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，選用W2Mo9C14VCo8材料時的刀具切削壽命要比選月W6Mo5C14v2Al、W10Mo4c14V3Al和W12Cr4V4Mo的刀具切削壽命要長，這主要因為元素Co能增加高速鋼的高溫硬度和耐磨性.同時改善它的導熱性。但是由于高速鋼刀具的硬度比較低，紅硬性比較差，導熱系數(shù)在16.75—25.1W/(m·K)之間，僅為鎢鈷類硬質合金的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)生擴散溶解甚至與加工物發(fā)生化學反應。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械性能。陶瓷刀具具有很高的硬度與耐磨性，一般硬質鋼刀具的硬度在90～93HRA，而陶瓷刀具的常溫硬度達92～95HRA。由于其硬度高，所以耐磨性有較大提高，刀具耐用度比硬質合金高幾倍。同時它擁有很高的化學穩(wěn)定性，其抗氧化溫度為1750℃，而硬質合金為800℃，高速鋼僅為550℃。還具有抗彎強度和斷裂韌性，陶瓷的抗彎強度一般為900～1000 MPa，Al2O3基陶瓷抗彎強度為1000～1200 MPa，Si3N4基陶瓷不僅強度高.而且強度的可靠性大。疲勞強度也高，可以獲得相當穩(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，具有良好的抗粘結、擴散、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，必將促進高效機床及高速切削技術的發(fā)展，而高效機床及高速切削技術的推廣與應用，又進一步推動陶瓷刀具的使用。

1.3 涂層刀具

    刀具涂層技術自從問世以來，對刀具性能的改善和加工技術的進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涂層相結合，從而使刀具性能大大提高。涂層刀具是在具有高強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。

氣相沉積(CVD)涂層刀具和物理氣相沉積(PVD)涂層刀具。涂層硬質合金刀具一般采用化學氣相沉積法，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世紀初，涂層刀具的比例將進一步增加，有望在技術上進一步突破涂層技術，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10000HV.是刀具材料中最硬的材料。同時它的摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導率高，切削時不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質量好。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、末燒結的硬質合金、各種纖維和顆粒加強的復合材料、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合劑(如鋁、氧化鋁、碳化鈦或氮化鈦)，經(jīng)燒結合成再制成金屬切削刀具。PCBN材料包括整體PCBN刀片、硬質合金承托的、全前面PCBN刀片和焊有各種PCBN刀尖的硬質合金刀片。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，在加工性質已定的情況下，應當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給量，最后在刀具耐用度和機床功率限制的條件下，選擇的最大的切削速度，而不應當不加分析地先確定切削速度，因此在實際工作中.應當按不同切削深度和進給量的組合去選擇切削速度.進而確定主軸轉數(shù)。

2.2 匹配加工對象的化學性能

    刀具切削加工時的損壞與所加工的工件材料和切削條件密切相關，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時，占主導地位的磨損機制有所不同。材料與加工對象的化學性能匹配問題主要是指刀具材料與工件材料化學親和性、化學反應、擴散和溶解等化學性能參數(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系。在選擇刀具時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據(jù)優(yōu)化的目標而定。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)單件工時最少的目標確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標確定。選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(jù)刀具復雜程度，制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉位刀具，由于換刀時間短，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、換刀和調刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化加工刀具。刀具壽命應選得高些，尤應保證刀具可靠性。比如車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個車間的生產(chǎn)率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時間內(nèi)所分擔到的全廠開支較大時。刀具壽命也應選得低些。

    總之，高速切削技術已成為切削加工的主流，加快其推廣應用，將會創(chuàng)造巨大經(jīng)濟教益。近幾年的研究和開發(fā)成果中有關高速切削刀具用新材料有13項，關于新材料的應用研究成果有9項。它們相互配合，彼此競爭，推動高速切削技術的發(fā)展和應用。國內(nèi)在這方面也有一定基礎，取得很大進步，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域。此外，對現(xiàn)有的研究成果還要加強推廣。

本篇文章來源于 “切削技術網(wǎng)站” 轉載請以鏈接形式注明出處 網(wǎng)址：http://www.e-cuttech.com/ReadNews/6065.html