高速钢刀具的磨损机制

　　【编者按】在金属切削加工中，由难加工材料造成的高切削力、高接触压力、切削高温、剧烈的化学侵蚀等外界条件对刀具和刀具材料提出了极高的要求。本文讲述高速钢刀具的磨损机制。【参阅我国切削加工与刀具技术落后于工业发达国家】

　　在金属切削加工中，由难加工材料造成的高切削力、高接触压力、切削高温、剧烈的化学侵蚀等外界条件对刀具和刀具材料提出了极高的要求。此外，刀具几何形状和锋利的切削刃、循环吃刀量、切削液等切削条件也增加了加工的严酷性。切削刀具经常是在接近其耐受这些负荷（特别是热应力和机械应力）的极限状态下工作。　　

　　尽管高性能刀具材料——如CVD和PVD涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金刚石——的使用日益增多，但高速钢（HSS）仍然是常用的金属切削刀具材料。高速钢相对较高的韧性，以及能够经济地制造复杂形状刀具的可能性，使其在许多切削加工中的使用仍然具有合理性。与电渣加热（ESH）技术和物理气相沉积（PVD）涂层技术相结合的粉末冶金高速钢牌号的引入，进一步提高了高速钢刀具的切削性能。

　　自从上世纪70年代末期成功地引入了PVD-TiN涂层以来，对高速钢金属切削刀具的学术研究一直集中在开发更好的涂层材料和沉积技术上。

　　本文对高速钢刀具（包括未涂层和涂层刀具）的磨损机制进行了简要评述，并详细论述了金属切削过程、刀具失效机制、高速钢材料及其涂层的特性。

　　金属切削过程

　　为了理解金属切削的磨损机制，有必要简略了解一下在刀具/工件材料界面处占主导地位的接触状况。常见的正交切削模型适用于任何切削操作，包括车削、铣削、锯削、钻削、攻丝、拉削等。通过工件材料的塑性剪切，以及工件材料相对于刀具后刀面和前刀面的滑移，可以建立一组温度特性曲线。主要的热源位于切屑形成的主剪切区和切屑与刀具之间摩擦接触的副剪切区，因此，在与切削刃有一段距离的前刀面上会达到最高温度。

　　要阐明作用于刀具切削刃上的切削力和机械应力并不容易，因为这些力随着切削工艺和切削参数的不同而有很大的变化。在采用单一切削刃的断续切削中，刀具从切入工件到退出工件，其受力情况也可能大相径庭。一般来说，总的切削力F与切削速度和进给量相关。采用低摩擦涂层可以减小切削力，从而降低切削刃温度，即可以利用低摩擦涂层来提高生产率。

　　我们从刀具失效机制的类型可知，高速钢刀具使用到接近自己的屈服极限和断裂应力极限时就会失效。当切削刃像一个不断扩展的楔子一样强行切入工件材料内部时，被它撑开的 “裂缝”的两个表面呈现为化学活性很高的金属。事实上，由于外部的氧或切削液无法进入该区域，意味着不会形成氧化膜或任何其他可起保护作用的隔层。因此，刀刃也暴露在极为恶劣的条件下。

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