“工欲善其事，必先利其器”，這句古話對(duì)切削加工而言，“器”指的是刀具和機(jī)床。機(jī)床使刀具和工件作必要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而刀具則在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中切削工件，它作為利器，既要有好的材料，又要有先進(jìn)合理的幾何形狀。對(duì)車削刀片來(lái)說(shuō)，材料包括基體材料和涂層材料，幾何形狀則和斷屑槽設(shè)計(jì)密切相關(guān)。用戶有的需要著重提高車削鋼的效率、穩(wěn)定性，有的則需要有較廣闊的通用性，對(duì)于刀具制造商而言就應(yīng)從不同的方向去研發(fā)用戶對(duì)這些新產(chǎn)品的不同需求，以滿足他們個(gè)性化的差異。

本期中，通過(guò)一些共性問(wèn)題的剖析，將分別進(jìn)行闡述。

涂層與刀片

刀片的損傷形式主要分為磨損和破損(崩刃)。涂層硬度高低和厚度直接影響刀片的耐磨性，其韌性則會(huì)影響刀片承受沖擊的耐破損性。切削時(shí)，刀片表面粘結(jié)物的形成和在持續(xù)加工時(shí)，被強(qiáng)制脫落也會(huì)造成磨損和破損。涂層材料在耐熱、耐化學(xué)物方面的穩(wěn)定性越好、被切削材料的親和性越差的情況下，就越不易產(chǎn)生粘結(jié)和相應(yīng)的損傷。涂層的導(dǎo)熱系數(shù)也很重要，它是涂層物質(zhì)在加工時(shí)生成切削熱后的導(dǎo)出能力，導(dǎo)熱系數(shù)值低，熱導(dǎo)出能力則差，使熱難以傳入刀片，將熱傳給切屑隨之排出，可以減少刀片的熱磨損。

在硬質(zhì)合金等基體材料表面涂敷數(shù)微米硬質(zhì)物質(zhì)，可使切削刀具獲得基體材料的韌性，并兼?zhèn)渌坑操|(zhì)物質(zhì)的高硬度。一般涂層厚度不超過(guò)刀片厚度的0.2%就可使刀片及刀具的切削性能發(fā)生很大的變化和提高。所以涂層刀片及其刀具的應(yīng)用越來(lái)越廣。不同的情況下，通過(guò)沉積不同的涂層，可以提高各種條件下的切削效率，延長(zhǎng)刀具壽命?，F(xiàn)在無(wú)涂層的刀片及刀具僅用于某些特殊防粘結(jié)的加工與非鐵金屬加工等情況，以及要求低成本的場(chǎng)合。

涂層一般分化學(xué)氣相沉積CVD(Chemical Vapor Diposition)和物理氣相沉積PVD(Physical Vapor Diposition)兩種方法。CVD涂層生成的基本原理是在高溫(900-1100℃)爐中，送入含化合物的氣體，使它在被涂物體的表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而在其表面沉積硬質(zhì)物質(zhì)的方法。PVD涂層的生成原理則是利用真空附著，通過(guò)離子鍍、濺射、離子混合等物理方法，在較低溫度(100-700℃)條件下，在被涂物體表面沉積硬質(zhì)物質(zhì)的方法。

CVD涂層由于處理溫度高，故只能涂在耐高溫的基體材料上。CVD涂層與基體的結(jié)合力強(qiáng)，可形成較厚的涂層。通過(guò)更換原料氣體，還可以在同一處理爐中，連續(xù)涂敷多種物質(zhì)。故能用于高速、大進(jìn)給、大切深以及單位時(shí)間要求去除材料體積較大的情況下。一般情況下，車削用刀片主要用CVD方法沉積涂層，以提高其切削性能。由于它和基體材料的熱膨脹系數(shù)不同，易產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。這對(duì)刀片的耐破損性耐疲勞性不利。

再來(lái)看看PVD涂層的優(yōu)點(diǎn)，其可在較低的溫度條件下進(jìn)行涂敷，因此對(duì)基體耐熱性要求低，涂敷時(shí)刀刃強(qiáng)度韌性不降低，涂層較薄，涂層膜上產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力、耐破損性耐疲勞性也較好。按ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，切鋼用的刀片材料標(biāo)為P、不銹鋼為M、鑄鐵為K、有色金屬為N、耐熱鋼為S、高硬鋼為H。每種材料按其性能成分又分為01，10，20，30，40幾類。號(hào)碼越小則越硬，越大越韌。如切鋼用的刀片材料注為：P01，P10.....P40，其余類同。針對(duì)不同材料不同切削條件，應(yīng)用與不同代號(hào)相當(dāng)材料的刀片去加工。

涂層材料與斷屑槽的奇妙組合

本文先介紹三菱公司新開(kāi)發(fā)的高效率、高穩(wěn)定性車削鋼用的CVD涂層的MC6000系列刀片。其中包括適切硬度較高(相當(dāng)P10上下)的MC6015涂層;適切中等硬度鋼(相當(dāng)P20上下)通用性好，兼?zhèn)湟欢ㄓ捕群晚g性的MC6025涂層;適切斷續(xù)表面、韌性高的(相當(dāng)P30-P40)MC6035涂層刀片。

CVD涂層開(kāi)始只有單層的TiC，TiN等。后有了雙層，甚至多層。之后又出現(xiàn)了包含強(qiáng)韌厚膜，納米結(jié)構(gòu)的多層等。每層各有其相應(yīng)的功能。圖1是新開(kāi)發(fā)這種先進(jìn)系列中MC6015涂層結(jié)構(gòu)的剖面圖及各層主要功能。

圖1中可見(jiàn)其最外層是超平滑的涂層表面，粗糙度非常低，在1μ以內(nèi)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，能抗粘結(jié)，耐磨，能在加工過(guò)程中保持正常磨損，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切削，并能防止粘結(jié)引起崩刃等突發(fā)損傷。表層下面是Al2O3涂層，這一涂層出現(xiàn)的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)如圖2，3所示，它在低溫時(shí)硬度相對(duì)低，磨損大。在高溫時(shí)卻顯示硬度高，磨損相對(duì)比其他涂層少。圖3中顯示，高速切削產(chǎn)生高溫時(shí)，熱擴(kuò)散率降低，導(dǎo)熱變難，減少了熱傳量入刀體，使熱量大部分傳入切屑隨之排走，再加上Al2O3還具有優(yōu)異的抗粘結(jié)性能，因此是高速高效切削的理想涂層材料。

MC6000系列各涂層均有Al2O3層，沉積時(shí)又對(duì)它采用了最新的“厚膜納米結(jié)構(gòu)”和“晶體成長(zhǎng)控制技術(shù)”(圖4)，與以往相比，晶粒細(xì)化了，生長(zhǎng)又控制在一個(gè)方向，可同時(shí)提高硬度和韌性，并能與下面的TiCN涂層結(jié)合得更緊密(圖5)。Al2O3層下面的TiCN層也是納米結(jié)構(gòu)，沉積時(shí)控制使其結(jié)晶生長(zhǎng)形成強(qiáng)韌的纖維結(jié)構(gòu)(圖4)進(jìn)一步增強(qiáng)其耐破損能力，使在高速條件下，整體的耐磨耐破損性能進(jìn)一步得到提升。

MC6025，MC6035 和MC6015相比由圖6可知各層成分基本相同，但每層組織、結(jié)構(gòu)、厚度有所不同，MC6015的Al2O3膜層最厚，硬度最高，可用于切削較硬的鋼材。切削速度可達(dá)到300m/min，甚至350m/min 以上。MC6025，MC6035的硬度比MC6015低，韌性則要更高。MC6035的韌性最高，用它可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)斷續(xù)表面的高效穩(wěn)定加工。

如之前所提到，CVD涂層易生成拉伸殘余應(yīng)力，以往的產(chǎn)品加工時(shí)，拉伸應(yīng)力造成的龜裂，會(huì)直接延伸到涂層內(nèi)部，是造成破損的原因。但先進(jìn)MC6035的組織結(jié)構(gòu)可成功緩和拉伸應(yīng)力，分散斷續(xù)切削的沖擊，抑制破損(圖7)。通過(guò)對(duì)多種材料以不同切削速度、切深進(jìn)行的斷續(xù)切削實(shí)驗(yàn)，證明MC6035 的壽命遠(yuǎn)超過(guò)去的產(chǎn)品。另外本系列涂層刀片還研發(fā)了新的基體材料，新基體材料和涂層之間，特別注意使之形成均勻的強(qiáng)韌中間層，也可防止龜裂延伸，提高耐破損性。

車削刀片的性能也與其具體切削部分的幾何形狀的斷屑槽有關(guān)。目前斷屑槽結(jié)構(gòu)不僅是槽本身的形狀尺寸，也包括切除導(dǎo)入切屑的刀棱的角度正負(fù)、大小、寬度，以及形狀等。斷屑槽的功能不只是斷屑，也關(guān)系到實(shí)際生成切削力、切削熱的大小高低和加工質(zhì)量、加工效率、操作是否省力、操作者安全性，能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等多個(gè)方面。其設(shè)計(jì)除依據(jù)經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)，還依靠各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，以求得最佳的結(jié)構(gòu)形狀尺寸。

為確定一定范圍的切深和進(jìn)給量所適合的斷屑槽，MP6000系列精確設(shè)計(jì)并推薦了如下的斷屑槽。如適精加工(ap=0.1-1)的FP，F(xiàn)V斷屑槽。適輕切削(ap=0.2-2)的LP斷屑槽、SH，SV，SA，SW斷屑槽。其中SW帶修光刃可增大進(jìn)給量，也保證加工表面質(zhì)量。適中切削(ap=1-4左右)的M類斷屑槽和無(wú)代號(hào)斷屑槽(ap=1.5-5)，其中MW 是中切削的帶修光刃的斷屑槽。適合粗加工(ap=1.5-6)的RP斷屑槽?？傆?jì)十類斷屑槽。在樣本中具體指明了法后角為“零”的負(fù)角刀片和不等于“零”等于5º，7º的正角刀片的各種斷屑槽的剖面形狀。推薦使用的切削條件，寫明適合一般切削還是不穩(wěn)定的斷續(xù)切削。

正確選定了刀片材料和斷屑槽后，就可實(shí)現(xiàn)在該切削條件下，高效穩(wěn)定地車削鋼件。以上是本文的第一個(gè)研發(fā)完成的目標(biāo)。同時(shí)也可以看出，同一種涂層材料選擇不同的斷屑槽，就可以擴(kuò)大刀片的使用范圍。

可以 “ 開(kāi)天 ” 亦能 “ 辟地 ”

現(xiàn)實(shí)中許多工廠生產(chǎn)品種很多，數(shù)量不多，材料硬度各一，有的還有黑皮，工件表面有連續(xù)有斷續(xù)，有的要求精加工，有的要求半精加工粗加工……這都給刀片的采購(gòu)、備貨、管理帶來(lái)挑戰(zhàn)。

能否有一種通用的材料和斷屑槽呢?這是本文另一個(gè)研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，即刀片的通用性要廣。這樣就可以減少采購(gòu)，而在之前需要儲(chǔ)備許多各式各樣的刀片，造成管理不便，成本過(guò)高。

理想的刀片是材料和涂層的硬度和韌性都能達(dá)到最高，適應(yīng)任何切削條件的斷屑槽。這樣，只要準(zhǔn)備一種刀片，就什么都能加工了，那該多好!

但這似乎難以實(shí)現(xiàn)，盡管困難，人們還是不斷朝這個(gè)理想的方向努力。如對(duì)材料和涂層的微細(xì)化、納米化以及控制結(jié)晶方向等，既提高硬度耐磨性又提高了韌性耐破損性，這就是朝理想前進(jìn)了一大步。先進(jìn)的MC6000系列就比上一代產(chǎn)品通用性有很多擴(kuò)展， 例如MC6015材質(zhì)雖然硬，但綜合性能通過(guò)納米化等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)提高，再結(jié)合不同的斷屑槽，就擴(kuò)大了使用范圍。如當(dāng)它選用LP、SA類斷屑槽、MA 斷屑槽可在連續(xù)穩(wěn)定表面條件下， 分別進(jìn)行輕、中切削(ap=0.3-4)，選用無(wú)代號(hào)和RP斷屑槽可進(jìn)行輕斷續(xù)表面條件下的中、粗加工(ap=1.5-6)。但是還不夠，因韌性不足，無(wú)法進(jìn)行不穩(wěn)定重?cái)嗬m(xù)切削。若改用韌性高的MC6035，又無(wú)法兼顧到需要耐磨性高的應(yīng)用范圍。此外斷屑槽所備用的種類還較多，應(yīng)用尚不方便。

針對(duì)這些情況，再結(jié)合中國(guó)企業(yè)的現(xiàn)狀，通用性的擴(kuò)展再次被提上議程。為此三菱公司在之前的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了新的涂層UE6120(如圖8)，它所適應(yīng)的加工范圍要比MC6025系列的寬，韌性則要優(yōu)于MC6015，并被命名為“開(kāi)天”涂層刀片。

UE6120是在通用性較好的UE6020基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后推出的新產(chǎn)品。它的幾層涂層成分、組織、結(jié)構(gòu)大致與過(guò)去的系列相同，但各層厚度，具體的組織結(jié)構(gòu)有所不同，更強(qiáng)調(diào)了提高韌性，因此韌性耐破損性超過(guò)了以往。它只有3種斷屑槽;MA，無(wú)代號(hào)和GH(圖9)。故也便于選擇。僅用這一種材料，只要改變少數(shù)幾種斷屑槽，就可以進(jìn)行輕切削， 中切削， 粗加工。切削深度ap為0.3mm-6mm。不但可以切鋼、合金鋼，而且可以切削鑄鐵、不銹鋼等，加工材料的范圍也擴(kuò)大了。強(qiáng)斷續(xù)切削、中斷續(xù)切削，以及連續(xù)切削皆能勝任。根據(jù)零件表面斷續(xù)程度不同，切削速度也可從175m/min到305m/min。在圖9中，還可以見(jiàn)到各斷屑槽的結(jié)構(gòu)形狀和它們所適應(yīng)的進(jìn)給量f和切深ap范圍。

為測(cè)定UE6120刀片在強(qiáng)斷續(xù)切削，中等斷續(xù)切削的耐破損性能，用不同的進(jìn)給量(0.17-0.24mm/rev)，不同的沖擊次數(shù)(0-3000)進(jìn)行了試驗(yàn)，證明性能良好。又對(duì)S45C 鋼和SCM440 鉻鉬合金鋼進(jìn)行連續(xù)切削實(shí)驗(yàn)13-20分鐘，測(cè)定其后刀面磨損，磨損量均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)磨鈍高度。經(jīng)廣泛試切汽車工業(yè)中的多種零件，證明效果令人滿意。

對(duì)車削用刀片的高效穩(wěn)定性和通用性這兩個(gè)研發(fā)的方向，三菱公司緊抓不放， 在切鋼方面取得上述成績(jī)外， 在切削鑄鐵方面，又新推出了MC5005，MC5015高效穩(wěn)定刀片系列。由于應(yīng)用了專利的納米結(jié)構(gòu)和強(qiáng)固結(jié)合技術(shù)，其性能優(yōu)于較昂貴的陶瓷材料，切削速度可高達(dá)600m/min。

這兩種涂層材料分擔(dān)了連續(xù)和斷續(xù)切削，再配合不同斷屑槽效果更佳。在切削不銹鋼方面，又新推出了MP735通用刀片系列，它采用了新的高鋁技術(shù)，非但不會(huì)像一般技術(shù)因含鋁過(guò)多，造成涂層硬度等性能下降，反使之提高。雖僅備兩種斷屑槽，但可切削各類不銹鋼如奧氏體、鐵素體，馬氏體等，也可切削二相系和析出硬化系，可連續(xù)、也可斷續(xù)加工，可精加工，粗加工，還可以切除黑皮，通用性非常好，商業(yè)上被命名為“辟地”涂層刀片和UE6120系列的“開(kāi)天”涂層相對(duì)應(yīng)。這兩種研發(fā)方向及其實(shí)際成果給人們不少啟示，值得我們思考學(xué)習(xí)和應(yīng)用。