关于刀具材料及其合理选用的研究【摘要】随着工件材料的力学性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的机构和形状不断复杂化和多样化，各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实用都对刀具提出了更高、更新的要求，进一步加强刀具材料的研究和开发，并合理地选择刀具材料，是推动切削技术应用和发展的重要前提。
本文中简单介绍了适用于切削加工的各种刀具材料，包括涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、立方碳化硼刀具和聚晶精钢石刀具等，并分析各种刀具材料的合理选用。
【关键词】刀具材料；选择；切削性能；刀具；应用；1 高速切削对刀具材料的要求由于高速切削加工的切削速度是常规切削的5 ~ 10 倍,对刀具材料以及刀具结构、几何参数等都提出了新的要求。
刀具材料的选择对加工效率、加工质量以及成本和刀具的寿命等有着重要的影响。
高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外, 还对刀具材料有更高的要求, 主要包括: 高的硬度和耐磨性: 高速切削加工刀具材料的硬度必须高于普通加工刀具材料的硬度, 一般在HRC 60以上。
刀具材料的硬度愈高, 其耐磨性愈好。
! 高的强度和韧性: 刀具材料要有很高的强度和韧性, 以便承受切削力、振动和冲击, 防止刀具脆性断裂。
∀良好的热稳定性和热硬性:刀具材料要有很好的耐热性, 要能承受高温, 具备良好的抗氧化能力。
#良好的高温力学性能: 刀具材料要有很高的高温强度、高温硬度和高温韧性。
∃较小的化学亲和力: 刀具材料与工件材料的化学亲和力要较小[ 1,2] 。
2高速切削的刀具材料2. 1 涂层刀具涂层刀具是通过在韧性较好的刀具基体上涂覆硬质耐磨的金属化合物薄膜, 以获得远高于刀具基体的硬度和优良的切削性能。
常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、陶瓷和金属陶瓷等。
涂层刀具具有很强的抗氧化性能和抗粘结性能, 因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。
由于涂层的摩擦系数低, 切削时的切削温度降低, 切削力也减小, 大大提高了刀具的耐用度。
涂层可以是单涂层, 也可以是双涂层或多涂层, 甚至可以是几种涂层材料复合而成的复合涂层。
涂层刀具可以分成硬涂层刀具和软涂层刀具。
硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛( T iN )、碳化钛( T iC)、碳氮化钛( T iCN) 、氮化铝钛( T iA lN) 、碳氮化铝钛( T iA lCN ) 和氧化铝( A l2O3 )等。
硬涂层刀具的主要优点是硬度高、耐磨性能好。
软涂层刀具的涂层材料主要有MoS2 和WS2。
软涂层刀具可以减少摩擦, 降低切削力和切削温度。
TiN涂层的硬度高、耐磨性好, 具有很高的化学稳定性, 可大大减少刀具与工件之间的摩擦系数; T iC 涂层与被切削金属的亲和力小, 润湿性好, 抗氧化性强, 具有良好的抗摩擦磨损性能; T iA lN涂层刀具, 不仅具有T iN 的硬度和耐磨性, 而且在高速切削时, 氧化生成A l2O3 起到抗氧化和抗扩散磨损的作用, 具有良好的切削性能, 其最高工作温度可达800% ; A l2O3 涂层在高温下具有良好的热稳定性, 适用于高速切削时产生大量热的刀具; 金刚石膜涂层刀具主要适用于加工有色金属; M oS2 和W S2 作为软涂层材料的高速钢刀具主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料[4] 。
最新开发的纳米涂层材料刀具在高速切削中的应用前景也很广阔。
如日本位友公司已开发出纳米T iA lN 复合涂层铣刀片, 共2000层涂层, 每层厚度为2. 5nm。
应用较广泛的涂层工艺有化学气相沉积法( CVD 法) 和物理气相沉积法( PVD法) 。
PVD法主要用于高速钢刀具涂层, PVD法和CVD法均可用于硬质合金刀具涂层。
2. 2 陶瓷刀具陶瓷刀具的材料主要有氧化铝基和氮化硅基2大类, 是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的, 此外还有多相陶瓷。
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点。
陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬质合金刀具高3~ 10 倍, 适用于高速切削钢、铸铁及其合金等。
陶瓷刀具可在200~ 1000m /m in 的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢) 、淬硬钢、铸铁及其合金等。
陶瓷刀具主要应用于耐磨材料、淬硬材料和难加工材料等的车、铣粗精加工。
具体来说, 氧化铝基陶瓷主要用于加工淬硬钢和耐磨铸铁, 氮化硅基陶瓷主要用于加工铸铁、高温合金和镍基合金等材料。
2. 3 金属陶瓷刀具金属陶瓷有较高室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。
金属陶瓷材料主要包括高耐磨性T iC 基硬质合金( T iC + N i或M o )、高韧性T iC基硬质合金( T iC + TaC+ WC)、强韧T iN 基硬质合金( 以T iN 为主体)、高强韧性T iCN基硬质合金( T iCN + NbC )等。
金属陶瓷刀具可在300~ 500m /m in的切削速度范围内高速加工钢和合金钢,精加工铸铁。
此外金属陶瓷还可制成钻头、铣刀和滚刀。
2. 4立方氮化硼( CBN)刀具立方氮化硼刀具具有极高的硬度( 仅次于PCD) 和红硬性, CBN 刀具是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想刀具材料。
由于CBN 刀具加工高硬度零件时可获良好的加工表面粗糙度, 因此采用CBN 刀具切削淬硬钢可以实现∋以车代磨(。
考虑到CBN 刀坯的价格较高以及重磨因素, 一般在可转位硬质合金刀片的一角上镶焊1块CBN刀坯, 且通常只做1个刀尖。
研究证明, 采用纯CBN 材料制成的刀具在许多情况下并不能获得最佳加工效果。
2. 5 聚晶金刚石( PCD) 刀具聚晶金刚石( PCD)材料具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数等特点。
PCD刀具可以实现有色金属及耐磨非金属材料(如石墨和合成材料) 的高速、高精度、高稳定性加工。
据报导, 镶PCD的钻头加工硅铝合金的切削速度达300~ 400 m /m in, PCD与硬质合金基体共同烧结而成的复合片钻头, 用于加工A l合金、M g 合金、复合材料、石墨、粉末冶金坯料, 与硬质合金刀具相比, 刀具寿命提高了65 ~ 145 倍; 采用高强度A l合金刀体的PCD 面铣刀的切削速度c 达3000~4000 m /m in, 有的达到7000m /m in, 适合于汽车零部件成形面的高速加工。
2. 6性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具[ 1]高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢和整体硬质合金材料已成为制造滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具的主流刀具材料, 可用于齿轮的高速切削。
用硬质合金粉末和高速钢粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齿轮滚刀, 滚切速度可达到150~ 180 m /m in。
再对其进行T iA lN 涂层处理后, 可用于高速干切齿轮。
3．高速切削刀具材料的合理选择[ 5, 6]目前高速切削广泛应用的刀具材料有: 金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷、陶瓷、涂层刀具以及性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具等。
面对种类繁多的工件材料, 如何正确的选择适合与相应工件材料的刀具, 以提高加工生产率, 降低加工成本, 这是十分重要的问题。
每一种刀具材料都有其特定的加工范围, 只能适应一定的工件材料和一定的切削速度范围,不同的刀具材料或同种刀具材料加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大的差别。
一般而言, CBN、陶瓷刀具、涂层刀具及金属陶瓷刀具适合于钢铁等黑色金属的高速加工; 而PCD 刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属及其合金和非金属材料的高速加工。
表1列出了上述刀具材料所适合加工的一些工件材料[ 1] 。
3. 1 陶瓷刀具的选用陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁、刚件和镍基高温合金,但品种不同的陶瓷刀具也都有不同的加工范围, 合理选用陶瓷刀具是保证其成功应用的关键。
A l2O3基陶瓷刀具具有良好的耐磨性、耐热性, 且高温化学稳定性好, 不易与铁元素之间发生相互扩散或化学反应, 因此, 它可用于对铸铁、钢及其合金的高速加工。
S i3N4 基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热震性高于A l2O3基陶瓷刀具, 适于断续加工铸铁和铸铁合金。
3. 2 金属陶瓷刀具的选用金属陶瓷刀具不仅具有陶瓷的硬度, 而且还具有硬质合金的高强度, 可用于可转位刀片或焊接。
金属陶瓷刀具化学稳定性好, 耐氧化性、抗粘结性和耐磨性也较好, 且与钢的亲和力小, 适合于中高速( 200m /m in 左右)切削模具钢, 尤其适于切槽加工。
对铸铁件的加工, 当切削速度低于750m /m in时, 可选用金属陶瓷刀具。
3. 3 立方氮化硼刀具的选用立方氮化硼刀具主要用于加工淬硬钢和高硬铸铁以及些难加工材料, 被加工材料的硬度愈高愈能体现立方氮化硼刀具的优越性, 并可以实现以车代磨, 大幅度地提高加工效率。
立方氮化硼刀具的性能受其中的CBN含量、CBN粒径和结合剂的影响, CBN 的含量越高, 其硬度和耐磨性越好。
最近国外已经开发出各种成分配比的CBN 刀具以及CBN+ 金属陶瓷复合刀片, 根据不同的加工用途, 刀片含有不等量的CBN(见表2) [ 1] 。
表2不同CBN 含量的刀片及用途CBN 含量刀片的加工用途50% 连续切削淬硬钢( 45~ 65HRC )65% 半断续切削淬硬钢( 45~ 65H RC )80% 加工镍铬铸铁90% 连续重载切削淬硬钢( 45~ 65H RC )80% ~ 90%高速切削铸铁( v= 500~ 1300m /m in)粗切削、半粗切削淬硬钢3. 4金刚石刀具的选用金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。
金刚石刀具已在汽车、航空航天、国防工业等领域广泛应用。
金刚石的热稳定性比较差, 切削温度达到800% 时, 就会失去其硬度。
金刚石刀具不适合加工钢铁类材料, 其原因是金刚石与铁有很强的化学亲和力, 在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构, 刀具极容易损坏。
4 结论近年来, 刀具材料的不断更新和发展, 有力地推动着高速切削加工的广泛应用。
目前国内外适用于高速切削加工的刀具材料主要有: 涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷、CBN和PCD 故 F3 = PA2 = 0. 01697N。
( 5) 与地面的摩擦力F = 小车自重−2, 查表取2 = 0.4, 测量可得小车自重为60. 82g。
F4 = 9. 8 − 60. 82 − 0. 4 − 10- 3 = 0. 2384N( 6) 由上式可得F = 0. 292N. F1 + F2 + F3 + F4 = 0. 262N假设成立, 即逆风行走且以风为动力在理论上是存在的。