鋁活塞加工刀具材料的合理選用

    刀具材料性能的優(yōu)劣是影響加工表面質(zhì)量、切削加工效率、刀具壽命的基本因素。切削加工時(shí)，直接擔(dān)負(fù)切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好壞大多取決于構(gòu)成刀具切削部分的材料、切削部分的幾何參數(shù)及刀具結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)是否合理。切削加工生產(chǎn)率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等，在很大程度上都取決于刀具材料的合理選擇。正確選擇刀具材料是設(shè)計(jì)和選用刀具的重要內(nèi)容之一。

    每一品種刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適用于一定的工件材料和切削速度范圍。不同的刀具材料和同種刀具加工不同的工件材料時(shí)刀具壽命往往存在很大的差別，例如：加工鋁活塞時(shí)，金剛石刀具的壽命是YG類硬質(zhì)合金刀具壽命的幾倍到幾十倍；YG類硬質(zhì)合金刀具加工含硅量高、中、低的鋁合金時(shí)其壽命也有很大的差別。所以，合理選用刀具是成功進(jìn)行切削加工的關(guān)鍵。每一種刀具材料都有其最佳的加工對(duì)象，即存在切削刀具與加工對(duì)象的合理匹配問題。

1 刀具材料應(yīng)具備的性能

1.1 高的硬度和耐磨性

    硬度是刀具材料應(yīng)具備的基本特性。刀具要從工件上切下切屑，其硬度必須比工件材料的硬度大。切削金屬所用刀具的切削刃硬度，一般都在60HRC以上。

    耐磨性是材料抵抗磨損的能力。一般來說，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。組織中的硬質(zhì)點(diǎn)(碳化物、氮化物等)的硬度越高，數(shù)量越多，顆粒越小，分布越均勻，則耐磨性越好。耐磨性還與材料的化學(xué)成分、強(qiáng)度、顯微組織及摩擦區(qū)的溫度有關(guān)�？捎霉�式表示材料的耐磨性WR：

WR=KIC0.5E-0.8H1.43

式中：H——材料硬度(GPa)。硬度愈高，耐磨性愈好。

KIC——材料的斷裂韌性(MPa·m½)。KIC愈大，則材料受應(yīng)力引起的斷裂愈小，耐磨性愈好。

E——材料的彈性模量(GPa)。E很小時(shí)，由于磨粒引起的顯微應(yīng)變，有助于產(chǎn)生較低的應(yīng)力，耐磨性提高。

1.2 足夠的強(qiáng)度和韌性

    要使刀具在承受很大壓力，以及在切削過程經(jīng)常出現(xiàn)的沖擊和振動(dòng)條件下工作，而不產(chǎn)生崩刃和折斷，刀具材料就必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性。

1.3 高的耐熱性(熱穩(wěn)定性)

    耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要標(biāo)志。它是指刀具材料在高溫條件下保持一定的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的性能。

    刀具材料還應(yīng)具有在高溫下抗氧化的能力以及良好的抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力，即刀具材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

1.4 良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能

    刀具材料的導(dǎo)熱性愈好，切削熱愈容易從切削區(qū)散走，有利于降低切削溫度。

    刀具在斷續(xù)切削或使用切削液時(shí)，常常受到很大的熱沖擊(溫度變化劇烈)，因而刀具內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致斷裂。刀具材料抵抗熱沖擊的能力可用耐熱沖擊系數(shù)R表示，R的定義是為：

R=λσb(1-µ)/Eα

式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

σb——抗拉強(qiáng)度；

µ——泊松比；

E——彈性模量；

α——熱膨脹系數(shù)。

    導(dǎo)熱系數(shù)大，使熱量容易散走，降低刀具表面的溫度梯度；熱膨脹系數(shù)小，可減少熱變形；彈性模量小，可以降低因熱變形而產(chǎn)生的交變應(yīng)力的幅度；有利于材料耐熱沖擊性能的提高。

    耐熱沖擊性能好的刀具材料，在切削加工時(shí)可以使用切削液。

1.5 良好的工藝性能

    為了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的工藝性能，如鍛造性能、熱處理性能、高溫塑性變形性能、磨削加工性能等。

1.6 經(jīng)濟(jì)性

    經(jīng)濟(jì)性是刀具材料的重要指標(biāo)之一，優(yōu)質(zhì)刀具材料雖然單件刀具成本很高，但因其使用壽命長(zhǎng)，分?jǐn)偟矫總�(gè)零件的成本則不一定很高。因此在選用刀具材料時(shí)要綜合考慮其經(jīng)濟(jì)效果。

2 刀具材料

2.1 高速鋼

    高速鋼是一種加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性，并且具有一定的硬度和耐磨性。適合各類刀具的要求。高速鋼刀具制造工藝簡(jiǎn)單，容易磨成鋒利切削刃，因此盡管各種新型刀具材料不斷出現(xiàn)，高速鋼刀具在金屬切削中仍占較大的比例�？梢约庸び猩�金屬和高溫合金。由于高速鋼具有以上性能，活塞加工中的銑澆冒口、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀、鉆油孔用鉆頭等刀具都為高速鋼材料。

2.2 硬質(zhì)合金

    硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金屬粘結(jié)劑(如Co、Ni等)粉末經(jīng)粉末冶金的方法制成。

    由于硬質(zhì)合金中都含有大量的金屬碳化物，這些碳化物都有熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定好、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此，硬質(zhì)合金材料的硬度、耐磨性、耐熱性都很高。常用硬質(zhì)合金的硬度為89～93HRA，比高速鋼的硬度(83～86.6HRA)高，在800～1000℃時(shí)尚能進(jìn)行切削。在540℃時(shí)，硬質(zhì)合金的硬度為82～87HRA，在760℃時(shí)，硬度仍能保持77～85HRA。因此，硬質(zhì)合金的切削性能比高速鋼高得多，刀具耐用度可提高幾倍到幾十倍，在耐用度相同時(shí)，切削速度可提高4～10倍。

    目前我公司使用的硬質(zhì)合金刀具主要是YG類(WC-TiC-Co)中的YG6和YGX。YT類(WC-TiC-Co)中的YT15等硬質(zhì)合金用于活塞粗加工、半精加工和部分精加工工序。

2.3 金剛石

    金剛石是目前已知礦物材料中硬度最高、熱傳導(dǎo)性最好的物質(zhì)，與各種金屬、非金屬材料配對(duì)摩擦的磨損量?jī)H為硬質(zhì)合金的1/50～1/800，是制作切削刀具最理想的材料。然而，天然單晶金剛石僅用于制作首飾及某些有色金屬的超精密加工。刀具用人造大顆粒單晶金剛石盡管目前De Beers公司、住友電工等均已工業(yè)化生產(chǎn)，但還沒有進(jìn)入大量應(yīng)用階段。

    金剛石刀具的切削刃非常鋒利(這對(duì)切下極小斷面的切屑是很重要的)，刃部粗糙度很小，摩擦系數(shù)又低，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量高。加工有色金屬時(shí)，表面粗糙度可達(dá)到Ra0.012µm，加工精度可達(dá)到IT5級(jí)以上。

    金剛石刀具有三種：天然單晶金剛石刀具、整體人造聚晶金剛石刀具、金剛石復(fù)合刀具。天然金剛石刀具由于成本較高等原因，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少。人造金剛石是通過合金觸媒的作用，在高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成。金剛石復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上經(jīng)過高溫、高壓等先進(jìn)工藝燒結(jié)一層約0.5～1µm厚的金剛石，這種材料是以硬質(zhì)合金做基體，其機(jī)械性能、熱傳導(dǎo)性和膨脹系數(shù)都近似于硬質(zhì)合金，基體上的人造多晶金剛石磨料中的金剛石晶體呈不規(guī)則排列，其硬度和耐磨性在各個(gè)方向都是均勻的。

    聚晶金剛石(簡(jiǎn)稱PCD)是由經(jīng)過篩選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過程中，由于添加劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等為主要成分的結(jié)合橋。金剛石晶體以共價(jià)鍵的結(jié)合形成牢固地嵌于結(jié)構(gòu)橋構(gòu)成的堅(jiān)強(qiáng)骨架中，使PCD的強(qiáng)度和韌性都大大提高，其硬度約為9000HV，抗彎強(qiáng)度為O.21～0.48GPa，導(dǎo)熱系數(shù)為20.9J/cm·sµ℃，熱膨脹系數(shù)為3.1×10-6/℃�，F(xiàn)在使用的聚晶金剛石刀具大多是PCD與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)形成的復(fù)合體，即在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)上一層PCD。PCD的厚度一般為0.5mm和0.8mm，由于底層為硬質(zhì)合金，焊接方便；又由于PCD結(jié)合橋的導(dǎo)電性，使得PCD便于切割加工成各種形狀，制成各種刀具，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然金剛石。

    聚晶金剛石(PCD)可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金，硬質(zhì)合金，纖維增強(qiáng)塑料，金屬基復(fù)合材料，木材復(fù)合材料等。PCD刀具材料中金剛石晶粒平均尺寸不同，對(duì)性能產(chǎn)生的影響也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，則刃口質(zhì)量越好。選用晶粒尺寸為10～25µm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的硅鋁合金，晶粒尺寸8～9µm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金。超精密加工，則應(yīng)選用晶粒尺寸小的PCD刀具。PCD的耐磨性在超過700℃時(shí)會(huì)減弱，因其結(jié)構(gòu)中含有金屬Co，會(huì)促進(jìn)“逆向反應(yīng)”即由金剛石向石墨轉(zhuǎn)變。PCD有較好的斷裂韌性，可以進(jìn)行斷續(xù)切削，可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。

    可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。在切削加工有色金屬時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具。例如：精車活塞環(huán)槽、精鏜活塞銷孔、精車活塞外圓、精車活塞頂面等工序。

2.4 立方氮化硼

    聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co，Ni或TiC、TiN、Al203)在高溫高壓下加入催化劑燒結(jié)而成的。它具有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、比金剛石刀具高得多的熱穩(wěn)定性(達(dá)1400℃)和導(dǎo)熱性，低的摩擦系數(shù)，但其強(qiáng)度較低。與金剛石相比，PCBN的突出優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性高得多，可達(dá)1200℃(金剛石為700～800℃)，可承受較高的切削速度；另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)惰性大，與鐵族金屬在1200～1300℃下也不起化學(xué)反應(yīng)，可用于加工鋼鐵。因此，PCBN刀具主要用于高效加工黑色難加工材料。

    PCBN刀具除了具有以上的特點(diǎn)外，還有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：①硬度高，特別適合于加工從前只能磨削的HRC50以上的淬硬鋼、HRC35以上的耐熱合金和HRC30以下而其它刀具很難加工的灰口鑄鐵。②與硬質(zhì)合金刀具相比，切削速度高，可實(shí)現(xiàn)高速高效切削。③耐磨性好，刀具耐用度高(為硬質(zhì)合金刀具的10～100倍)，能獲得較好的工件表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)以車代磨。不足之處在于PCBN刀具的抗沖擊性能較硬質(zhì)合金差，因此，使用時(shí)應(yīng)注意提高工藝系統(tǒng)的剛性，盡量避免沖擊切削。

    PCBN可制成整體的刀片，也可與硬質(zhì)合金結(jié)合制成復(fù)合刀片。PCBN復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層0.5～1.0mm厚的PCBN，其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性。

    PCBN的性能主要與CBN的粒度、CBN的含量及結(jié)合劑種類有關(guān)，按其組織大致可分為兩大類：一類是由CBN晶粒直接結(jié)合而成，CBN含量高(70%以上)，硬度高，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體，通過陶瓷結(jié)合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al203等)燒結(jié)而成，這類PCBN中CBN含量低(70%以下)，硬度低，適用于切削加工淬硬鋼。

    在我公司，立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環(huán)活塞的車削鑄鐵環(huán)槽工序中，同時(shí)也應(yīng)用于活塞立體靠模的加工中。

2.5 陶瓷

陶瓷刀具材料的主要優(yōu)點(diǎn)是：

有很高的硬度與耐磨性，常溫硬度達(dá)91～95HRC；

有很高的耐熱性，在1200℃高溫下硬度為80HRC；而且高溫條件下抗彎強(qiáng)度、韌性降低極少；

有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，陶瓷與金屬親合力小，高溫抗氧化性能好，即使在熔化溫度下也不與鋼相互作用。因而刀具的粘結(jié)、擴(kuò)散、氧化磨損較少；

有較低的摩擦系數(shù)，切屑不易粘刀，不易產(chǎn)生積屑瘤。

陶瓷刀的缺點(diǎn)是：

脆性大，強(qiáng)度與韌性低，抗彎強(qiáng)度只有硬質(zhì)合金的1/2～1/5，因此使用時(shí)必須選擇合適的幾何參數(shù)與切削用量；避免承受沖擊負(fù)荷，以防崩刃與破損；此外，陶瓷刀導(dǎo)熱率低，僅為硬質(zhì)合金的1/2～1/5，熱膨脹系數(shù)卻比硬質(zhì)合金高10～30%，抗熱沖擊性較差。

目前，陶瓷刀具還沒有應(yīng)用于鋁活塞加工過程中。

3 小結(jié)

    刀具材料的發(fā)展對(duì)切削技術(shù)的進(jìn)步起著決定性的作用。本文介紹了切削中所使用的金剛石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、硬質(zhì)合金、高速鋼等刀具材料的性能及適用范圍。刀具損壞機(jī)理是刀具材料合理選用的理論基礎(chǔ)，刀具材料與工件材料的性能匹配合理是切削刀具材料選擇的關(guān)鍵依據(jù)，要根據(jù)刀具材料與工件材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能選擇刀具材料，才能獲得良好的切削效果。就活塞在切削加工時(shí)的刀具材料選用作了闡述。

    高速鋼：活塞加工中銑澆冒口、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀，鉆油孔用鉆頭等都為高速鋼材料。

    硬質(zhì)合金：YG、YD系列硬質(zhì)合金刀具被廣泛應(yīng)用于鋁活塞加工的各個(gè)工序中，特別是活塞粗加工和半精加工工序。

    立方氮化硼：立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環(huán)活塞的車削鑄鐵環(huán)槽工序中。同時(shí)也應(yīng)用于活塞立體靠模的加工中。

    金剛石：金剛石刀具可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。在切削鋁合金時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具，已經(jīng)應(yīng)用于精車活塞環(huán)槽、精鏜活塞銷孔、精車活塞外圓、精車活塞頂面及精車活塞燃燒室等精加工工序中。