1 引言
從20世紀80年代開始，由於數控機床的主軸、進給系統等功能部件設計製造技術的突破，數控機床的主軸轉速和進給速度均大幅度提高，在現代製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、汽車等製造業領域得到了大量應用，產生了顯著的經濟效益，並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、抗熱震性以及抗塗層破裂性能等。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，當其韌性得到改善後，非常適合用於高速切削。先進塗層技術的發展進一步改善了刀具材料的性能。目前，新型塗層材料和塗層工藝的開發方興未艾，預示著塗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、金屬陶瓷刀具和塗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，這些研究將有益於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後刀面磨損、微崩刃、邊界磨損、片狀剝落、前刀面月牙窪磨損、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，在高速切削時常採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。高速切削不鏽鋼、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，由於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於刀具的磨損限度，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；塗層刀具因塗層材料與基體材料粘結強度不夠也易發生剝落。
前刀面月牙窪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。
3 高速切削刀具的磨損機理
在高速切削加工中，與普通切削加工類似，也存在兩個摩擦副：前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與已加工表面間的摩擦副。其中，前者影響刀具前刀面的磨損，後者影響刀具后刀面的磨損，前、后刀面的磨損均影響刀具壽命。但與普通切削相比，高速切削時刀具與工件的接觸時間減少，接觸頻率增加，切削過程中產生的熱量更多向刀具傳遞，因此其磨損機理與普通切削有很大區別。
（1）陶瓷刀具
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優良、化學穩定性好、不易與金屬發生粘結等特點。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬質合金刀具高3～10倍，適用於高速切削鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具用於高速切削時，切削溫度可高達800～1000℃甚至更高，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機械磨損與化學磨損綜合作用的結果，其磨損機制主要包括磨料磨損、粘結磨損、化學反應、擴散磨損、氧化磨損等。陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關，在高速切削時以高溫引起的粘結磨損、化學反應、氧化磨損和擴散磨損為主。
Al2O3基陶瓷刀具在連續高速切削鋼件時，其磨損機制主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結磨損；而在高速切削鑄鐵時，磨損機制主要為磨料磨損。
用Al2O3/SiCw陶瓷刀具高速加工Inconel 718高溫合金時，刀具的主要?損機製為粘結磨損、化學反應和擴散磨損，因此用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時必須使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN 陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時，前刀面與后刀面的磨損機理有所不同：化學反應及塑性變形是前刀面磨損的主要原因；后刀面的磨損機理則是陶瓷顆粒間發生斷裂，導致陶瓷顆粒脫落所致。Al2O3/TiB2陶瓷刀具加工高強鋼和淬硬鋼時具有較好的耐磨性，且刀具的耐磨性能隨著TiB2含量的增加而增強。Al2O3基陶瓷刀具在高速切削時，刀具表層有時會發生塑性變形現象，這是由於Al2O3與FeO（鋼表面氧化產物）或MgO（陶瓷添加劑）反應形成了尖晶石結構，或者是 Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點、低硬度的化合物。
Si3N4基陶瓷刀具高速切削鑄鐵時的主要磨損機製為化學磨損。雖然化學磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所佔比例一般並不大，但化學作用可使機械磨損的程度大大加劇，如化學溶解及擴散作用會引起陶瓷表面強度減弱，加劇刀具與工件間的粘結，從而導致嚴重的粘結磨損和微觀斷裂磨損。切削鋼件時，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學作用有關，由於Si3N4顆粒的化學溶解及不斷被從玻璃相中拔出，使Si3N4陶瓷刀具表現出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具高速切削鋼件時的高磨損率主要可歸因於以下兩種因素： ①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2層不斷被磨去；②SiO2與工件表面的FeO形成低熔點的共晶混合物。
（2）立方氮化硼刀具
立方氮化硼（CBN）是氮化硼的緻密相，聚晶立方氮化硼（PCBN）則是由CBN微粉與少量粘結相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高溫高壓下燒結而成。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列狀態，因此PCBN硬度均勻，無方向性，具有一致的耐磨性和抗衝擊性，並有很高的硬度和耐熱性（1300～1500℃）、優良的化學穩定性和導熱性以及低摩擦係數，而且PCBN與Fe族元素親和性很低，因此它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。 PCBN的CBN含量、晶粒尺寸、粘結相等均會影響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和導熱性也越高；CBN晶粒尺寸越大，其抗破損性越弱，刀刃鋒利性越差；採用金屬材料Co、Ni作為粘結相時，PCBN有較好的韌性和導電性，採用陶瓷材料作為粘結相時則具有較好的熱穩定性。
PCBN 刀具高速切削鑄鐵時主要發生化學磨損，導致前刀面出現月牙窪磨損。試驗證明，通過改變CBN含量和刀具幾何參數，以降低切削溫度和減小刀—屑接觸長度（時間），可減小化學磨損速率，避免前刀面月牙窪磨損。一般認為，CBN刀具的磨損是由於切削過程中的高溫、高壓、切屑與前刀面間的摩擦以及工件材料中有關化學元素與之發生粘結、親和而引起的，即其磨損機制主要包括：①氧化磨損和相變磨損。CBN刀具高速切削時的平均切削溫度可達1000～1200℃，在此高溫下，即使在常壓和空氣氣氛中也足以使CBN刀具刀尖區產生氧化、放氮甚至相變。而CBN刀具一經氧化和相變即會喪失其切削能力。②粘結磨損。在一定壓力和高溫條件下，刀尖與被加工材料接觸區隨著切屑不斷流出，雙方均不斷裸露出新的表面。儘管CBN對Fe族元素有較高化學惰性，但對其它元素並非如此，當條件適合時，會使CBN活性增加、惰性降低，隨著與合金元素的親和傾向不斷增加，將導致出現粘結磨損。這種磨損一般表現為微粒脫落，當刀尖區溫度高達 1200℃左右時，局部CBN顆粒將呈現「半熔化」狀態，從而使粘結磨損大大加劇。③摩擦磨損。工件與刀具之間的高速相對運動會使CBN刀具發生摩擦磨損。④顆粒剝落與微崩刃。由於CBN刀具是由無數細小的CBN顆粒構成，顆粒之間呈晶界間的精細裂紋連接，且存在不均勻的內應力，因此當高溫切屑流摩擦刮研CBN刀尖時，會因工件材料硬度不均或存在硬質點所產生的微衝擊而造成CBN顆粒脫落或產生微崩刃。
造成CBN刀具磨損的上述多種因素並非只是獨立存在、單獨作用，而是相互影響、共同加劇，如氧化磨損和相變磨損必然伴隨著粘結磨損，並出現摩擦磨損、剝落磨損和微崩磨損。
（3）金剛石刀具
金剛石材料可分為天然金剛石和人造金剛石。天然金剛石具有自然界物質中最高的硬度和導熱係數。近年來開發的多種採用化學機理研磨金剛石刀具的方法和保護氣氛釺焊金剛石技術使天然金剛石刀具的製造變得相對容易，從而使天然金剛石刀具在超精密鏡面切削領域得到廣泛應用。20世紀50年代實現了利用高溫高壓技術人工合成金剛石粉后，70年代製造出了金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石（PCD）刀具。PCD晶粒呈無序排列狀態，不具方向性，因而硬度均勻。PCD刀具具有高硬度（8000～12000HV）、高導熱性、低熱脹係數、高彈性模量和低摩擦係數，刀刃非常鋒利，可高速切削加工各種有色金屬和耐磨性極強的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬基複合材料、木材複合材料等。目前正在研究和開發的化學氣相沉積（CVD）金剛石主要有兩種形式：一??在基體上沉積厚度小於30μm的薄層膜（CVD薄膜）；另一種是沉積厚度達1mm的無襯底金剛石厚層膜（CVD厚膜）。
三種主要的金剛石刀具材料———PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石的性能比較結果為：PCD的焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質量居中，抗腐蝕性最差；CVD厚膜的抗腐蝕性最好，機械磨削性、刃口質量、斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性最差；人工合成單晶金剛石的刃口質量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。目前，金剛石刀具是高速切削（2500～5000m/ min）鋁合金較理想的刀具材料，但在高速切削鋼鐵及其合金時卻磨損較快，其磨損機理主要是由於碳與鐵具有較大親和作用，尤其在高溫下金剛石易與鐵發生化學反應，因此它不適於切削鋼鐵及其合金材料。
（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，摩擦係數小，抗月牙窪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，適於在200～400m/min的高速下切削普通鋼和合金鋼，也可用於鑄鐵的精加工。由於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）塗層刀具
塗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窪磨損能力。塗層的摩擦係數較低，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塗層的硬度高、耐磨性好，適用於可能產生劇烈磨損的刀具；TiN塗層與被切削金屬的親和力小、潤濕性好、抗氧化性強，適用於容易發生粘結磨損的刀具；Al2O3塗層在高溫下具有良好的熱穩定性，適用於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塗覆不同的氮化物、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）等塗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塗層刀具的基體。
塗層技術發展很快，目前已從單塗層發展為多塗層。應用較廣泛的塗層工藝有化學氣相沉積法（CVD法）和物理氣相沉積法（PVD法）。PVD法主要用於高速鋼刀具塗層；CVD法和PVD法均可用於硬質合金刀具塗層。PVD法塗層的硬質合金刀具有較好的抗破損性能，適於斷續切削，但耐磨性不如CVD法塗層的硬質合金刀具。目前適用於高速切削的硬質合金塗層刀具的塗層物質主要有採用CVD法的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN、TiN+Al2O3、 TiCN等和採用PVD法的TiAlN/TiN複合塗層、TiAlN等。選用不同塗層物質的硬質合金塗層刀具可以200～400m/min的切削速度加工鋼、合金鋼、不鏽鋼、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）塗層在高溫下具有良好的熱穩定性，適合於高速切削。
日本近年開發的納米TiN/AlN複合塗層銑刀片的塗層層數達2000層，每層厚度為2.5nm，可在高速下進行切削。塗層刀具用於高速切削時，由於切削溫度較高，可使塗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。
（1）鑄鐵的高速切削加工
在鑄鐵的高速切削加工中，正確選擇刀具材料是提高加工效率的關鍵。適用於高速切削鑄鐵零件的刀具材料主要有超細晶粒硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和塗層刀具等。陶瓷刀具是高速切削鑄鐵的理想刀具之一，其價格比PCBN刀具低廉得多，其高速切削鑄鐵的切削性能則遠遠優於硬質合金刀具。用Sialon陶瓷刀具和Si3N4陶瓷刀具車削和銑削普通鑄鐵時，在相同切削條件下，Sialon陶瓷刀具車削時的磨損量較小，而Si3N4陶瓷刀具銑削時的磨損量較小。這說明Sialon?瓷刀具適用於高速連續切削，而Si3N4陶瓷刀具適用於高速斷續切削。
（2）淬硬鋼的高速切削加工
在相同切削條件下（切削進給量 0.1mm/r，切削深度0.2mm，刀具磨鈍標準VB=0.2mm）分別採用P10硬質合金刀具、陶瓷刀具和CBN刀具加工AISI 4340工件材料（硬度60HRC）時，硬質合金刀具的工作壽命最低，這是由於工件材料硬度很高，導致加工時的切削力和切削溫度較高，造成硬質合金刀具迅速磨損、剝離乃至斷裂破損。陶瓷刀具和CBN刀具的工作壽命隨著切削速度的提高而增加，當達到最大臨界值后則開始降低。出現這一現象的原因可能是當切削速度增加時，刀具粘結層厚度增加，形成一層保護膜，有利於減小刀具磨損，從而提高了刀具壽命；但當切削速度進一步提高時，刀具表面層將變軟，容易被工件材料中的硬質點磨耗掉，從而加劇了刀具磨損，造成刀具壽命迅速降低。
（3）鎳基合金的高速切削加工
選用Si3N4陶瓷刀具和 Si3N4-TiC陶瓷刀具（刀具幾何參數分別為-5°，-6°；5°，6°；15°，15°；0.8mm）高速車削鎳基合金Inconel 718工件（直徑150mm，硬度440HV）。切削進給量0.19mm/r，切削深度0.5mm，切削速度30～300m/min，使用水基冷卻液（冷卻速度4l/min）。由Si3N4陶瓷刀具的磨損形態和磨損量在切削長度為50m時與切削速度的關係可見，邊界磨損量VN的變化較為獨特：當切削速度較低時，VN隨切削速度的增加而減小；當切削速度超過100m/min時，VN則隨切削速度的增加而增大；當切削速度超過150m/min時，VN又隨切削速度的增加而減小。后刀面磨損量VB在整個切削速度範圍內均小於邊界磨損量VN。用添加了TiC的Si3N4-TiC陶瓷刀具加工Inconel 718時，由刀具的磨損形態和磨損量與切削速度的關係可見，刀具的磨損形態和磨損規律與Si3N4陶瓷刀具非常相似，但磨損量小於Si3N4陶瓷刀具。
對於高速切削刀具，除應考慮其靜態特性外，還應考慮其動態特性。隨著刀具懸伸量的不同，可能使刀具系統（刀柄—刀體—刀片等）的固有頻率與因每個刀齒切削不均產生的刀齒寬頻帶激振的頻率（或其諧波分量）一致，從而產生顫振，引起刀具劇烈磨損，甚至發生破損。
5 結語
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、金屬陶瓷刀具和塗層刀具的磨損形態和磨損機理進行了綜合評述。不同種類的刀具材料高速切削加工不同的工件材料時，其磨損形態和磨損機理也各不相同。對影響高速切削刀具磨損壽命的因素進行了綜合分析，研究結論對實際加工中高速切削刀具的合理選用及磨損控制具有指導、參考和借鑒作用。
