從20世紀80年代開始，由于數(shù)控機床的主軸、進給系統(tǒng)等功能部件設計制造技術的突破，數(shù)控機床的主軸轉速和進給速度均大幅度提高，在現(xiàn)代制造技術全面進步的推動下，切削加工技術開始進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)領域得到了大量應用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益，并正向其它應用領域拓展。

　　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械摩擦、粘結、化學磨損、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，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)的接觸疲勞或熱應力疲勞所致。當剝落很小時，被認為是磨損；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強度不夠也易發(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微粉與少量粘結相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高溫高壓下燒結而成。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)良的化學穩(wěn)定性和導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、粘結相等均會影響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和導熱性也越高；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作為粘結相時，PCBN有較好的韌性和導電性，采用陶瓷材料作為粘結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)生化學磨損，導致前刀面出現(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），可減小化學磨損速率，避免前刀面月牙洼磨損。

       一般認為，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化學元素與之發(fā)生粘結、親和而引起的，即其磨損機制主要包括：

       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族元素有較高化學惰性，但對其它元素并非如此，當條件適合時，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，將導致出現(xiàn)粘結磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當?shù)都鈪^(qū)溫度高達 1200℃左右時，局部CBN顆粒將呈現(xiàn)“半熔化”狀態(tài)，從而使粘結磨損大大加劇。

       ③摩擦磨損 工件與刀具之間的高速相對運動會使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)細小的CBN顆粒構成，顆粒之間呈晶界間的精細裂紋連接，且存在不均勻的內應力，因此當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點所產(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立存在、單獨作用，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中最高的硬度和導熱系數(shù)。近年來開發(fā)的多種采用化學機理研磨金剛石刀具的方法和保護氣氛釬焊金剛石技術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域得到廣泛應用。20世紀50年代實現(xiàn)了利用高溫高壓技術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的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材復合材料等。目前正在研究和開發(fā)的化學氣相沉積（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果為：PCD的焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質量居中，抗腐蝕性最差；CVD厚膜的抗腐蝕性最好，機械磨削性、刃口質量、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量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機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)生化學反應，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，應通過切削試驗來確定各相關因素對刀具磨損壽命的影響效應。

       淬硬鋼的高速切削加工

　　在相同切削條件下（切削進給量 0.1mm/r，切削深度0.2mm，刀具磨鈍標準VB=0.2mm）分別采用P10硬質合金刀具、陶瓷刀具和CBN刀具加工AISI 4340工件材料（硬度60HRC）時，硬質合金刀具的工作壽命最低，這是由于工件材料硬度很高，導致加工時的切削力和切削溫度較高，造成硬質合金刀具迅速磨損、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，當達到最大臨界值后則開始降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是當切削速度增加時，刀具粘結層厚度增加，形成一層保護膜，有利于減小刀具磨損，從而提高了刀具壽命；但當切削速度進一步提高時，刀具表面層將變軟，容易被工件材料中的硬質點磨耗掉，從而加劇了刀具磨損，造成刀具壽命迅速降低。