高速切削加工中刀具材料的選用

一、前言 

   20多年前，高速切削主要用于航空航天工業(yè)的鋁合金加工，隨著新型刀具材料的不斷涌現(xiàn)，人們開始從事普通鋼、鑄鐵、高強度鋼、高溫合金、鈦合金及復(fù)合材料等的高速切削研究工作，并不斷取得新的成果。 

   我國盡管還沒有自制的高速切削生產(chǎn)設(shè)備，但已有一部分企業(yè)進(jìn)口了相當(dāng)數(shù)量的高速切削加工設(shè)備，而大部分用戶都面臨缺乏高速切削資料的問題。本文就文獻(xiàn)中分散、零星的刀具材料選用作一詳細(xì)的總結(jié)，按被加工材料進(jìn)行分類闡述，以滿足不同用戶的需要。 

二、高速切削加工刀具材料選用 

1，鋁合金 

易切削鋁合金 

該材料在航空航天工業(yè)應(yīng)用較多，適用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在2000～4000m/min，進(jìn)給量在3～12m/min，刀具前角為12°～18°，后角為10°～18°，刃傾角可達(dá)25°。 

鑄鋁合金 

鑄鋁合金根據(jù)其Si含量的不同，選用的刀具也不同，對Si含量小于12%的鑄鋁合金可采用K10、Si3N4刀具，當(dāng)Si含量大于12%時，可采用PKD(人造金剛石)、PCD(聚晶金剛石)及CVD金剛石涂層刀具。對于Si含量達(dá)16%～18%的過硅鋁合金，最好采用PCD或CVD金剛石涂層刀具，其切削速度可在1100m/min，進(jìn)給量為0.125mm/r。 

2，鑄鐵 

對鑄件，切削速度大于350m/min時，稱為高速加工，切削速度對刀具的選用有較大影響。當(dāng)切削速度低于750m/min時，可選用涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷；切削速度在510～2000m/min時，可選用Si3N4陶瓷刀具；切削速度在2000～4500m/min時，可使用CBN刀具。 

鑄件的金相組織對高速切削刀具的選用有一定影響，加工以珠光體為主的鑄件在切削速度大于500m/min時，可使用CBN或Si3N4，當(dāng)以鐵素體為主時，由于擴散磨損的原因，使刀具磨損嚴(yán)重，不宜使用CBN，而應(yīng)采用陶瓷刀具。如粘結(jié)相為金屬Co，晶粒尺寸平均為3µm，CBN含量大于90%～95%的BZN6000在V=700m/min時，宜加工高鐵素體含量的灰鑄鐵。粘結(jié)相為陶瓷(AlN＋AlB2)、晶粒尺寸平均為10µm、CBN含量為90%～95%的Amborite刀片，在加工高珠光體含量的灰鑄鐵時，在切削速度小于1100m/min時，隨切削速度的增加，刀具壽命也增加。 

3，普通鋼 

切削速度對鋼的表面質(zhì)量有較大的影響，根據(jù)德國Darmstadt大學(xué)PTW所的研究，其最佳切削速度為500～800m/min。 

目前，涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷、CBN刀具均可作為高速切削鋼件的刀具材料。其中涂層硬質(zhì)合金可用切削液。用PVD涂層方法生產(chǎn)的TiN涂層刀具其耐磨性能比用CVD涂層法生產(chǎn)的涂層刀具要好，因為前者可很好地保持刃口形狀，使加工零件獲得較高的精度和表面質(zhì)量。 

金屬陶瓷刀具占日本刀具市場的30%，以TiC-Ni-Mo為基體的金屬陶瓷化學(xué)穩(wěn)定性好，但抗彎強度及導(dǎo)熱性差，適于切削速度在400～800m/min的小進(jìn)給量、小切深的精加工；Carboly公司用TiCN作為基體、結(jié)合劑中少鉬多鎢的金屬陶瓷將強度和耐磨兩者結(jié)合起來，Kyocera公司用TiN來增加金屬陶瓷的韌性，其加工鋼或鑄鐵的切深可達(dá)2～3mm。CBN可用于銑削含有微量或不含鐵素體組織的軸承鋼或淬硬鋼。 

4，高硬度鋼 

高硬度鋼(HRC40～70)的高速切削刀具可用金屬陶瓷、陶瓷、TiC涂層硬質(zhì)合金、PCBN等。 

金屬陶瓷可用基本成分為TiC添加TiN的金屬陶瓷，其硬度和斷裂韌性與硬質(zhì)合金大致相當(dāng)，而導(dǎo)熱系數(shù)不到硬質(zhì)合金的1/10，并具有優(yōu)異的耐氧化性、抗粘結(jié)性和耐磨性。另外其高溫下機械性能好，與鋼的親和力小，適合于中高速(在200m/min左右)的模具鋼SKD加工。金屬陶瓷尤其適合于切槽加工。 

采用陶瓷刀具可切削硬度達(dá)HRC63的工件材料，如進(jìn)行工件淬火后再切削，實現(xiàn)“以切代磨”。切削淬火硬度達(dá)HRC48～58的45鋼時，切削速度可取150～180m/min，進(jìn)給量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm。粒度在1µm，TiC含量在20%～30%的Al2O3-TiC陶瓷刀具，在切削速度為100m/min左右時，可用于加工具有較高抗剝落性能的高硬度鋼。 

當(dāng)切削速度高于1000m/min時，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90%的PCBN刀具適合加工淬硬工具鋼(如HRC55的H13工具鋼)。 

5，高溫鎳基合金 

Inconel 718鎳基合金是典型的難加工材料，具有較高的高溫強度、動態(tài)剪切強度，熱擴散系數(shù)較小，切削時易產(chǎn)生加工硬化，這將導(dǎo)致刀具切削區(qū)溫度高、磨損速度加快。高速切削該合金時，主要使用陶瓷和CBN刀具。 

碳化硅晶須增強氧化鋁陶瓷在100～300m/min時可獲得較長的刀具壽命，切削速度高于500m/min時，添加TiC氧化鋁陶瓷刀具磨損較小，而在100～300m/min時其缺口磨損較大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel 718合金的加工。 

加拿大學(xué)者M(jìn).A.Elbestawi認(rèn)為，SiC晶須增強陶瓷加工Inconel 718的最佳切削條件為：切削速度700m/min，切深為1～2mm，進(jìn)給量為0.1～0.18mm/z。 

氮氧化硅鋁(Sialon)陶瓷韌性很高，適合于切削過固溶處理的Inconel 718(HRC45)合金，Al2O3-SiC晶須增強陶瓷適合于加工硬度低的鎳基合金。 

6，鈦合金(Ti6Al6V2Sn) 

鈦合金強度、沖擊韌性大，硬度稍低于Inconel 718，但其加工硬化非常嚴(yán)重，故在切削加工時出現(xiàn)溫度高、刀具磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。日本學(xué)者T.Kitagawa等經(jīng)過大量實驗得出，用直徑��10mm的硬質(zhì)合金K10兩刃螺旋銑刀(螺旋角為30°)高速銑削鈦合金，可達(dá)到滿意的刀具壽命，切削速度可高達(dá)628m/min，每齒進(jìn)給量可取0.06～0.12mm/z，連續(xù)高速車削鈦合金的切削速度不宜超過200m/min。 

7，復(fù)合材料 

航天用的先進(jìn)復(fù)合材料(如Kevlar和石墨類復(fù)合材料)，以往用硬質(zhì)合金和PCD，硬質(zhì)合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高溫下PCD刀片與硬質(zhì)合金或高速鋼刀體焊接處熔化，用陶瓷刀具則可實現(xiàn)300m/min左右的高速切削。 

三、干切削用刀具 

   使用于干切削工藝的刀具材料有：陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金及PCBN，就紅硬性和熱穩(wěn)定性來說，PCBN材料是最適合高速干切工藝的刀具材料，能獲得比濕切削更高的刀具壽命。