PVD涂層刀具切削天然砂巖失效機理分析

祝皓益，趙德宏，閆廣宇

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

目前加工石材通常使用的是金剛石燒結刀具，但使用燒結刀具很難保證其加工精度，所以無法應用于精加工，能應用于精加工的電鍍刀具又由于磨損過快不宜廣泛使用，因此使用涂層刀具加工石材較為合適[1]。采用物理氣相沉積（PVD）方法獲得的涂層刀具有高強度、耐磨、耐腐蝕等優點，可以達到提高加工效率、加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本的目的。所以對于加工砂巖等天然石材這種難切削材料，使用PVD涂層刀具是比較合適的。如今我國對涂層刀具在金屬領域的應用研究較為廣泛，但在石材領域研究較少。本文通過研究PVD涂層刀具切削天然砂巖失效機理來為后來研究者提供一種研究方法，同時為涂層刀具切削成分類似的石材提供一種參考，強調了研究刀具失效機理的重要性而不是采用實際加工中的普遍經驗論為判定刀具失效的方法。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

切削加工設備采用DMU50五軸萬能銑床；粗糙度檢測裝置：Tay-lor-Hobson粗糙度測試儀；掃描電子顯微鏡：德國蔡司顯微鏡；切削力測量設備：Kistler；試驗刀具：R3.0×50L，數控球頭涂層銑刀；試驗工件：天然砂巖，長×寬×高為（200×150×25）mm，砂巖的具體成分見表 1。

1.2 試驗方案

表1 天然砂巖成分Tab.1 Composition of natural sandstone

試驗研究PVD涂層刀具切削砂巖時，在累計固定切削量的條件下，采取三個切削參數的正交試驗，切削參數為主軸轉速、進給速度、切削深度。試驗參數均為試驗現場加工生產中的適用參數范圍，16組試驗在干切削條件下分別測量切削力和刀具磨損量，見表2。采用網格分析方法對刀具磨損區域進行網格劃分（1×1μm網格）[2]，磨損區域網格數量代表刀具磨損面積。

表2 試驗方案安排與結果Tab.2 Arrangement and results of test plans

2 試驗結果分析

涂層刀具的切削性能受切削力影響很大，目前在研究切削力時一般會三個方向研究，即 Fx、Fy、Fz[3]，其中 y 是刀具的進給方向。圖1為切削參數對切削力大小影響的折線圖，由圖1可知切削力隨著主軸轉速增大而減小，但減小效果并不是很明顯甚至有些區間有增大趨勢，這說明主軸轉速對于切削力的影響不占主導地位。在圖2中可知在切削深度大于1mm的時候切削力有著明顯的增大且Fz最為明顯，這是由于當切削深度增加的時候，刀具與工件的接觸弧長也隨著增加，進而切削面積變大，所以切削力有明顯的增大。由圖3可以發現隨著進給速度增大，切削力跟著增大并且在進給速度大于750mm·min-1出現一個較為明顯的突變，這是因為刀具承受很大的沖擊，并且轉化成了切削力。

3 磨損特性分析

通過觀察掃描電子顯微鏡可知，PVD涂層刀具切削砂巖的磨損特性主要包括：刀具表面的機械磨損（硬質點磨損）、粘結磨損等。

圖1 主軸轉速與切削力折線Fig.1 Spindle speed and cutting force folding line

圖2 切削深度與切削力折線Fig.2 Cutting depth and cutting force folding

圖3 進給速度與切削力折線Fig.3 Feed speed and cutting force folding

（1）刀具表面的機械磨損（硬質點磨損）。在圖4中，切削速度Vc=πDN/1000為 94.2m/min，進給速度 Vf為 750mm/min，切削深度ap為0.5mm的刀具涂層已出現剝落的現象。這是因為在切削時，部分砂巖顆粒會出現凸起的現象，容易破壞刀具涂層，隨著切削的進行涂層表面就會出現剝落，涂層剝落露出的刀具基體與石英顆粒一起發生機械去除，即硬質點磨損。在圖5中切削速度Vc是169.56m/min，進給速度Vf為1750mm/min，切削深度ap為2.0mm的參數條件下，涂層刀具發生明顯的劃擦和崩刃。當沖擊力超過一定數值時，PVD涂層出現明顯的大面積剝落，隨著刀具的繼續切削進給，會出現很多石英顆粒的凸起和位移，加劇刀具基體的磨損導致刀具表面的崩刃。

圖4 刀具涂層剝落Fig.4 Tool coat peeling

圖5 刀具崩刃Fig.5 Knife blade

（2）粘結磨損。在高溫條件下，砂巖粉末（特別是砂巖中的針鐵礦）氧化粘結在刀具表面，大大降低了刀具涂層的完整性。尤其是被刀具切削過的新鮮的工件表面與刀具表面接觸到原子間距離時所產生的粘結現象，刀具材料上的晶粒受到切削力，當接觸面、壓力和溫度達到一定程度時，就會產生冷焊現象，各個粘結點之間會相對運動，晶粒之間會有力的作用，粘結點的破裂多發生在硬度較低的一方（一般多發生在工件材料上）[4]，進而轉化為對刀具表面的應力，破壞刀具切削性能，造成刀具的損壞，增加刀具磨損。

4 失效機理分析

砂巖顆粒主要是由大量的石英和少量的金屬氧化物組成的，由于兩種成分不僅含量有明顯不同而且所具備的物理性質和化學性質差別也很大，石英顆粒堅硬耐磨，金屬氧化物（針鐵礦）較軟，脆性大，所以在切削過程中石英會受較大的應力而針鐵礦會受較大應變[4]，由于受應力與應變的不同當針鐵礦發生塑形變形時石英顆粒就易發生脫落與破損。石英顆粒的破損會導致石英顆粒的大小、形狀出現不規則的現象，較大顆粒的突起會破壞刀具的涂層，使其出現裂痕。

當PVD刀具的刀刃遇到脫落和破碎的石英顆粒和石英顆粒與針鐵礦的粘合物時，刀刃的切削力就會轉化為顆粒間的集中應力，如果達到了顆粒間的粘結力，顆粒就會隨著刀刃的運動而不斷脫落。同時切削刃與針鐵礦接觸會產生彈性形變，容易在刀刃切入口處產生裂痕，當裂痕寬度不斷擴大并接近切削厚度時，便易于產生針鐵礦顆粒[6]。當切削刃與砂巖顆粒接觸時，產生的應力在達到石英顆粒與針鐵礦間的粘結力時若還沒達到顆粒自身的剪切力時，顆粒會在沒有切斷的情況下就會從待加工表面脫落下來。當顆粒的密度較大時，顆粒與顆粒之間的空隙就會變小甚至達到沒有空隙的程度，靠在一起的顆粒由于剪切應力會增大顆粒之間的壓力，在刀具高速運轉的情況下，顆粒之間變大的壓應力對于刀刃和顆粒的影響都非常大，顆粒在受到剪切應力和壓應力作用時，會使得顆粒的斷裂面比開始切削時粗糙得多，同時由于連續切削，刀刃處的應力會長時間集中，容易導致出現崩刃的現象，隨著切削的進行會不斷加劇刀具表面的劃擦和崩刃，進而導致涂層的脫離和PVD涂層刀具的失效。

5 結論

PVD涂層刀具切削天然砂巖的磨損機理主要由刀具表面的機械磨損（硬質點磨損）、粘結磨損兩方面組成，一直存在的是刀具表面的機械磨損（硬質點磨損），當切削溫度達到一定值時會出現氧化物與刀具粘結造成磨損。失效機理是凸起石英顆粒會破壞刀具涂層，而隨著切削的進行顆粒的密度會逐漸增大，顆粒與顆粒之間的空隙就會變小甚至達到沒有空隙的程度，靠在一起的顆粒由于剪切應力會增大顆粒之間的壓力，從而導致刀具出現崩刃現象，最終導致刀具失效。