)磨損是在較高的切削溫度下，刀片表面的涂層材料與空氣中的氧氣、被加工工件表面的酸堿性物質(zhì)以及切削液中的一些化學(xué)元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一層低硬度薄膜。并且這層薄膜在切削過(guò)程容易被磨損，進(jìn)而導(dǎo)致刀片的強(qiáng)度逐步降低的化學(xué)侵蝕失效機(jī)制。

1.2.3熱應(yīng)力與沖擊載荷破壞

在切削過(guò)程中，刃口附近承受了較高的切削熱，導(dǎo)致刀片涂層與基體接合處容易產(chǎn)生熱裂紋，并在沖擊載荷的作用下裂紋向基體內(nèi)擴(kuò)展，從而可能導(dǎo)致表面涂層的脫落以及刀片基體的突然斷裂。

另外刀片表面涂層固有的微裂紋源(如：氣孔、雜質(zhì)等)在沖擊載荷的作用下，也會(huì)不斷擴(kuò)張導(dǎo)致刀片斷裂失效。

1.2.4疲勞磨損

在切削過(guò)程中，由于切削應(yīng)力和溫度容易出現(xiàn)不斷波動(dòng)，導(dǎo)致刀片涂層在交變載荷的作用下出現(xiàn)疲勞強(qiáng)度的下降。此外，涂層材料相對(duì)基體材料具有更高的硬度，因此需要承受更大的切削應(yīng)力，從而更容易引發(fā)疲勞失效。

2 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀片的失效影響因素

影響可轉(zhuǎn)位刀片的失效因素主要有切削加工參數(shù)、切削力、切削熱、刀片結(jié)構(gòu)和被加工工件材料等。

2.1 切削參數(shù)對(duì)可轉(zhuǎn)位車(chē)刀片的失效影響

2.1.1切削速度

切削速度是指數(shù)控車(chē)床主軸的實(shí)際加工轉(zhuǎn)速。在理論上，數(shù)控車(chē)床操作人員需要根據(jù)零件的技術(shù)要求、刀片的使用規(guī)范和零件的加工效率來(lái)合理設(shè)置切削速度。但是在一些實(shí)際加工過(guò)程中，為了追求高加工效率、較好表面光潔度，操作人員常常會(huì)選擇較高的切削速度進(jìn)行零件加工，然而這些不當(dāng)?shù)牟僮魍鲆暳饲邢魉俣葘?duì)刀片使用壽命的影響。

崔曉斌等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：刀片的切削溫度會(huì)隨著切削速度的增加而顯著升高，承受的機(jī)械載荷會(huì)明顯下降。因此切削溫度成為刀片失效的主要影響因素，高切削溫度導(dǎo)致刀片的綜合性能降低。并且在循環(huán)熱機(jī)械載荷的作用下，刀片容易發(fā)生復(fù)合損傷累積，使得刀片刀尖區(qū)域發(fā)生疲勞磨損、擴(kuò)散和化學(xué)磨損，最終有可能引發(fā)刀片斷裂失效。

2.1.2進(jìn)給量

進(jìn)給量是指主軸每轉(zhuǎn)一圈，刀片沿著工件軸向的位移量。進(jìn)給量的多少一般取決于被加工工件的材料性質(zhì)以及所選用刀片的強(qiáng)度。在切削三要素中，進(jìn)給量對(duì)刀片的失效影響最低。增大進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致刀片的切削力增大，但也能在一定程度上降低刀片的切削震動(dòng)。

據(jù)文獻(xiàn)[4-5]報(bào)道，車(chē)刀片的使用壽命會(huì)隨著切削進(jìn)給量的增加而降低。這一結(jié)論也可以由常用的刀片壽命方程得出：

(1)

式中：T為刀片使用壽命；v為切削速度；dw為切削深度；f為切削深度。

2.1.3切削深度

切削深度是指刀片沿工件的徑向移動(dòng)的距離。在實(shí)際加工過(guò)程中，粗加工一般選用較大的切削深度，這有利于快速去除工件表面的大余量并提高車(chē)削效率。但切削力也隨切削深度的增加成正比例增長(zhǎng)，當(dāng)切削力超過(guò)刀片允許的最大載荷時(shí)，刀片可能會(huì)發(fā)生破損失效。此外，根據(jù)袁勤等[6]研究發(fā)現(xiàn)：切削深度的增加會(huì)導(dǎo)致刀片表面的擴(kuò)散磨損和氧化磨損加重，并有可能引起刀片材料發(fā)生局部剝落。

2.2切削熱與切削力

在數(shù)控車(chē)床實(shí)際加工過(guò)程中，主要是通過(guò)切削力和切削熱來(lái)影響刀片的失效形態(tài)及使用壽命。例如：刀片切削速度過(guò)快將會(huì)導(dǎo)致刀片燒蝕和工件過(guò)熱。切削深度過(guò)大導(dǎo)致切削力顯著增大，可能引起工件強(qiáng)烈震動(dòng)等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致刀片破損、工件飛離工位。

2.2.1切削熱

在切削過(guò)程中，約80%的切削熱來(lái)源被加工工件塑性變形時(shí)產(chǎn)生的剪切熱(內(nèi)摩擦)，約18%來(lái)自刀片前刀面與切屑(外摩擦)產(chǎn)生的摩擦熱，約2%來(lái)自刀片后刀面與工件已加工表面(外摩擦)產(chǎn)生摩擦熱，如圖2所示。

圖2 切削熱的三個(gè)產(chǎn)生區(qū)Fig.2 Three generating areas of cutting heat

L.Tu等[7]研究結(jié)果表明：隨著切削速度的增加，刀片表面的溫度迅速升高，最高溫度出現(xiàn)在前刀面。這是由于切削速度較高，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)切屑底層的切削熱來(lái)不及向切屑內(nèi)部傳導(dǎo)，大量切削熱聚集在切屑與前刀面的接觸區(qū)域。切削熱容易引起刀片表面產(chǎn)生熱裂紋、刀片熱變形，涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度降低、摩擦系數(shù)增大等問(wèn)題出現(xiàn)[8]。

2.2.2切削力

切削力指是在切削過(guò)程中刀片受到切削阻力的總稱(chēng)，主要來(lái)源于被加工工件的彈、塑性變形產(chǎn)生的抗力、切屑與刀片前刀面產(chǎn)生的摩擦阻力、刀片后刀面與工件已加工表面的產(chǎn)生的摩擦阻力。在切削過(guò)程中，切削力過(guò)大容易引起切削刀片的變形、表面微裂紋的擴(kuò)張以及刀片突然過(guò)載斷裂失效。

2.3 刀片結(jié)構(gòu)

2.3.1涂層材料

自上世紀(jì)60年代開(kāi)始，為了改善高速鋼刀具的切削性能和使用壽命而研發(fā)了具有表面涂層的刀片并被廣泛使用。目前常用的刀片涂層材料有：氮化鈦、氮化鉻、氮鋁鈦、金剛石等。閆建峰等[9]研究ZrN系列涂層對(duì)刀具的磨損和破損機(jī)理的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：在同等切削條件下，涂層能有效減小刀具的切削應(yīng)力、切削熱，并且對(duì)切削熱還具有一定的熱屏障作用。涂層改善刀片的使用性能及延長(zhǎng)其使用壽命的主要機(jī)理如下[10]：

1)屏障作用。刀片涂層材料一般具有較高的硬度、較小的導(dǎo)熱系數(shù)、較好的耐熱性好和化學(xué)穩(wěn)定等特點(diǎn)。一方面，可在刀片的前刀面和后刀面起到隔熱、化學(xué)屏障作用，減少切削熱、環(huán)境介質(zhì)向基體內(nèi)部傳輸；另一方面，涂層具有應(yīng)力屏障作用能有效減小刀片與工件或者切屑的磨損。

2)堤岸作用。當(dāng)涂層出現(xiàn)局部磨損時(shí)，磨損區(qū)域周邊的涂層具有堤防作用，能限制裸露的基體材料被進(jìn)一步剝離，進(jìn)而限制磨損區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.3.2結(jié)構(gòu)材料

刀片材料通常被分為五大類(lèi)：高速鋼、硬質(zhì)合金、金剛石、立方氮化硼和陶瓷。

1)高速鋼刀片。高速鋼刀具在切削硬度較低的材料時(shí)，主要的失效特征為刀尖磨損、積削瘤等；在切削硬度相對(duì)較高的材料時(shí)，主要的失效特征為刀尖燒蝕磨損、后刀面溝槽磨損。

2)硬質(zhì)合金刀片。硬質(zhì)合金刀片在高速切削時(shí)的主要失效特征為刀尖區(qū)域磨損、崩刃、溝槽磨損等。

3)金剛石刀片。由于金剛石刀片一般采用的是多晶金剛石材料，因此在高速切削難加工材料過(guò)程中，會(huì)引起晶間裂紋并導(dǎo)致微崩刃和粘結(jié)磨損等失效特征產(chǎn)生。

4)立方氮化硼刀片(CBN)。相對(duì)于金剛石具有更高的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，一般用于車(chē)削加工淬火鋼、高溫合金等難加工材料。但在切削加工過(guò)程中，主要存在的問(wèn)題是切削溫度過(guò)高、散熱性較差。CBN刀片的主要失效特征為相變磨損、氧化磨損、粘結(jié)磨損和磨粒磨損等引起的表面失效、氮化硼顆粒脫落失效。

5)陶瓷刀片。陶瓷刀片與常見(jiàn)的刀片(硬質(zhì)合金刀片)相比，具有更高的耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性等。宋新玉等[11]研究發(fā)現(xiàn)：在加工鎳基合金時(shí)，陶瓷刀片的主要失效特征是以粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損為主要磨損機(jī)制引起的表層剝落破壞，高切削溫度引起的刀片塑性變形。

2.3.3幾何形狀

刀片的幾何形狀是影響其切削加工、使用壽命的重要影響因素之一。刀片前角越小，刀尖的強(qiáng)度越高，散熱性相對(duì)較好，更適合粗車(chē)削加工。相反，前角越大，刀片的切削力越小，切削溫度越低，因此適用于導(dǎo)熱性較差、材料硬度較低的工件精加工。刀片后角越大，后刀面與工件已加工表面的摩擦力越小，可以有效地減小刀片后刀面磨損，但是后角過(guò)大將影響刀片的整體強(qiáng)度。刀片主偏角越小，可以有效減小沖擊載荷對(duì)刀尖的損壞；但主偏角過(guò)小，刀片的背向分力增大，在高轉(zhuǎn)速過(guò)程中容易震動(dòng)過(guò)大而導(dǎo)致刀尖失效。增大刀尖的圓弧半徑，能有效增加刀尖的強(qiáng)度并能有效降低刀片的切削溫度，從而提高刀片使用壽命，因此，粗切削去除大余量的情況下，可以在選擇刀尖圓弧半徑相對(duì)較大的刀片進(jìn)行切削加工。

2.4 被加工材料

在數(shù)控車(chē)削過(guò)程中，工件材料的性能不同對(duì)刀片的失效影響大不相同。例如：工件材料的硬度越高，刀片所需要承受的切削力、切削溫度也越高，刀片的使用壽命也越短。此外，材料的導(dǎo)熱性、強(qiáng)度等對(duì)刀片的失效影響也較大。因此，就常見(jiàn)的機(jī)械加工材料，特別是難加工材料的加工刀具進(jìn)行失效特征分析。

2.4.1鋁、鎂、銅合金

鋁、鎂、銅等有色金屬合金材料的機(jī)械加工性能相對(duì)較好，一般采用硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行切削加工。刀片的主要失效形式有積削瘤、表面涂層剝落等。此外，在這些合金材料中也有硬度相對(duì)較高的合金材料，如：紫銅材料在加工過(guò)程中容易引起刀片刀尖微崩刃、后刀面出現(xiàn)溝槽磨損。

2.4.2鑄鐵

鑄鐵屬于脆性材料，導(dǎo)熱性差，并且工件表面常存在一些鑄造缺陷致使其切削加工性能相對(duì)較差。因此在加工過(guò)程中，一般選用硬質(zhì)合金刀片或者金屬陶瓷刀片進(jìn)行車(chē)削加工。在切削鑄鐵材料過(guò)程中，刀片的主要失效形式是崩刃、刃口及后刀面出現(xiàn)月牙形溝槽。

2.4.3高溫合金

高溫合金材料具有硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)小、切削力大、切削溫度高、排屑困難和加工硬化嚴(yán)重等特點(diǎn)，被認(rèn)為是典型的難切削材料。硬質(zhì)合金刀片切削高溫合金材料的主要失效形式為刀片局部破損、刀尖燒蝕和前刀面涂層失效。陶瓷刀片切削加工高溫合金材料也容易出現(xiàn)刀片局部破損、溝槽磨損和積削瘤等失效特征。

2.4.4鈦合金

鈦合金材料被稱(chēng)為難加工材料主要是由于其具有導(dǎo)熱系數(shù)極小、化學(xué)性質(zhì)活潑、摩擦系數(shù)大、切削溫度高、彈性模量小以及切削應(yīng)力集中等難加工特性。在實(shí)際機(jī)械加工過(guò)程中，一般會(huì)選用硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行鈦合金材料加工。在切削加工鈦合金材料過(guò)程中，硬質(zhì)合金刀片的主要失效形式有微崩刃、刃口磨損、前后刀面月洼形破損等。

2.4.5高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼具有抗拉強(qiáng)度大、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)。在切削加工高強(qiáng)度鋼的過(guò)程中，刀片往往存在較大的切削力和較高的切削溫度。因此，常選用陶瓷刀片、硬質(zhì)合金刀片、立方氮化硼刀片進(jìn)行加工[12]。刀片的主要失效形式為擴(kuò)散磨損、磨粒磨損、粘結(jié)磨損導(dǎo)致的刀面磨損坑和刀尖熱磨損[13]。

3 延長(zhǎng)可轉(zhuǎn)位車(chē)刀片使用壽命的對(duì)策

3.1 合理選擇刀片

刀片的耐磨性、耐熱性、綜合力學(xué)性能直接影響著刀片的使用壽命，為了防止刀片在使用過(guò)程中過(guò)早的出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，在實(shí)際加工過(guò)程中應(yīng)該合理選擇刀片進(jìn)行不同材料的加工。通過(guò)前面的分析可知，不同材質(zhì)的刀片在加工不同材質(zhì)的工件時(shí)具有不同優(yōu)勢(shì)。例如：①涂層硬質(zhì)合金刀片，綜合性能較好，價(jià)格相對(duì)其他刀片便宜，因此適用于加工材質(zhì)較軟、導(dǎo)熱性較好、強(qiáng)度適中的鋼件或者鋁件；②金剛石刀片，由于具有較高耐熱和耐磨性等特點(diǎn)，適用于加工一些硬度較高的有色金屬材料、復(fù)合材料等；③陶瓷刀片，具有較好的綜合加工性能，相對(duì)金剛石刀片有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此常用于高錳鋼、高溫合金、粉末冶金燒結(jié)件等難加工材料的切削加工。此外，針對(duì)不同被加工材料、加工條件(粗車(chē)、精車(chē))、零件的經(jīng)濟(jì)加工條件等因素合理選擇刀片的幾何參數(shù)能有效減小刀片的不合理失效。

3.2 合理設(shè)置加工參數(shù)

切削參數(shù)的設(shè)置主要是通過(guò)控制切削力與切削熱來(lái)影響刀片的磨損和使用壽命。因此在實(shí)際加工過(guò)程中，應(yīng)合理選擇冷卻介質(zhì)對(duì)加工刀片進(jìn)行冷卻，保證刀片不會(huì)因溫度過(guò)高而導(dǎo)致刀尖燒蝕磨損而提前失效。此外，需要根據(jù)刀片的材質(zhì)合理設(shè)置刀片的切削加工參數(shù)，避免出現(xiàn)因刀片切削力過(guò)大而導(dǎo)致刀片出現(xiàn)斷裂失效和微崩刃失效。