從20世紀(jì)80年代開始，由于數(shù)控機(jī)床的主軸、進(jìn)給系統(tǒng)等功能部件設(shè)計制造技術(shù)的突破，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度均大幅度提高，在現(xiàn)代制造技術(shù)全面進(jìn)步的推動下，切削加工技術(shù)開始進(jìn)入高速切削的新階段。目前，高速切削已在模具、航空、汽車等制造業(yè)領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并正向其它應(yīng)用領(lǐng)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(jī)械摩擦、粘結(jié)、化學(xué)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(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性以及抗涂層破裂性能等。 
      
       高速切削刀具的磨損形態(tài)

　　高速切削時，刀具的主要磨損形態(tài)為后刀面磨損、微崩刃、邊界磨損、片狀剝落、前刀面月牙洼磨損、塑性變形等。

　　后刀面磨損是高速切削刀具最經(jīng)常發(fā)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，在高速切削時常采用后刀面上均勻磨損區(qū)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(chǎn)生的微小缺口，常發(fā)生在斷續(xù)高速切削時，通過選用韌性好的刀具材料、減小進(jìn)給量、改變刀具主偏角以增加穩(wěn)定性等措施，均可減小微崩刃的發(fā)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(nèi)，刀具仍可繼續(xù)切削。

　　邊界磨損發(fā)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。高速切削不銹鋼、高溫合金（如Inconel 718）時刀具容易發(fā)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(fā)生邊界磨損。

　　片狀剝落多發(fā)生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀—屑或刀—工接觸區(qū)的接觸疲勞或熱應(yīng)力疲勞所致。當(dāng)剝落很小時，被認(rèn)為是磨損；但在很多情況下，由于疲勞裂紋源距刀具表面具有一定深度，裂紋擴(kuò)展后所形成的剝落塊往往大于刀具的磨損限度，一旦發(fā)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(jīng)常出現(xiàn)貝殼狀剝落；涂層刀具因涂層材料與基體材料粘結(jié)強(qiáng)度不夠也易發(fā)生剝落。

　　前刀面月牙洼磨損最常出現(xiàn)在塑性金屬的高速切削加工中。塑性變形多發(fā)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(fā)生塑性變形現(xiàn)象。

       高速切削刀具的磨損機(jī)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，后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(chǎn)生的熱量更多向刀具傳遞，因此其磨損機(jī)理與普通切削有很大區(qū)別。

        (1) 立方氮化硼（CBN）是氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼（PCBN）則是由CBN微粉與少量粘結(jié)相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高溫高壓下燒結(jié)而成。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列狀態(tài)，因此PCBN硬度均勻，無方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，并有很高的硬度和耐熱性（1300～1500℃）、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性以及低摩擦系數(shù)，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(jié)相等均會影響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和導(dǎo)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；采用金屬材料Co、Ni作為粘結(jié)相時，PCBN有較好的韌性和導(dǎo)電性，采用陶瓷材料作為粘結(jié)相時則具有較好的熱穩(wěn)定性。

       PCBN 刀具高速切削鑄鐵時主要發(fā)生化學(xué)磨損，導(dǎo)致前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損。試驗證明，通過改變CBN含量和刀具幾何參數(shù)，以降低切削溫度和減小刀—屑接觸長度（時間），可減小化學(xué)磨損速率，避免前刀面月牙洼磨損。

       一般認(rèn)為，CBN刀具的磨損是由于切削過程中的高溫、高壓、切屑與前刀面間的摩擦以及工件材料中有關(guān)化學(xué)元素與之發(fā)生粘結(jié)、親和而引起的，即其磨損機(jī)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(dá)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(qū)產(chǎn)生氧化、放氮甚至相變。而CBN刀具一經(jīng)氧化和相變即會喪失其切削能力。

        ②粘結(jié)磨損 在一定壓力和高溫條件下，刀尖與被加工材料接觸區(qū)隨著切屑不斷流出，雙方均不斷裸露出新的表面。盡管CBN對Fe族元素有較高化學(xué)惰性，但對其它元素并非如此，當(dāng)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(dǎo)致出現(xiàn)粘結(jié)磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當(dāng)?shù)都鈪^(qū)溫度高達(dá) 1200℃左右時，局部CBN顆粒將呈現(xiàn)“半熔化”狀態(tài)，從而使粘結(jié)磨損大大加劇。

       ③摩擦磨損 工件與刀具之間的高速相對運(yùn)動會使CBN刀具發(fā)生摩擦磨損。

       ④顆粒剝落與微崩刃。由于CBN刀具是由無數(shù)細(xì)小的CBN顆粒構(gòu)成，顆粒之間呈晶界間的精細(xì)裂紋連接，且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，因此當(dāng)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(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的微沖擊而造成CBN顆粒脫落或產(chǎn)生微崩刃。

　　造成CBN刀具磨損的上述多種因素并非只是獨(dú)立存在、單獨(dú)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(jié)磨損，并出現(xiàn)摩擦磨損、剝落磨損和微崩磨損。

     （2）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(zhì)中最高的硬度和導(dǎo)熱系數(shù)。近年來開發(fā)的多種采用化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣氛釬焊金剛石技術(shù)使天然金剛石刀具的制造變得相對容易，從而使天然金剛石刀具在超精密鏡面切削領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代實(shí)現(xiàn)了利用高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石粉后，70年代制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(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。PCD刀具具有高硬度（8000～12000HV）、高導(dǎo)熱性、低熱脹系數(shù)、高彈性模量和低摩擦系數(shù)，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(qiáng)的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。目前正在研究和開發(fā)的化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石主要有兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30μm的薄層膜（CVD薄膜）；另一種是沉積厚度達(dá)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(jié)果為：PCD的焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差；CVD厚膜的抗腐蝕性最好，機(jī)械磨削性、刃口質(zhì)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(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機(jī)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(jī)理主要是由于碳與鐵具有較大親和作用，尤其在高溫下金剛石易與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此它不適于切削鋼鐵及其合金材料。

       高速切削刀具的磨損壽命

　　高速切削時，應(yīng)根據(jù)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(guī)律與具體切削條件有關(guān)，應(yīng)通過切削試驗來確定各相關(guān)因素對刀具磨損壽命的影響效應(yīng)。

       淬硬鋼的高速切削加工

　　在相同切削條件下（切削進(jìn)給量 0.1mm/r，切削深度0.2mm，刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB=0.2mm）分別采用P10硬質(zhì)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(zhì)合金刀具的工作壽命最低，這是由于工件材料硬度很高，導(dǎo)致加工時的切削力和切削溫度較高，造成硬質(zhì)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(dāng)達(dá)到最大臨界值后則開始降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)切削速度增加時，刀具粘結(jié)層厚度增加，形成一層保護(hù)膜，有利于減小刀具磨損，從而提高了刀具壽命；但當(dāng)切削速度進(jìn)一步提高時，刀具表面層將變軟，容易被工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)磨耗掉，從而加劇了刀具磨損，造成刀具壽命迅速降低。