PVD涂层刀具切削天然砂岩失效机理分析

祝皓益，赵德宏，闫广宇

（沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168）

0 引言

目前加工石材通常使用的是金刚石烧结刀具，但使用烧结刀具很难保证其加工精度，所以无法应用于精加工，能应用于精加工的电镀刀具又由于磨损过快不宜广泛使用，因此使用涂层刀具加工石材较为合适[1]。采用物理气相沉积（PVD）方法获得的涂层刀具有高强度、耐磨、耐腐蚀等优点，可以达到提高加工效率、加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本的目的。所以对于加工砂岩等天然石材这种难切削材料，使用PVD涂层刀具是比较合适的。如今我国对涂层刀具在金属领域的应用研究较为广泛，但在石材领域研究较少。本文通过研究PVD涂层刀具切削天然砂岩失效机理来为后来研究者提供一种研究方法，同时为涂层刀具切削成分类似的石材提供一种参考，强调了研究刀具失效机理的重要性而不是采用实际加工中的普遍经验论为判定刀具失效的方法。

1 试验部分

1.1 试验材料

切削加工设备采用DMU50五轴万能铣床；粗糙度检测装置：Tay-lor-Hobson粗糙度测试仪；扫描电子显微镜：德国蔡司显微镜；切削力测量设备：Kistler；试验刀具：R3.0×50L，数控球头涂层铣刀；试验工件：天然砂岩，长×宽×高为（200×150×25）mm，砂岩的具体成分见表 1。

1.2 试验方案

表1 天然砂岩成分Tab.1 Composition of natural sandstone

试验研究PVD涂层刀具切削砂岩时，在累计固定切削量的条件下，采取三个切削参数的正交试验，切削参数为主轴转速、进给速度、切削深度。试验参数均为试验现场加工生产中的适用参数范围，16组试验在干切削条件下分别测量切削力和刀具磨损量，见表2。采用网格分析方法对刀具磨损区域进行网格划分（1×1μm网格）[2]，磨损区域网格数量代表刀具磨损面积。

表2 试验方案安排与结果Tab.2 Arrangement and results of test plans

2 试验结果分析

涂层刀具的切削性能受切削力影响很大，目前在研究切削力时一般会三个方向研究，即 Fx、Fy、Fz[3]，其中 y 是刀具的进给方向。图1为切削参数对切削力大小影响的折线图，由图1可知切削力随着主轴转速增大而减小，但减小效果并不是很明显甚至有些区间有增大趋势，这说明主轴转速对于切削力的影响不占主导地位。在图2中可知在切削深度大于1mm的时候切削力有着明显的增大且Fz最为明显，这是由于当切削深度增加的时候，刀具与工件的接触弧长也随着增加，进而切削面积变大，所以切削力有明显的增大。由图3可以发现随着进给速度增大，切削力跟着增大并且在进给速度大于750mm·min-1出现一个较为明显的突变，这是因为刀具承受很大的冲击，并且转化成了切削力。

3 磨损特性分析

通过观察扫描电子显微镜可知，PVD涂层刀具切削砂岩的磨损特性主要包括：刀具表面的机械磨损（硬质点磨损）、粘结磨损等。

图1 主轴转速与切削力折线Fig.1 Spindle speed and cutting force folding line

图2 切削深度与切削力折线Fig.2 Cutting depth and cutting force folding

图3 进给速度与切削力折线Fig.3 Feed speed and cutting force folding

（1）刀具表面的机械磨损（硬质点磨损）。在图4中，切削速度Vc=πDN/1000为 94.2m/min，进给速度 Vf为 750mm/min，切削深度ap为0.5mm的刀具涂层已出现剥落的现象。这是因为在切削时，部分砂岩颗粒会出现凸起的现象，容易破坏刀具涂层，随着切削的进行涂层表面就会出现剥落，涂层剥落露出的刀具基体与石英颗粒一起发生机械去除，即硬质点磨损。在图5中切削速度Vc是169.56m/min，进给速度Vf为1750mm/min，切削深度ap为2.0mm的参数条件下，涂层刀具发生明显的划擦和崩刃。当冲击力超过一定数值时，PVD涂层出现明显的大面积剥落，随着刀具的继续切削进给，会出现很多石英颗粒的凸起和位移，加剧刀具基体的磨损导致刀具表面的崩刃。

图4 刀具涂层剥落Fig.4 Tool coat peeling

图5 刀具崩刃Fig.5 Knife blade

（2）粘结磨损。在高温条件下，砂岩粉末（特别是砂岩中的针铁矿）氧化粘结在刀具表面，大大降低了刀具涂层的完整性。尤其是被刀具切削过的新鲜的工件表面与刀具表面接触到原子间距离时所产生的粘结现象，刀具材料上的晶粒受到切削力，当接触面、压力和温度达到一定程度时，就会产生冷焊现象，各个粘结点之间会相对运动，晶粒之间会有力的作用，粘结点的破裂多发生在硬度较低的一方（一般多发生在工件材料上）[4]，进而转化为对刀具表面的应力，破坏刀具切削性能，造成刀具的损坏，增加刀具磨损。

4 失效机理分析

砂岩颗粒主要是由大量的石英和少量的金属氧化物组成的，由于两种成分不仅含量有明显不同而且所具备的物理性质和化学性质差别也很大，石英颗粒坚硬耐磨，金属氧化物（针铁矿）较软，脆性大，所以在切削过程中石英会受较大的应力而针铁矿会受较大应变[4]，由于受应力与应变的不同当针铁矿发生塑形变形时石英颗粒就易发生脱落与破损。石英颗粒的破损会导致石英颗粒的大小、形状出现不规则的现象，较大颗粒的突起会破坏刀具的涂层，使其出现裂痕。

当PVD刀具的刀刃遇到脱落和破碎的石英颗粒和石英颗粒与针铁矿的粘合物时，刀刃的切削力就会转化为颗粒间的集中应力，如果达到了颗粒间的粘结力，颗粒就会随着刀刃的运动而不断脱落。同时切削刃与针铁矿接触会产生弹性形变，容易在刀刃切入口处产生裂痕，当裂痕宽度不断扩大并接近切削厚度时，便易于产生针铁矿颗粒[6]。当切削刃与砂岩颗粒接触时，产生的应力在达到石英颗粒与针铁矿间的粘结力时若还没达到颗粒自身的剪切力时，颗粒会在没有切断的情况下就会从待加工表面脱落下来。当颗粒的密度较大时，颗粒与颗粒之间的空隙就会变小甚至达到没有空隙的程度，靠在一起的颗粒由于剪切应力会增大颗粒之间的压力，在刀具高速运转的情况下，颗粒之间变大的压应力对于刀刃和颗粒的影响都非常大，颗粒在受到剪切应力和压应力作用时，会使得颗粒的断裂面比开始切削时粗糙得多，同时由于连续切削，刀刃处的应力会长时间集中，容易导致出现崩刃的现象，随着切削的进行会不断加剧刀具表面的划擦和崩刃，进而导致涂层的脱离和PVD涂层刀具的失效。

5 结论

PVD涂层刀具切削天然砂岩的磨损机理主要由刀具表面的机械磨损（硬质点磨损）、粘结磨损两方面组成，一直存在的是刀具表面的机械磨损（硬质点磨损），当切削温度达到一定值时会出现氧化物与刀具粘结造成磨损。失效机理是凸起石英颗粒会破坏刀具涂层，而随着切削的进行颗粒的密度会逐渐增大，颗粒与颗粒之间的空隙就会变小甚至达到没有空隙的程度，靠在一起的颗粒由于剪切应力会增大颗粒之间的压力，从而导致刀具出现崩刃现象，最终导致刀具失效。