摘要：作为具有广泛应用前景的加工工艺，硬态切削以其加工柔性、经济性和环保性等优点，在汽车、模具等行业被广泛应用。该工艺成功实施的关键因素是刀具的合理选择及其性能的发挥。该技术近年来发展迅速，诸多人员和机构对硬态切削工艺所用的刀具进行了深入的研究，有效地推动了该工艺的应用。本文综述了近年来针对硬态切削工艺用刀具的刃型结构、材料选择、刀具涂层等方面的研究成果，并分析了目前被广泛采用的典型刀具型号及其性能，从而为硬态切削工艺用刀具的选用及设计提供指导作用。

关键词：硬态切削 / 刀具材料 / 刀具刃型 / 刀具涂层

金属切削行业的发展趋势是不断提高切削性能和降低成本。这些趋势也受到刀具开发进程的影响。硬态切削是指切削硬度大于50HRC的工件材料的切削技术。对于高硬度钢材, 传统的加工方法主要是在退火的条件下对工件进行粗加工, 再经过热处理, 最后通过磨削完成工件加工。而硬态切削技术不同于传统的加工方法, 它比传统的加工步骤更少, 通过消除第二热处理节约加工时间, 硬态加工工艺提供了更高的灵活性, 增加了材料的去除率, 甚至可以实现干式加工[1]。切削刀具的材料开发是金属切削中最关键的元素之一, 开发的材料应具有耐磨性, 坚韧性和化学稳定性。诸如立方氮化硼(CBN)这种超硬材料使得硬态切削技术成为了磨削工艺的替代品。在硬态切削工艺中, 具有几何定义切削刃型的研究在提高表面完整性、灵活性, 降低成本和更环保等方面显示出显著的优势。目前制造行业中, 涂层的应用已被证明是提高切削性能和降低成本的有效手段, 它在许多加工应用中成为了提高刀具耐磨性和降低的刀具成本的主要手段之一。

本文总结了近几年硬态切削用刀具的刀具材料、刀具刃型以及刀具涂层3个方面的研究报导, 指出了研究难点, 最后对硬态切削用刀具的发展趋势进行了展望。

1. 硬态切削工艺特性

针对淬硬钢、轴承钢等高硬钢材的加工, 硬态切削方式相比于传统切削具有以下优势:

1) 高效性:与磨削相比, 硬态切削材料去除率较高, 据统计使用聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic boron nitride, PCBN)刀具进行铁系金属硬态高速干式切削的效率为磨削加工效率的3~5倍, 成本为磨削加工的1/4左右, 能耗为磨削加工的1/5~1/10[2]。如果配以合适的加工工艺, 通过硬态切削可以获得微米级的精度以及与磨削相似的表面光洁度。在保证高效性的前提下, 国内外很多学者在延长刀具寿命这一领域针对硬质合金、陶瓷、PCBN等材料进行了颇多的研究, 通过对材料成分、晶粒尺寸、前刀面纹理、涂层、刃型等方面的设计来减小刀具磨损速率以提高刀具寿命。但部分刀具刃型的设计[3]增加了其使用成本, 并不能直接为制造产业提供有效的指导, 但也提供了不错的研究思路与方向。

2) 环保性:进行硬态切削时, 大多数情况下可以不使用切削液, 避免了切削液对刀具寿命和表面质量的影响, 对环境污染小, 是一种干净清洁的技术, 同时也简化了生产系统, 降低了生产成本。比如近几年针对陶瓷刀具采取的自润滑与微观纹理相结合的设计[4-8], 大幅度的降低了加工时的切削力与切削温度, 减小了磨损速率, 提高了陶瓷刀具的使用寿命。

3) 灵活性:与传统切削工艺相比, 硬态切削工艺有更大的灵活性, 降低了几何形状复杂零件的加工难度。应用硬态切削加工复杂零件, 可使制造成本下降30%。

4) 可提高工件寿命:硬切工艺与磨削工艺相比, 会产生更深的表面残余压应力, 对提高工件的接触疲劳寿命是有利的。

所以, 在淬硬钢等高硬度材料的特定加工场合下, 以硬态切削代替传统加工的方式是最佳选择。但目前硬态切削加工技术并没有被我国企业广泛采用, 其主要原因是在硬态切削中存在一些不稳定因素, 制约了硬态切削的应用与发展, 包括以下5点:

1) 硬态切削机理揭示不足:目前对硬态切削机理的研究较少, 且不够深入, 指导实际生产的作用不强, 生产企业不能完全掌握硬态切削技术。

2) 刀具问题:在硬态切削过程中, 切削力大(尤其车削过程中, 径向切削力大于主切削力), 相比于传统切削, 切削力增大30%~100%, 切削功率增大了150%~200%。因此为了提高硬态切削刀具的刀刃强度, 刀刃一般做倒棱和钝圆处理, 加上加工过程中的高转速以及刀具涂层的破坏, 使切削温度可达900 ℃以上。这就要求刀具必须有足够的硬度, 耐热性和耐磨性。而研究中出现的高强度、耐高温、耐磨的刀具普遍制作工艺较为复杂, 难以实现量产。

3) 机床问题:以车削为例, 在硬态切削时, 产生较大的径向力, 因此机床必须有足够的刚度。为了充分发挥硬态切削刀具的切削性能, 机床还需提供足够的转速。

4) 表面质量问题:硬态车削完成后, 在工件表面的金相检验中检测到了白层(白层是伴随着干硬切削过程而形成的存在于工件表层和亚表层的一种特殊组织形态, 在光学显微镜下呈白亮色, 故称为“白层”[9]), 影响了工件的使用性能。在白层表面有较高的接触应力, 会影响零件的疲劳寿命。

5) 加工误差问题:硬态车削工艺相比于普通切削工艺, 出现了圆柱度误差。这是由于硬态车削过程中径向力较大, 卡盘夹紧力较高, 且刀具-工件单点接触, 使机床卡盘产生变形效应。

在影响硬态切削工艺应用的诸多因素中, 刀具问题是制约硬态切削技术推广的主要因素之一。随着硬态切削刀具性能的提升, 切削力问题、表面质量问题以及加工误差问题也会随之改善, 所以, 刀具技术的进步是推进硬态切削技术发展的重要动力。

2. 硬态切削刀具性能要求

硬态切削技术切削的工件主要为高硬度工件, 切削过程中, 切削力大, 切削过程一般不使用冷却液, 其温度可达900 ℃, 刀具易磨损, 这就要求硬态切削刀具具有强度高、耐高温、化学性质稳定、导热性好、耐磨性好等特点。图 1展示了硬态切削工艺对切削刀具提出的要求。一般情况下, 刀具的材料以及刀具的刃口参数是影响刀具性能的两个最重要的因素。新型超硬材料的发展与应用, 可以极大提高刀具的切削性能, 而刀具几何形状的优化, 则可以充分发挥刀具材料的性能。

图 1  硬态切削刀具特性

目前适用于硬态切削的刀具主要有3种:新型带涂层的硬质合金刀具、陶瓷刀具以及PCBN刀具。

硬质合金刀具相比于其他两种材料, 经济性更好, 抗弯强度和抗冲击能力都优于陶瓷和立方氮化硼, 但硬质合金红硬性太低, 极大的限制了切削速度和进给率, 尤其加工大型钢件时, 往往加工不到头就需要换刀, 其主要应用于加工硬度在40~50 HRC之间的材料。

陶瓷刀具具有经济性好, 化学性质稳定的特点。但陶瓷刀具的耐磨性不如立方氮化硼, 不适合断续切削, 且加工过程中不能使用冷却液。陶瓷刀具的刃口一般要经过钝圆处理, 否则刃口一旦断裂, 可能会导致刀具和工件的报废。陶瓷刀具一般用来加工硬度50 HRC以下的工件。

立方氮化硼是进行硬态切削的理想材料, 具有高硬度和高耐磨性, 化学性质稳定, 导热性好, 耐热度可以达到1 400~1 500 ℃。立方氮化硼刀具一般适合于加工硬度大于50 HRC的材料。

3. 硬态切削刀具材料及涂层研究进展

硬态切削刀具的前景十分广阔, 随着我国工业化进程的推进, 对加工产品的品质有更高的要求, 高档数控机床及加工中心使用, 也对刀具的性能提出了新的考验。许多高校及科研机构投入了相当的精力, 对硬态切削刀具进行了开发。

刀具材料是改进刀具性能的重要途径, 而优化刀具的几何形状则是为了最大限度的发挥新材料的威力。国际生产工程科学院公布的一项研究报告指出:“由于刀具材料的改进, 刀具的切削速度每十年约提高一倍; 刀具几何参数的优化, 使刀具的使用寿命每十年提高约两倍。”[10]

3.1   新型硬质合金刀具材料研究进展

硬质合金具有高强度、高硬度、高耐磨性的特点, 但在硬态切削过程中, 工件硬度极高, 普通的硬质合金刀具虽然有强韧性, 但是不耐高温和腐蚀, 往往难以满足硬态切削的要求, 所以满足高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀的新型硬质合金材料是人们需要的。目前国内外研究者已经研制了多种新型硬质合金, 实现了高韧性、高强度和高耐磨性的协调统一, 主要包括以下几种:

1) 三元复合膨化物新型硬质合金[11]:一种兼顾高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀性的新型硬质合金, 主要包括3个种类:Mo-Fe-B系列、Mo-Ni-B系列、Mo-Co-B系列。Mo-Fe-B系列耐磨性和耐高温性突出, Mo-Ni-B系列抗氧化性、抗腐蚀性较好, Mo-Co-B系列具有优秀的耐腐蚀性、耐高温性和耐热冲击性。三元复合膨化物新型硬质合金主要应于在轧辊钢, 模具钢的切削。

2) 超细及纳米级晶粒硬质合金[12]:通过降低WC的晶粒尺寸来增加材料的耐磨性, 将WC晶粒的晶粒度减小到超细晶粒以下(0.2~0.5 μm), 硬质合金的强度和硬度均会随着WC晶粒的细化而显著提高。

3) 粗晶粒硬质合金(WC粒度大于3.5 μm)[13]:广泛应用于有冲击性的切削场合, 主要特点是韧性好、强度高、红硬性好, 可以通过调节WC晶粒尺度获得韧性和强度相匹配的硬质合金。

4) 板状晶粒增强硬质合金[14]:在硬质合金内部形成一定厚径比的板状WC晶粒, 板状WC晶粒有各向异性, 在硬质合金内部定向分布, 使得硬质合金的性能比传统硬质合金更强。板状晶粒硬质合金硬度高、耐磨性好, 韧性较高, 且抗高温, 抗热裂纹能力好, 热变形、蠕变变形均较小。

5) 双相或混合结构硬质合金[13]:这种合金是在金属基质上嵌入硬质合金颗粒, 属于复合材料, 其结构图如图 2所示。

图 2  普通硬质合金(a)与双相硬质合金(b)对比

开发该硬质合金的目的主要是防止刀具在切削高硬材料时突然断裂, 意于在保持刀具硬度、耐磨性的前提下, 提高刀具的韧性。

6) 功能梯度结构硬质合金[15]:对硬质合金硬质相晶粒度, 硬质相成分和粘结相进行设计, 使其梯度分布, 从而赋予不同的位置不同的性能, 使得硬质合金高硬度、高耐磨性和高韧性的优点得以结合。

7) 无钴型超级硬质合金[16]:用合金材料代替钴材料作为结合剂。美国SRL Nano公司开发了一种新型硬质合金材料, 该材料结合剂的熔点接近硬质合金的熔点, 其硬度超过2 000 HV, 是钴结合剂硬质合金的3倍, 当这种超级硬质合金与钴结合剂硬质合金具有相同的硬度时, 其强韧性更好, 适合于加工淬硬钢、淬硬高温合金等材料。

8) WC-5TiC-10Co超细硬质合金[17]:具有较高的硬度(93.0 HRA)和横向断裂强度(2 392 MPa), 并且在相同切削条件下具有比传统刀片更好的切削性能。对于低于700~800 ℃的切削温度, WC-5TiC-10Co超细刀片的高硬度和更明显的红硬性, 耐热磨损性和切削刃稳定性使得使用寿命更长。Xiong等[17]的研究发现, 随着切削速度的增加, 主要磨损机制由前刀面的粘结磨损和磨料磨损转变为后刀面的粘结磨损。

Vereschaka等[18]开发了具有纳米分散涂层的硬质合金刀具以提高难加工材料的切削性能, 该硬质合金刀具具有耐热结合Co-Re的碳化物, 以及纳米分散多层复合涂层, 显着增加碳化物对热塑性变形的抵抗力, 并同时降低了对工件的热机械冲击, 相比于未涂层刀具, 寿命提高至3~4倍。

Lia等[19]对WC-Co硬质合金的三点弯曲疲劳特性进行了研究, 研究结果表明WC-Co硬质合金在机械疲劳载荷条件下的性能与横向断裂强度和断裂韧性的组合效应有关, 低Co含量碳化物的疲劳行为以横向断裂强度为主, 高Co含量碳化物的疲劳行为以断裂韧性为主。微观机理研究表明大晶粒WC-Co硬质合金烧结碳化物的疲劳断裂以WC晶粒的断裂和剥离为主, 而小晶粒碳化物WC相和Co相均导致疲劳断裂的原因。

nl-AlTiN/TiN涂层刀具[20]对基底材料具更好的粘附性和耐磨性并因此具有最长的寿命, 与nc-TiAlSiN/TiSiN/TiAlN涂层刀具、商业TiN/TiAlN涂层刀具和未涂层刀具相比刀具寿命分别至少提高25%、77%和2 300%。

Chang等[21]针对TiAlN涂层, CrAlSiN涂层和TiAlSiN涂层硬质合金刀具在Ti-6Al-4V合金干切削加工中的磨损性能和切削性能进行了研究, 研究表明CrAlSiN涂层在Ti-6Al-4V合金的干切削加工中表现出高耐磨性, 具有最佳的切削性能。在350 m/min的切削速度下, CrAlSiN涂层的刀具寿命分别超过TiAlSiN涂层、TiAlN涂层和未涂层刀具2.9、4.2和9.5倍。

Xu等[22]提出了一种高Co含量的WC-Co刀具的预处理方法, 将强碳化物形成的金属夹层与化学腐蚀相结合, 提高金刚石涂层的附着力。强碳化物形成的金属夹层在金刚石膜生长过程中, 于基体高温下形成相关碳化物, 增强金刚石成核, 抑制Co扩散, 从而降低石墨的催化形成, 与单纯使用化学蚀刻或PVD夹层相比, 该方法明显提高了金刚石涂层对基体的附着力。

以上几种新型硬质合金材料都满足了高硬度、高耐磨性、高韧性以及耐高温能力的协调统一, 适合作为硬态切削刀具材料, 但大多数产品在实际生产中还存在生产成本高的问题。目前硬质合金相关原料成本显著增加, 应找到合适的可再生材料, 促进硬质合金的回收利用, 并能保证最终产品的性能不会改变, 推进硬质合金产品向资源节约型方式的发展。

3.2   陶瓷刀具材料及涂层技术研究进展

陶瓷刀具由于其高硬度, 出色的耐磨性和耐热性, 使之成为硬态切削中的常用刀具。与硬质合金相比, 陶瓷刀具的切削速度要高很多, 且刀具寿命较长, 可以大幅度提高加工的效率。由于陶瓷刀具脆性较大, 为了提升陶瓷刀具的刃口强度, 必须采用负倒棱, 一般选用T型或双T型棱面, 且陶瓷刀具在切削过程中不能使用液体切削液, 所以陶瓷刀具材料一般向增韧和自润滑方向发展。目前新型陶瓷刀具材料主要有:

1) 多尺度表面织构陶瓷刀具[4]:在陶瓷刀具负倒棱处加工出纳米织构, 用来改变刀具-切屑粘接区接触摩擦状态; 在刀具前刀面加工出微纳米复合多尺度表面织构, 从而减少前刀面的粘接以及磨粒对前刀面的破坏, 在加工出的微纳米织构中加入固体润滑剂, 进一步减小切削时刀具-切屑之间的摩擦。

2) 混合氧化铝陶瓷刀具[5]:在硬切削D2工具钢时磨损速率小于同种加工条件下的PCBN刀具以及TiN涂层PCBN刀具, 因其在加工过程中与工件材料接触面上形成了Cr-O摩擦膜, 改善了刀屑接触面上的润滑性, 有效降低了刀屑接触面的摩擦系数和刀具磨损速率。在100 m/min的转速下, 混合氧化铝陶瓷刀具磨损带宽达到0.2 mm的时间要比无涂层PCBN高20%~34%, 比TiN涂层PCBN高100%~300%。

3) 核-壳包覆自润滑陶瓷刀具[6]:采用包覆法以核-壳的方式引入固体润滑剂, 然后将其添加到陶瓷刀具材料中, 解决了常规陶瓷刀具材料添加固体润滑剂造成刀具材料力学性能显著降低的问题。该刀具表现出了良好的力学性能, 摩擦系数显著降低, 耐磨性提升, 零件加工质量得到改善。

4) AT-W纹理自润滑Al2O3/TiC陶瓷刀具[7]:与常规刀具相比, 各方向切削力(轴向力Fx、径向力Fy、主切削力Fz)的最小值分别减少20%~25%、30%~35%、15%~20%, 切削温度降低了15%~20%。Xing等[7]在Al2O3/TiC陶瓷刀具表面制备波形微尺度凹槽并将二硫化钼(MoS2)固体润滑剂抛光到纹理中, 在加工过程中MoS2固体润滑剂可以通过切屑的热处理反应而在刀屑接触面上形成润滑膜, 并且波形微尺度凹槽可使润滑剂更易于在凹槽中存储与释放, 有效的降低了切削力、切削温度以及刀屑接触面的摩擦系数, 并显著减少刀具磨损。

5) WS2/Zr复合软涂层沉积的纳米织构Al2O3/TiC陶瓷刀具[8]:相比于无纳米级的WS2/Zr涂层刀具, 在降低切削力, 切削温度, 摩擦系数和刀具磨损方面更有效。由于纳米纹理增加了纹理表面的粗糙度, 导致刀具表面具有薄WS2/Zr复合膜的松散涂层。带有一些间隙的松散涂层进一步降低了刀屑接触长度, 从而导致摩擦力、摩擦系数、切削力和切削温度的减小更大。切削温度相比于常规陶瓷刀具减少了12%~18%。

6) 仿生陶瓷刀具[23]:在陶瓷刀具材料的基体中添加有韧性、质地柔软的材料层, 进行交替叠层设计, 既能保持陶瓷刀具材料硬度高, 耐热性好, 化学性质稳定的特点, 同时让陶瓷刀具同时拥有了较高韧性, 高耐磨性的特点。仿生陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧性明显高于表层单体陶瓷材料。针对淬硬钢材料进行切削时发现, 无论是高速还是低速切削, 仿生陶瓷刀具的切削性能均优于表层单体陶瓷刀具, 表层单体陶瓷刀具切削温度更高, 粘结磨损更严重, 热应力的缓解能力不如仿生陶瓷刀具。

7) Al2O3/TiC微纳米复合陶瓷刀具[24]:比仅由微纳米级TiC颗粒增强的氧化铝基陶瓷刀具表现出更好的耐磨性, 该刀具的破化模式为切削刃断裂和刀具材料剥落, 该破坏模式主要是由刀具中缓慢的裂纹扩展造成的, 因此Al2O3/TiC微纳米复合陶瓷刀具的寿命主要由刀具中存在的疲劳裂纹的延伸率控制。

Song等[25]研究了TiC含量和Co对三元TiB2-WC-TiC陶瓷复合材料的力学性能影响, 随着TiC含量的增加, 诸如孔隙和微裂纹的缺陷结构减少, 而材料的相对密度, 显微硬度, 纤维强度和断裂韧性增加。研究最终表明三元TiB2-WC-30wt.%TiC-(Mo, Ni)陶瓷复合材料具有致密微观结构和力学性能的最佳组合, 其相对密度为(99.3±0.3)%, 显微硬度为24.8±0.3 GPa, 断裂韧性为946.9±24.9 MPa。

Ti-Al-N/Al-Cr-O涂层氮化硅切削刀片[26]:具有柱状结构的TiAlN基底和平滑的Al-Cr-N表层, Ti-Al-N和Al-Cr-O层的厚度分别为约2.0 mm和0.6 mm, Ti-Al-N/Al-Cr-O涂覆的氮化硅切削刀片的硬度和粘附力分别为2 894±35 HV和26.3 N, 在铸铁和钢的车削过程中比无涂层的刀片表现更好, 并且能够降低加工成本。与无涂层的氮化硅切削刀片相比, 涂覆的氮化硅刀片的寿命的改善主要归因于涂层更高的硬度。

Ti0.5Al0.5N和Cr0.3Al0.7N涂层氮化硅切削刀片[27]相比于未涂层刀片寿命提高至少两倍, 因其相对更高的硬度, 表现出了很好的切削性能。Ti0.5Al0.5N和Cr0.3Al0.7N涂层皆具有面心立方晶格结构, Ti0.5Al0.5N具有致密的结构, 相当光滑, 晶粒细小, 而Cr0.3Al0.7N具有柱状微晶结构, 其呈现的耐磨性不如Ti0.5Al0.5N。

Vereshchaka等[28]设计了一种具有纳米结构多层复合涂层陶瓷刀片, 并开发出动态数学模型，通过改变刀屑接触长度来调整接触过程, 使该刀片在加工淬硬钢的过程中拥有可转为刀片的切削特性, 与无涂层陶瓷刀具相比, 抗磨强度提升了3~5倍。

Vereschaka等[29]通过应用纳米分散的多层涂层, 提高了陶瓷切削刀具加工淬硬钢的效率。该涂层的成分、结构和性能的变化可控制切削时的接触过程, 增加接触长度, 降低法向接触应力以及降低切削刃的微观和宏观脆性破坏的可能性, 显著提高了陶瓷刀具的耐磨性, 与没有涂层的陶瓷刀具相比加工效率最多可提高2~2.5倍。

陶瓷材料刀具虽然硬度高、耐磨性好, 抗高温和氧化能力强, 但也存在脆性高, 韧性低, 不能使用液体切削液等缺陷, 研究人员通过各种方式对陶瓷刀具材料进行处理, 提高刀具材料的韧性和自润滑能力, 使陶瓷刀具的切削性能大幅度提升, 但增韧和自润滑的高成本, 也一定程度上限制了新型陶瓷刀具的推广。

3.3   PCBN刀具材料研究进展

1) 立方氮化硼(CBN):硬度仅次于金刚石的人工合成物质, 具有强度硬度高、耐磨性和耐热性好等特点, 而PCBN材料是进行硬态切削的理想刀具材料, PCBN刀具材料中CBN含量以及金属结合剂的类型, 是影响PCBN材料性能的主要因素。PCBN刀具材料中根据CBN含量的不同, 可以应用于不同的场合。高含量CBN刀具材料(CBN含量80%~90%)主要用于粗加工和半精加工镍铬铸铁、硬质合金和铸铁等; 低含量CBN刀具材料(CBN含量50%~60%)主要应用精加工淬火钢、模具钢和轴承钢。根据PCBN结合剂的不同, 可以将PCBN材料分为多种:金属结合剂PCBN材料、金属合金结合剂PCBN材料和陶瓷金属粘接剂PCBN材料。金属及金属合金粘接剂PCBN材料韧性较好, 但耐磨性稍差; 陶瓷金属粘接剂能保证PCBN材料的硬度, 但韧性较差, 抗冲击能力差。为了使PCBN材料获得更好的力学性能, 许多研究中对PCBN材料中CBN含量以及结合剂进行了研究。

2) Si3N4-Ni系结合剂PCBN刀具材料[30]:在PCBN刀具材料中添加镍粉, 可有效提升材料的硬度和耐磨性。Si3N4(氮化硅)晶须具有高强度、耐高温、高耐磨性、低膨胀率的特点, 加入到PCBN材料中, 使PCBN材料的抗冲击韧性和抗弯强度都得到提升。

3) PCBN-硬质合金复合片[31]:焊接式PCBN刀具由于切削时的高温容易出现掉头现象, 而整体式PCBN刀具容易产生微崩刃。采用PCBN-硬质合金复合刀片, 以硬质合金为衬底, 能够增加材料的抗冲击性能, 采用高温铜合金作为焊片, 可以基本消除掉头现象。CBN颗粒采用1~5 μm混合力度, 使得刀具在切削淬硬钢过程中磨损和切削力都较小。

4) Ti3SiC2结合立方氮化硼超硬复合材料[32]:以Ar气保护管式炉常压合成的Ti3SiC2粉体结合立方氮化硼微粉为原料, 制成了Ti3SiC2结合立方氮化硼超硬复合材料。该复合材料以Ti3SiC2为结合剂, 解决了金属结合剂刚度低, 高温易软化和陶瓷粘接剂脆性大的缺点。

5) 淬火钢高速切削用PCBN材料[33]:将4种不同粒度的CBN颗粒进行配比, 将TiC、TiN和Al这3种结合剂进行不同程度的配比, 在高温高压下烧结, Al融化为液相, 有利于CBN微粒和陶瓷微粒的扩散及微粒间的结合、形成组织结构均匀的PCBN聚晶材料, TiN陶瓷结合剂有利于提高刀具的耐磨性和抗热冲击性能, TiC除有利于耐磨性的提高, 还可抑制CBN微粒的结晶长大, 阻碍裂纹的产生和扩展。

6) 超细微粒CBN材料[34]:CBN刀具材料的粒度对工件表面质量有严重影响, CBN粒度越小, 表面粗糙度值也越小。日本泰珂勒(Tungaloy)公司开发出了粒度为0.2 μm的超细晶粒CBN材料BX530, BX530材料刀具切削淬硬钢长度达5 000 m时, 表面粗糙度依然维持在Rz1.6 μm以下。

Uhlmann等[35]研究了纳米复合涂层在PCBN刀具上的性能, 证明nc-AlCrN/a-Si3N4涂层与nc-AlTiN/a-Si3N4涂层相比具有更高的热稳定性、更高的涂层附着力, 导致后刀面磨损的稳定发展而没有突然的切削刃碎裂。纳米复合涂层具有隔热效果, 由于其较低的导热性而显着降低了切削过程中的PCBN刀具的温度, 有效改善了PCBN刀具的磨损和氧化行为。

在硬态切削方面, PCBN刀具材料有着其他刀具材料无法比拟的广阔前景, 与原有的硬质合金和陶瓷刀具相比, 取得了令人满意的结果。新型CBN结合剂的应用以及更科学的粒度配比, 使得PCBN材料的性能进一步提升, 有望成为各类制造业自动化智能化生产发展的主流刀具。

4. 硬态切削刀具刃型研究进展

切削刀具的刃型对刀具的性能有着重要的影响, 刀具只有选择合适的刃型才能充分发挥刀具材料的性能, 一个好的刀具刃口刃型, 是刀具能否多快好省切削加工的前提。根据不同的加工工况, 设计合适的刃型刃口, 不仅能保证产品的切削质量, 也有效延长刀具寿命。所以在淬硬钢等高硬度钢材加工过程中, 有许多科研人员对刀具的刃口刃型进行了研究。

4.1   硬态铣削刀具刃型的研究进展

为了满足汽车模具制造领域淬硬钢复杂曲面的加工要求, 范梦超[36]设计了3种非球头刀刃的硬质合金球头铣刀, 分别为椭球头铣刀、旋转抛物面型铣刀和“8”字型铣刀。如图 3所示, 在淬硬钢铣削过程椭球头铣刀比球头铣刀的加工效率更高; 旋转抛物面应用场合较多, 适宜于加工平坦敞口类的小曲率工件, 相比于正常球头铣刀, 它的切削速度更大, 切屑形态和表面质量更好。“8”字型铣刀同样适合于加工平坦敞口类小曲率工件, 但“8”字型铣刀刚度更好, 金属去除率高, 可有效抑制淬硬钢铣削过程中的颤振。

图 3  非球头刀刃的硬质合金球头铣刀

Oliaei等[3]设计了具有六边形几何形状的PCD立铣刀, 如图 4所示, 并且刀齿的几何形状设计成平行四边形形状, 具有大的负前角和大的后角。所提出的微观几何形状减小了刀具和工件材料之间的接触面积。与商用PCD工具相比, 所提出的设计允许临界切削深度增加近四倍, 表面粗糙度(Ra)值为100 nm, 仍能保证纳米级表面粗糙度。

图 4  六边形几何形状的PCD立铣刀

应宇翔[37]设计了带偏置倒棱的圆弧头铣刀, 如图 5所示, 该铣刀有效切削刃长度更长, 切削加工时稳定性好, 切削带宽度更大, 可以去除更多材料, 与环形铣刀相比, 带偏置倒棱的圆弧铣刀虽然效率偏低, 但却解决了环形铣刀加工凹曲面时的欠切问题。

图 5  带偏置倒棱的圆弧球头铣刀

为了提高铣削过程中的稳定性, Song等[38]对刀具结构进行了改进, 设计了变节距端铣刀, 刀具材料选择超细晶粒硬质合金, 刀刃为4刃, 螺旋角选择38°与35°结合, 如图 6a)所示, 每两条端刃之间的夹角有3°~5°之间浮动变化, 如图 6b)所示。

图 6  变节距刀具

通过铣削实验, 证明了该刀具5 500~6 500 r/min和8 500~13 000 r/min转速范围内能有效改善铣削稳定性, 但由于各切削刃之间质量的不平衡, 该刀具不能应用于转速超过14 000 r/min的场合。

刘献礼[39]设计出一种有效降低被加工工件表面残留高度的大切深高效新型圆角端铣刀, 常规圆角铣刀与新型圆角铣刀对比图如图 7所示。与常规圆角端铣刀相比, 该端铣刀加工效率提高了2.4倍, 表面残留高度降低1.96倍。

图 7  常规铣刀与圆弧铣刀对比

在2016年, 瓦尔特公司设计了七角形面铣刀刀片[40], 如图 8所示, 该铣刀可用于精加工淬硬钢件, 新精加工刀片有2左+2右切削刃, 粗加工刀片拥有14个切削刃, 半精加工和精加工工序可在一个工序中用一把刀具完成, 而无需为精加工再次调刀, 这不仅可节约刀具, 也可节约加工时间。

图 8  瓦尔特七角性铣刀刀片

Cho等[41]设计一种新的螺旋形固体PCD和PCBN尖端部分, 它们可以连接或插入传统的刀具基底, 如图 9所示一种标准的立铣刀柄, 在该平底铣刀刀柄的3个刀槽的其中之一内设置有波形轮廓的PCD或PCBN材料。本发明制造的分段产品的刀具制造成本更低, 所需的磨削时间更少, 该刀具的实用性可以更广泛且更容易地提供以满足市场需求。

图 9  螺旋PCD立铣刀的透视图

4.2   硬态车削刀具刃型的研究进展

Ventura等[42]研究了切削刃几何形状对断续硬车削中高含量CBN刀片性能的影响。不仅找到了最佳边缘几何形状, 而且分析了主要磨损原因和机理。如图 10所示, 一般的刃口圆弧由几个倒角离散化, 倒角特征在于倒角宽度b和角度γ, 而刃口圆弧的特征在于前刀面处的切削刃部分Sγ和后刀面处的切削刃部分Sα。形状因子K=Sγ/Sα定义了切削刃是倾向于前刀面的趋势(K> 1)还是后刀面的趋势(K < 1)。研究发现断续硬车削中, 在对称圆角(K=1)的情况下且倒角宽度b和角度γ为以下值时CBN刀片性能最佳。

图 10  应用于断续硬车削中的微观几何形状

Kim等[43]使用逐层电火花加工在CBN刀具的前刀面制备了一种图案, 如图 11所示, 减小了刀-屑接触面积以及防止磨损与槽内碎屑, 通过改善摩擦学性能来减小力, 摩擦系数和刀具磨损。在不同的进给速率下与无图案的刀片相比摩擦力减小了9.5%~34.5%, 合力减小了2.7%~10.5%, 后刀面磨损提高了9.7%~11.4%, 而前刀面的月牙洼磨损相差不大。

图 11  CBN刀片上的SEM图像及其放大视图

Kundrák等[44]研究了在具有负前角的硬车削过程中沿进给方向的表面残余应力, 对于负前角, 残余应力是压应力, 它们在工件内的大小和表面下分布深度均取决于前角, 对于较高的负前角, 残余压应力是增大的, 对于-30°前角, 残余压应力达到最大值1 200 MPa。

Cui等[45]研究了用于淬硬钢断续车削的陶瓷刀具几何参数的优化, 对于不同的切削长度比和刀具几何参数的不同组合, 获得了刀具主体上的损伤等效应力的最大值的演变。提出了一个切削循环(SDMH)中损伤等效应力的最高值作为优化刀具几何参数的新指标。在额定切削长度比下, 以刀尖圆角半径、主偏角、前角为刀具参数组合进行优化, 并依据最佳参数下的刀具寿命证明了所提出优化方法的准确性。

李素燕[46]提出了PCBN刀具刃口强化结构, 既能让切削刃保持良好的强健性, 也能保持良好的锋利性。如图 12与图 13所示, 所设计的PCBN刀具变圆弧刃为空间下凹曲线刃, 变圆锥倒棱面为凹谷形倒棱曲面, 形成渐变倒棱区域, 解决了定值倒棱刀具圆弧刃和圆锥倒棱面约束作用下出现的切屑积聚问题。

图 12  近余弦强化PCBN刀具结构

图 13  近正弦强化PCBN结构

针对硬态车削过程, Denkena[47]提出了改善刀具磨损的刀具结构, 如图 14所示。在刀具后刀面切出宽St的槽, 制造出宽Sb的腹板, 由于刀具后刀面特殊的几何形状, 刀具后刀面磨损宽度会被限制(磨损带宽度不会超过Sb), 当刀具从A点磨到B点时, 该几何效果失效。与传统的刀具相比, 该刀具可以通过Sb的宽度来控制刀具磨损的速率, 该刀具几何结构图如图 15所示。

图 14  腹板宽度对磨损宽度的影响

图 15  刀具几何机构图

Denkena等[48]还提出了一种新的刀具设计方案, 通过改变刀具后刀面微结构, 来减小刀具对工件表面的负面影响; 通过控制加工过程中接触条件, 使刀具-工件在后刀面内的有效接触长度保持恒定, 并使接触长度增长, 从而降低刀具磨损的速度, 减少加工过程中的热载荷和机械载荷, 降低工件次表面的残余应力。

Chen等[49]设计了可变倒角边缘PCBN刀具, 如图 16所示, 可变倒角边缘的存在减少了后刀面和工件之间的挤压以及切屑和前刀面之间的摩擦, 在提高切屑去除性能和刀具寿命以及降低切削力方面具有明显的优势。对于带有可变倒角边缘的刀具, 其磨损面积较大, 磨损深度较小, 其月牙洼磨损边缘距离切削刃相对较远, 因此, 它具有更长的使用寿命以及更好的去除切屑和散热的性能。

图 16  可变倒角边缘PCBN刀具

德国瓦尔特公司于2013年专门为铸铁加工设计了3种槽型:MK5(通用型)、RK5(经典型)和RK7(坚固型)[50], 如图 17所示。槽型MK5适用于所有铸铁材料的半精加工, 主要适用于加工球墨铸铁、加工不稳定的工件。RK5和RK7是粗加工新槽型。RK5主要用于加工铸铁材料, 刀片上台阶可确保铸铁切削中更高的工艺可靠性, 是加工灰口铸铁的首选。RK7刀片极其坚固, 用于严重断续切削、公差变化大、加工余量非常不均匀的铸铁加工, 其结构设计与RK5槽型相同, 但切削刃上另外带有保护倒棱, 也适用于对CBN刀片通常无法加工的硬度40~61 HRC的淬硬钢进行软硬加工。

图 17  3种槽型

2014年, 瓦尔特公司又开发了3种ISO P槽型[51], 其型号分别称为FP4、MP4和RP4, 如图 18所示。FP4专为钢件精加工而设计, 在精加工中实现最佳表面质量和断屑性能。MP4用于钢件的中等程度加工, 是3种刀片中最通用的一种, 特别适用于长切屑材料如St37结构钢或其他低碳钢。该槽型有两种后角(7°和11°), 各自有高精度烧结型和高精度磨削型两种。11°后角可以用来加工较小的直径。与烧结型相比, 高精度磨削型可提高重复精度两倍。RP4拥有稳定的刀刃, 可用于钢件粗加工, 其特点就是金属去除率高。

图 18  3种ISO P槽型

山高于2013年设计的全新负角M6断屑槽刀片[52]专用于车削中钢件的粗加工及半精加工, 如图 19所示。M6提供多种双面槽型, 它具有一个较宽的正角保护倒角、一个正前角和一个宽槽, 可实现高刃口强度、低能耗及有效的排屑。该断屑槽槽型可以出色地抵御崩刃、月牙洼磨损和后刀面磨损问题, 从而获得最佳的刀具寿命。M6的修光刃设计允许采用更大的进给量, 同时还能提供安全的切屑控制、低切削力和可靠的磨损行为。这些特性可以实现优异的工件质量和良好的表面粗糙度, 因而在某些应用中无需再进行精加工。

图 19  山高角M6断屑槽刀片

为了进一步提高制造商在加工钢件材料时的产量, 山高研发并于2014年推出了新的专用W-Mf4刀片槽型[53], 如图 20所示。W-Mf4是一款高进给率(修光刃)的槽型, 实现了对钢件材料的高性能加工。使用这款新的高进给率修光刃槽型, 可以大幅改善工件的表面粗糙度、降低加工周期。

图 20  山高W-Mf4刀片槽型

5.   结语与展望

硬态切削是非常有前景的一种切削方式, 硬态切削刀具是硬态切削工艺中最关键的因素, 本文以刀具材料和刀具刃型为切入点, 综述了硬态切削刀具的最新研究进展, 主要得到以下结论:

1) 对于新型硬质合金刀具实现了刀具强度、韧性、耐磨性等特性的统一, 价格具有优势, 在硬态切削中占有重要地位。

2) 陶瓷刀具更注重改良陶瓷材料以及自润滑提升刀具性能, 通过改良刀具材料提升陶瓷的强度及韧性, 将固体润滑剂与陶瓷材料以及微观纹理相结合, 实现刀具自润滑。

3) PCBN材料是进行硬态切削的最理想材料, 目前主要通过改良材料结合剂和CBN粒度以及刃型结构来提升材料性能。

4) 刀具结构设计与刀具材料研究相互关联, 应因地制宜地根据刀具材料的性能来设计刀具结构参数, 从而使得刀具材料充分发挥性能。因此, 充分了解刀具结构和刀具几何参数的作用及规律, 根据材料特性综合调节刀具结构, 提高二者匹配性, 对硬态切削用刀具的进一步推广及应用均具有重要的现实意义。

笔者认为硬态切削用刀具未来的研究内容和发展趋势将主要表现在如下两个方面:

1) 结合增材制造技术的刀具结构研究。随着增材制造的出现, 运用该技术进行刀具设计及制造也许会成为一个重要的科研手段, 仿生结构在刀具结构中的实现也将不再难以实现。以自然界中的结构为蓝本而设计出来的刀具将会是一个重大的突破。

2) 自润滑与微观纹理的机理研究。自润滑与微观纹理的结合是个很有前景的方向, 但无论是固体润滑剂的选用还是纹理的设计都难以探求其本质, 无法从机理出发来推进其向前发展。在现如今学科交叉融合的大环境下, 对其理论的发展应该会提供一个相对富足的条件, 若能在机理方面得到成果, 对于刀具设计将会是一个很大的推进。