新刀具材料推動(dòng)切削技術(shù)的發(fā)展

    十多年來，高速加工技術(shù)從研究開發(fā)到在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，以及干切削和硬加工的相繼興起到應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大，這標(biāo)志了切削技術(shù)所取得的巨大進(jìn)步。這些先進(jìn)切削工藝的應(yīng)用，大幅度提高了生產(chǎn)率和加工精度，顯著地降低了制造費(fèi)用，并促進(jìn)了零件制造工藝流程的簡化和生產(chǎn)模式的變革。 

    切削技術(shù)的巨大進(jìn)步，是刀具材料不斷發(fā)展和長足進(jìn)步的必然結(jié)果。由于刀具材料萬分的優(yōu)化、制造工藝的改進(jìn)和晶粒細(xì)化，特別是涂層技術(shù)的迅速發(fā)展，使刀具性能不斷提高，進(jìn)而不斷提高切削速度和推動(dòng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高。刀具技術(shù)和機(jī)床技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)切削技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。 

    由此可見，新刀具材料的推廣應(yīng)用，對推動(dòng)切削技術(shù)的發(fā)展起著決定性作用。理想的刀具材料既有極高的硬度，又有很高的韌性，刀具材料總是在朝著這一目標(biāo)發(fā)展。 

   超硬刀具材料  

   聚晶金剛石(PCD)和立方氮化硼(CBN)越來越成為“普通的”刀具材料。 

    PCD具有特別高的硬度(HV30:5000)和耐磨性，用于加工鋁合金等非鐵材料有很高的生產(chǎn)率和過程可靠性。如MAPAI公司的WWS刀具廠推出用高強(qiáng)度鋁合金制作刀體的PCD面銑刀，其切削速度可達(dá)6500 m/min(銑刀直徑80mm)和8600 m/min(銑刀直徑：200mm)。 

    CBN的硬度(HV30:4300～4600)僅次于PCD，由于熱穩(wěn)定性好而適合于加工淬硬鋼、冷硬鑄件和噴焊材料。目前，CBN刀具加工鑄件，切削速度可高達(dá)(2000～4000)m/min，加工鎳基合金切削速度也可達(dá)300m/min。有的刀具廠開發(fā)的細(xì)晶粒CBN(2µm)，CBN含量(50～55)%，陶瓷粘結(jié)，進(jìn)一步提高了刀刃的強(qiáng)度，使CBN刀具更適合于硬加工(45HRC～63HRC)和干切削。 

    CBN應(yīng)用于磨削，CBN砂輪的圓周速度達(dá)(90～250)m/s，大大提高了材料的磨除率，顯著縮短磨削時(shí)間，使長期以來用于制造高質(zhì)量功能表面的精密工藝發(fā)展成為一種通用的加工工藝。如在無心磨床上磨削凸輪軸，磨削余量為4.1mm,磨削速度90m/min，磨削的時(shí)間僅為12s，而軸徑公差可達(dá)20µm，圓度8µm，表面粗糙度Rz 40µm，在砂輪壽命期內(nèi)加工的工件數(shù)超過了50萬根凸輪軸。 

    陶瓷刀具材料 

    在陶瓷刀具材料中，氧化鋁(Al2O3)主要用于鑄件的粗、精加工�；旌咸沾沙�含有Al2O3還有TiC或TiN，提高了硬度、耐熱性和耐磨性，此外，還提高了耐熱沖擊性和刀刃強(qiáng)度，而目前開發(fā)出的細(xì)晶粒高韌性并涂有TiN涂層的這種混合陶瓷刀具既可濕式又可干式硬車或銑削硬料。氮化硅(Si3N4)陶瓷具有很好的韌性和耐熱性，適用于車削、銑削和鉆削鑄件。采用這種刀具材料的銑刀銑削缸體時(shí)，切削速度可達(dá)到1500m/min；用整體Si3N4鉆頭鉆削載重汽車制動(dòng)盤上直徑為14.5mm，深35mm 的孔，切削速度達(dá)410m/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.16mm時(shí)，加工一個(gè)孔的基本時(shí)間僅為1.46s。目前，由于Si3N4基陶瓷材料性能的改善，這種材料的刀具還用來高速加工耐鎳基合金(Inconel706、Inconel718、Udimet720)，并可獲得很嚴(yán)的制造公差和很高的加工可靠性。 

    表1 涂層硬質(zhì)合金刀具的性能  

    超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金+TiAlN涂層 　 硬銑 硬鉆  
    切削速度 m/min 200-350 40-60  
    每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm/r)/每齒進(jìn)給量(mm/Z) 0.1-0.2 0.02-0.1  
    平均粗糙度Rz µm 2-5 2-4  

    硬質(zhì)合金 

    鎢鈷(WC)基硬質(zhì)合金主要有兩個(gè)發(fā)展方向，一是發(fā)展細(xì)和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；二是開發(fā)涂層技術(shù)，通過細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和硬涂層結(jié)合，提高刀具的硬度和韌性。以往，提高硬質(zhì)合金的韌性是通過增加Co的含量來達(dá)到，但隨著Co的增加，硬質(zhì)合金的硬度會(huì)降低。當(dāng)今，可通過愈來愈多細(xì)化的晶粒來彌補(bǔ)因Co含量增中而產(chǎn)生的負(fù)面作用。  

    普通的硬質(zhì)合金，抗彎強(qiáng)度為(1000～3400)N/mm2，而超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)4300N/mm2。這比高速鋼〔(2500～3800) N/mm2〕還要高。因此，這種超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金具有較高的硬度、耐疲勞強(qiáng)度和耐沖擊性，刀刃可以磨得十分鋒利，可以用它來制造過去只能用高速鋼制造的小規(guī)格鉆頭(直徑甚至可以小至0.5mm),立銑刀和絲椎等刀具。由此，大大擴(kuò)大了硬功夫質(zhì)合金的使用范圍。  

    在目前，已可通過納米晶粒硬質(zhì)合金來極大地提高硬度和韌性，但這種硬質(zhì)合金價(jià)格十分昂貴，還難于推廣應(yīng)用。  

    細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和涂層相結(jié)合是目前硬質(zhì)合金刀具發(fā)展的另一個(gè)重要方面。較高韌性的細(xì)晶粒刀具基體，通過CVD或PVD工藝沉積針對具體加工任務(wù)的不同涂層，使這種涂層硬質(zhì)合金刀具既具有較高的抗彎強(qiáng)度又具有耐磨表面。如采用具有較高的高溫硬度和導(dǎo)熱性較差的TiAlN硬涂層硬質(zhì)合金刀具，就能用來進(jìn)行硬銑和硬鉆削(表1)，并可替代CBN刀具，顯然擴(kuò)大了硬質(zhì)合金的使用范圍。  

    由于硬質(zhì)合金刀具材料與涂層技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，使它在目前的刀具材料中占絕大部分的份額。據(jù)1998年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，硬質(zhì)合金占世界刀具材料(不計(jì)高速鋼)總量的78%，其中CVD涂層刀具占43%，PVD涂層占10%。  
    在目前，已可通過納米晶粒硬質(zhì)合金來極大地提高硬度和韌性，但這種硬質(zhì)合金價(jià)格十分昂貴，還難于推廣應(yīng)用。  

    TiC/TiN基硬質(zhì)合金  

    TiC/TiN基硬質(zhì)合金至今已經(jīng)歷了好幾代發(fā)展，主要通過增加氮的含量以提高硬度和抗彎強(qiáng)度。與WC基硬質(zhì)合金相比，它具有較好的高溫硬度、刀刃強(qiáng)度高、磨擦系數(shù)小，特別適合于以較高切削速度和較小的切深對鋼件和鑄件進(jìn)行精加工或半精加工，可獲得很高的表面質(zhì)量、穩(wěn)定的尺寸精度和較長的刀具壽命。  

    這種硬質(zhì)合金刀具精車鋼件，切削速度可高達(dá)400m/min(銑削：300m/min)，加工灰鑄件車削速度可達(dá)450m/min(銑削：250m/min)。  

    表2 硬涂層和軟涂層的性能比較  
    涂層材料 涂層厚度µm 顯微硬度HV0.05 抗氧化能力℃ 摩擦系數(shù)  

    硬涂層  
    TiN 1-5 2100-2600 -500 -0.4  
    TiCN 1-5 2800-3200 -400 0.25-0.4  
    TiAlN 1-5 2600-3000 -800 0.3-0.4  
    TiAlCrYN 1-5 2600-3000 -950 0.3-0.4  
    CrN 1-10 -1750 -700 -0.5  
    軟涂層  
    WC/C 1-5 -1100 -300 <0.2  
    MoS2 0.2-0.5 　 　 　  

    涂層技術(shù)  

    至今，涂層技術(shù)已取得了很大發(fā)展，在加工鐵質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)硬加工和干切削中涂層技術(shù)起著決定性的作用。  

    涂層的功能是使刀具和所切削的材料分隔開來，起到減小磨損、減少粘結(jié)和隔熱的作用，以延長刀具的使用壽命。  

    涂層工藝由高溫高壓向低溫低壓的發(fā)展，使得涂層刀具能保持其韌性。  

    涂層視其性能可分為硬涂層和軟涂層(滑動(dòng)涂層)(表2)。硬涂層具有較高的硬度(>2500HV)，軟涂層有很小的磨擦系數(shù)。  

    瑞士的Fraisa公司開發(fā)了一種新的涂層工藝，在絲錐的前面和后面沉積不同的涂層，即在主要承受磨粒磨損的后面涂上隔熱的硬涂層，而在前面涂上一層納米滑動(dòng)層，這樣，絲錐在攻絲時(shí)產(chǎn)生的熱大部分可以由緊貼的螺旋切屑帶走。  

    多涂層越來越得到廣泛的應(yīng)用。目前，涂層數(shù)甚至有超過20層的。通過不同涂層材料的組合，以抑制積屑瘤、裂紋和崩刃，改善刀具的磨損特性和提高耐熱沖擊性。  

    在多涂層中，較多采用鈦基(Ti-)的各種涂層：TiN+TiCN+TiAlN，TiN+TiCN+Al2O3等。如采用TiAlN作為復(fù)蓋層的多涂層，由于具有高的硬度和突出的耐氧化性，使這種多涂層刀具特別適合于鋼件的干銑削(切削溫度>600℃)。  

    又如在TiN+TiCN+Al2O3上沉積一層鋯碳氮化物，可抑制裂紋的擴(kuò)散。  

    目前，采用把硬涂層和軟涂層組合的辦法應(yīng)用于干切削，是使干切削戰(zhàn)略變成現(xiàn)實(shí)的重要途徑。如在TiAlN復(fù)蓋一層具有中等硬度的WC/C軟涂層，由于這種軟涂層的磨擦系數(shù)很小，在加工塑性金屬材料時(shí)，有助于防止產(chǎn)生積屑瘤和降低切削力。  

    隨著納米技術(shù)的發(fā)展，制造納米涂層，能進(jìn)一步提高硬度，并由此提高刀具的耐磨性，這為放棄焊接的CBN/PCD刀具提供了可能。如德國的Cemecon公司，采用金剛石納米涂層而顯著地提高了刀具的耐用度。  

    結(jié)語  

    新刀具材料的不斷發(fā)展和推廣應(yīng)用，大大提高了生產(chǎn)率，延長刀具使用壽命。促使切削技術(shù)向高速加工、硬加工和干切削發(fā)展。標(biāo)志切削技術(shù)正發(fā)生著深刻變革。刀具材料的晶粒細(xì)化，特別是納米技術(shù)的發(fā)展將給刀具帶來變革。涂層技術(shù)與細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具基體的結(jié)合，大大擴(kuò)大了硬質(zhì)合金的使用范圍。  

    切削技術(shù)的革新，不同刀具材料和不同加工工藝的替代，工藝流程的簡化以及機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展都充分體現(xiàn)了新刀具材料發(fā)展所帶來的技術(shù)進(jìn)步。  

    因此，加強(qiáng)刀具材料和涂層技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是加速機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的重要條件。