高速切削刀具材料的開發(fā)與選擇

1 高速切削刀具材料的開發(fā)

1.1 高速鋼刀具

    適合高速加工的高速鋼主要有：(1)高釩高速鋼W12Cr4v4Mo； (2)高鈷高速鋼W2Mo9C14VCo8； (3)高鋁高速鋼W6Mo5C14V2Al和WlOM04Cr4V3Al。切削加工鈦合金時(shí)，選用W2Mo9C14VCo8材料時(shí)的刀具切削壽命要比選月W6Mo5C14v2Al、W10Mo4c14V3Al和W12Cr4V4Mo的刀具切削壽命要長，這主要因?yàn)樵�素Co能增加高速鋼的高溫硬度和耐磨性.同時(shí)改善它的導(dǎo)熱性。但是由于高速鋼刀具的硬度比較低，紅硬性比較差，導(dǎo)熱系數(shù)在16.75—25.1W/(m·K)之間，僅為鎢鈷類硬質(zhì)合金的1/4左右。此外高速鋼中的C、W、V等元素會與加工物在高溫下發(fā)生擴(kuò)散溶解甚至與加工物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以，高速鋼刀具切削高硬度產(chǎn)品一鈦合金的速度比較低，一般在30 m/min以下，同時(shí)刀具的使用壽命比較短。

1.2 陶瓷刀具

    現(xiàn)代陶瓷刀具材料大多數(shù)為復(fù)合陶瓷。陶瓷刀具材料的品種、牌號很多，按其主要成分大致可分為氧化鋁系和氮化硅系，其具有高速切削所需的物理機(jī)械性能。陶瓷刀具具有很高的硬度與耐磨性，一般硬質(zhì)鋼刀具的硬度在90～93HRA，而陶瓷刀具的常溫硬度達(dá)92～95HRA。由于其硬度高，所以耐磨性有較大提高，刀具耐用度比硬質(zhì)合金高幾倍。同時(shí)它擁有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，其抗氧化溫度為1750℃，而硬質(zhì)合金為800℃，高速鋼僅為550℃。還具有抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，陶瓷的抗彎強(qiáng)度一般為900～1000 MPa，Al2O3基陶瓷抗彎強(qiáng)度為1000～1200 MPa，Si3N4基陶瓷不僅強(qiáng)度高.而且強(qiáng)度的可靠性大。疲勞強(qiáng)度也高，可以獲得相當(dāng)穩(wěn)定的使用壽命。Si3N4基陶瓷有良好的斷裂韌性，高速切削時(shí)不易產(chǎn)生裂紋。它與金屬的親和力極小。即使在熔化溫度下與鋼也不相互反應(yīng)，具有良好的抗粘結(jié)、擴(kuò)散、氧化磨損能力；有較低的摩擦系數(shù)，可得到良好的表面粗糙度。陶瓷刀具在高速切削領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，在高速切削加工中占據(jù)了舉足輕重的地位，其發(fā)展空間非常大。隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用，必將促進(jìn)高效機(jī)床及高速切削技術(shù)的發(fā)展，而高效機(jī)床及高速切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用，又進(jìn)一步推動陶瓷刀具的使用。

1.3 涂層刀具

    刀具涂層技術(shù)自從問世以來，對刀具性能的改善和加工技術(shù)的進(jìn)步起著非常重要的作用，涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志.在刀具中的比例已超過50%。涂層刀具是在韌性較好刀體上，涂覆一層或多層耐磨性好的難熔化合物，它將刀具基體與硬質(zhì)涂層相結(jié)合，從而使刀具性能大大提高。涂層刀具是在具有高強(qiáng)度和韌性的基體材料上涂上一層耐高溫、耐磨損的材料。涂層材料及基體材料之間要求粘結(jié)牢固、不易脫落。涂層刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本。根據(jù)涂層方法不同，涂層刀具可分為化學(xué)。

氣相沉積(CVD)涂層刀具和物理氣相沉積(PVD)涂層刀具。涂層硬質(zhì)合金刀具一般采用化學(xué)氣相沉積法，沉積溫度在1000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法，沉積溫度在500℃左右；根據(jù)涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質(zhì)合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具等。在21世紀(jì)初，涂層刀具的比例將進(jìn)一步增加，有望在技術(shù)上進(jìn)一步突破涂層技術(shù)，這將全面提高加工黑色金屬的切削水平。此外，納米級超薄超多層和新型涂層材料的開發(fā)應(yīng)用的速度將加快，涂層將成為改善刀具性能的主要途徑。

1.4 超硬刀具 

    比陶瓷材料更硬的超硬刀具材料包括單晶金剛石、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金剛石等。金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達(dá)10000HV.是刀具材料中最硬的材料。同時(shí)它的摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導(dǎo)率高，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好。能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、末燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材。PCBN是用聚晶立方氮化硼粉末摻入金屬或陶瓷結(jié)合劑(如鋁、氧化鋁、碳化鈦或氮化鈦)，經(jīng)燒結(jié)合成再制成金屬切削刀具。PCBN材料包括整體PCBN刀片、硬質(zhì)合金承托的、全前面PCBN刀片和焊有各種PCBN刀尖的硬質(zhì)合金刀片。PCBN刀片切削高合金鑄鐵較陶瓷刀具可提高生產(chǎn)效率5倍以上。我國超硬刀具材料的研究與應(yīng)用開始于70年代，并于1970年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產(chǎn)廠第六砂輪廠，至2006年我國人造金剛石年產(chǎn)量就已達(dá)到15億克拉左右，躍居世界上超硬材料生產(chǎn)大國之首。

2 高速切削刀具材料的選擇

2.1 合理確定切削用量

    刀具材料確定后.切削用量選擇得是否合理直接影響加工效果，切削用量中的切削速度對刀具耐用度影響最大，進(jìn)給量影響次之，切削深度影響最小。因此在合理選擇切削用量以提高生產(chǎn)率時(shí)，在加工性質(zhì)已定的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量選擇大的切削深度，然后根據(jù)加工條件和要求選取允許最大的進(jìn)給量，最后在刀具耐用度和機(jī)床功率限制的條件下，選擇的最大的切削速度，而不應(yīng)當(dāng)不加分析地先確定切削速度，因此在實(shí)際工作中.應(yīng)當(dāng)按不同切削深度和進(jìn)給量的組合去選擇切削速度.進(jìn)而確定主軸轉(zhuǎn)數(shù)。

2.2 匹配加工對象的化學(xué)性能

    刀具切削加工時(shí)的損壞與所加工的工件材料和切削條件密切相關(guān)，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時(shí)，占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制有所不同。材料與加工對象的化學(xué)性能匹配問題主要是指刀具材料與工件材料化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散和溶解等化學(xué)性能參數(shù)要相匹配。具有不同組分的刀具所適合加工的工件材料有所不同，各種刀具材料抗粘結(jié)溫度高低為：超硬>陶瓷>涂層>鋼。各種刀具材料抗氧化溫度高低為：陶瓷>PCBN>硬質(zhì)合金>金剛石。

2.3 注重刀具壽命

    刀具壽命與刀具選擇有密切關(guān)系。在選擇刀具時(shí)，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時(shí)最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定。選擇刀具壽命時(shí)可考慮如下幾點(diǎn)根據(jù)刀具復(fù)雜程度，制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí)間短，為了充分發(fā)揮其切削性能.提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取15～30min。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動化加工刀具。刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。比如車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個(gè)車間的生產(chǎn)率的提高時(shí)，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時(shí)間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支較大時(shí)。刀具壽命也應(yīng)選得低些。

    總之，高速切削技術(shù)已成為切削加工的主流，加快其推廣應(yīng)用，將會創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)教益。近幾年的研究和開發(fā)成果中有關(guān)高速切削刀具用新材料有13項(xiàng)，關(guān)于新材料的應(yīng)用研究成果有9項(xiàng)。它們相互配合，彼此競爭，推動高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。國內(nèi)在這方面也有一定基礎(chǔ)，取得很大進(jìn)步，特別是我國的陶瓷刀具占有突出優(yōu)勢。這也是我國最有前景的研究領(lǐng)域。此外，對現(xiàn)有的研究成果還要加強(qiáng)推廣。

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