高速切削加工中刀具材料的合理选择

    高速切削加工技术是近几十年来发展迅猛的一项先进制造技术，已经成为国内外研究的热点之一。刀具材料影响着高速切削加工技术的广泛应用。刀具材料经历了高速钢一硬质合金一陶瓷一超硬材料等不断发展的过程，切削速度和加工效率得以不断提高。本文分析了在高速切削加工中常用的刀具材料，并针对常用的被加工材料阐述了高速切削刀具材料的选择方法。

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，因此对刀具材料以及刀具结构、几何参数等都提出了新的更高的要求。刀具材料的选择对加工效率、加工质量、加工成本和刀具寿命等都有着重要的影响。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：①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60HRC以上。刀具材料的硬度愈高，其耐磨性愈好。②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。③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。④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。⑤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。

    目前适用于高速切削的刀具主要有：涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、聚晶金刚石(PCD)刀具以及性能优异的高速钢和硬质合金刀具等。

2 高速切削常用的刀具材料

2.1 涂层刀具

    涂层刀具是在韧性较好的刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具既有较高的韧性又有很高的硬度和耐磨性，涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高2—5倍。涂层刀具可分为两大类：一类是“硬”涂层刀具如TiC、TLN、 Al₂O₃涂层刀具，硬涂层刀具的主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一类是“软”涂层刀具，这种涂层刀具也称为自润滑刀具，其表面摩擦因数低可以减少摩擦，降低切削力和切削温度，软涂层刀具的涂层材料主要有MoS2和WS2。应用较广泛的涂层工艺有化学气相沉积法和物理气相沉积法。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法(CVD)，沉积温度在100℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法(PVD)，沉积温度在500℃左右。

2.2 陶瓷刀具

    陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能和良好的高温力学性能，与金属的亲合力小，不易与金属产生粘结，并且化学稳定性好。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工或根本不能加工的超硬材料，实现以车代磨，从而可以免除退火，简化工艺，大幅度地节省工时和电力；陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高3-10倍，而且刀具寿命长，可减少换刀次数，从而大大提高切削加工生产效率。近年来，由于控制了原料的纯度和晶粒尺寸，添加了各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和晶须等，采用多种增韧机制进行增韧补强，使得陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧性和抗冲击性能都大幅度提高，应用范围日益广泛，可以用于高速切削、干切削和硬切削，切削效率大大提高。

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TiC基硬质合金(Tic+Ni或No)、高韧性TiC基硬质合金(TiC+TaC+wc)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TicN+NbC)等。金属陶瓷刀具可在300—500m／min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

    立方氮化硼具有超硬特性、高热稳定性和高化学稳定性。立方氮化硼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。

2.5 金刚石刀具

    金刚石刀具有两种：天然金刚石刀具和人造金刚石刀具。天然金刚石的价格昂贵，目前已经被人造金刚石所代替。人造聚晶金刚石(PCD)是以石墨为原料，加入催化剂经高温高压烧结而成。在烧结过程中由于添加剂的加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等为主要成分的结合桥，金刚石以共价键的结合形式牢固地嵌于结合桥构成坚固的骨架中，使PCD的强度和韧性都有了很大提高。

    由于PCD结合桥具有导电性使得PCD便于切割成形，且成本低于天然金刚石PCD刀片可分为整体聚晶金刚石刀片和聚晶金刚石复合刀片。

2.6 性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具

    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—180m／min。再对其进行TiAIN涂层处理后，可用于高速干切齿轮。

3 高速切削时刀具材料的合理选择

3.1 铸铁

    铸铁是机械工程中应用极为广泛的工程材料，因铸件上夹有硬质点，气孔、表皮冷硬层、夹砂等，使生产中刀具的磨损、破损较快。对铸件，切削速度大于350 m／rain时，称为高速加工。切削速度对刀具的选用有较大影响，当切削速度低于750 m／min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷刀具；切削速度在510～2000 m／min时，可选用Si₃N₄陶瓷刀具；切削速度在2000一4500 m／min以上时，可使用CBN刀具。

    铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500 m／min时，可使用CBN或Si₃N₄从刀具，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，不宜使用CBN刀具，而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属Co，晶粒尺寸平均为3μm，CBN含量大于90％～95％的BZN6000在速度为700 m／min时，宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷(A1N+A1B2)，晶粒尺寸平均为10μm，CBN含量为90％～95％的Amborite刀片，在加工高珠光体含量的灰铸铁时，在切削速度小于1100 m／min时，随切削速度的增加，刀具寿命也增加。

3.2 普通钢

    钢是塑性材料，切削速度对其表面质量有较大的影响，根据德国Darmstadt大学哪PTW所的研究，其最佳切削速度为500-800 m／min。

    目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好，因为前者可很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。

3.3 高硬度钢

    高硬度钢具有较高的硬度及抗拉强度，常用作模具材料，硬度在HRC40—70。用于加工该类材料的高速切削刀具常采用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等材料。

    金属陶瓷适合于中高速(200 m／min左右)的模具钢SKI)加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。采用陶瓷刀具可切削硬度达HRC63的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。切削淬火硬度达HRC48-58的45钢时，切削速度可取150～180 m／min，进给量在0.3～0.4 mm／r，切深可取2～4mm。粒度为1μm，TiC含量在20％一30％的??一TiC陶瓷刀具，在切削速度为100 m／min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。

    当切削速度高于1000 m／min时，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90％的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢。

3.4 铝合金

    铝合金是最早实现高速切削加工的材料之一，因其材料本身的特性，加上研究时间最长，研究成果也最多，按其成分的不同所选用的刀具也不同。

(1)易切削铝合金

    该材料在航空航天应用较多，适用的刀具有K10，K20，PCD聚晶金刚石，切削速度在2000～4000 m／min左右，进给量在3.12m／min，刀具前角范围在12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°。

(2)铸铝合金

    铸铝合金根据其si含量的不同，选用的刀具也不同，其使用的切削速度比易切削铝的低，对Si含量大于12％的铸铝合金可采用K10， Si₃N₄陶瓷刀具，当Si含量大于12％时，可采用PKD(人造金刚石)，PCD及CVD金刚石涂层刀具，对于si含量达16％～18％的过硅铝合金，最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100 m／min，进给量为0.125 mm／r。

4 结语

    刀具材料的不断更新和发展，必将有利地推动着高速切削加工的广泛应用。各种刀具材料都与相应的工件材料相匹配，并有着不同的结构参数和切削用量范围。因此，进一步加强刀具材料的研究和开发，合理地选择刀具材料和刀具结构参数，必将大大推动高速切削技术应用和发展。