数控机床高速切削刀具材料的开发与选择

德国切削物理学家Salomon博士1929年进行的超高速切削模拟试验，并予1931年4月发表了著名的超高速切削理论。提出了高速切削的设想。Salomon指出：在常规的切削范国内，切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值后。切削速度再增大，切削温度反而下降，并指出此值与工件材料的种类有关，对于每一种工件材料，存在一个速度范围。由于切削温度太高，高于刀具材料所允许的最高温度，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个范围被称之为“死谷”。因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。随着科学技术的发展和生产需要，石油化工工业中常用不锈钢、淬火钢、高强度钢、耐热钢等难加工材料日益增多。对刀具材料提出了特殊的要求。刀具材料除应具备硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性外.还对高速切削刀具材料提出了如下更高的要求：①可靠性；②高耐热性和抗热冲击性能；③良好的高温力学性熊；④刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要。近年来我国新刀具材料的研制和应用取得了一定的成果，但是高速切削刀具材料的加工工艺性能仍是影响加工效果的一个主要因素。实践证明，正确选用合适的切削刀具材料，对提高工作效率，改善加工工艺性，更高地是机械制造生产需求具有重要的意义。
1 高速切削刀具材料的开发
1.1 高速钢刀具
适合高速加工的高速钢主要有：(1)高钒高速钢W12Cr4v4Mo； (2)高钴高速钢W2Mo9C14VCo8； (3)高铝高速钢W6Mo5C14V2Al和WlOM04Cr4V3Al。切削加工钛合金时，选用W2Mo9C14VCo8材料时的刀具切削寿命要比选月W6Mo5C14v2Al、W10Mo4c14V3Al和W12Cr4V4Mo的刀具切削寿命要长，这主要因为元素Co能增加高速钢的高温硬度和耐磨性.同时改善它的导热性。但是由于高速钢刀具的硬度比较低，红硬性比较差，导热系数在16.75—25.1W/(m·K)之间，仅为钨钴类硬质合金的1/4左右。此外高速钢中的C、W、V等元素会与加工物在高温下发生扩散溶解甚至与加工物发生化学反应。所以，高速钢刀具切削高硬度产品一钛合金的速度比较低，一般在30 m/min以下，同时刀具的使用寿命比较短。
1.2 陶瓷刀具
现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷。陶瓷刀具材料的品种、牌号很多，按其主要成分大致可分为氧化铝系和氮化硅系，其具有高速切削所需的物理机械性能。陶瓷刀具具有很高的硬度与耐磨性，一般硬质钢刀具的硬度在90～93HRA，而陶瓷刀具的常温硬度达92～95HRA。由于其硬度高，所以耐磨性有较大提高，刀具耐用度比硬质合金高几倍。同时它拥有很高的化学稳定性，其抗氧化温度为1750℃，而硬质合金为800℃，高速钢仅为550℃。还具有抗弯强度和断裂韧性，陶瓷的抗弯强度一般为900～1000 MPa，Al2O3基陶瓷抗弯强度为1000～1200 MPa，Si3N4基陶瓷不仅强度高.而且强度的可靠性大。疲劳强度也高，可以获得相当稳定的使用寿命。Si3N4基陶瓷有良好的断裂韧性，高速切削时不易产生裂纹。它与金属的亲和力极小。即使在熔化温度下与钢也不相互反应，具有良好的抗粘结、扩散、氧化磨损能力；有较低的摩擦系数，可得到良好的表面粗糙度。陶瓷刀具在高速切削领域表现出优良的性能，在高速切削加工中占据了举足轻重的地位，其发展空间非常大。随着各种新型陶瓷刀具材料的使用，必将促进高效机床及高速切削技术的发展，而高效机床及高速切削技术的推广与应用，又进一步推动陶瓷刀具的使用。
1.3 涂层刀具
刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志.在刀具中的比例已超过50%。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，它将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具性能大大提高。涂层刀具是在具有高强度和韧性的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材料。涂层材料及基体材料之间要求粘结牢固、不易脱落。涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学。
气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法，沉积温度在1000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在500℃左右；根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。在21世纪初，涂层刀具的比例将进一步增加，有望在技术上进一步突破涂层技术，这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄超多层和新型涂层材料的开发应用的速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。
1.4 超硬刀具
比陶瓷材料更硬的超硬刀具材料包括单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石等。金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV.是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好。能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材。PCBN是用聚晶立方氮化硼粉末掺入金属或陶瓷结合剂(如铝、氧化铝、碳化钛或氮化钛)，经烧结合成再制成金属切削刀具。PCBN材料包括整体PCBN刀片、硬质合金承托的、全前面PCBN刀片和焊有各种PCBN刀尖的硬质合金刀片。PCBN刀片切削高合金铸铁较陶瓷刀具可提高生产效率5倍以上。我国超硬刀具材料的研究与应用开始于70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂第六砂轮厂，至2006年我国人造金刚石年产量就已达到15亿克拉左右，跃居世界上超硬材料生产大国之首。
2 高速切削刀具材料的选择
2.1 合理确定切削用量
刀具材料确定后.切削用量选择得是否合理直接影响加工效果，切削用量中的切削速度对刀具耐用度影响最大，进给量影响次之，切削深度影响最小。因此在合理选择切削用量以提高生产率时，在加工性质已定的情况下，应当尽量选择大的切削深度，然后根据加工条件和要求选取允许最大的进给量，最后在刀具耐用度和机床功率限制的条件下，选择的最大的切削速度，而不应当不加分析地先确定切削速度，因此在实际工作中.应当按不同切削深度和进给量的组合去选择切削速度.进而确定主轴转数。
2.2 匹配加工对象的化学性能
刀具切削加工时的损坏与所加工的工件材料和切削条件密切相关，在不同的切削条件下加工不同的工件材料时，占主导地位的磨损机制有所不同。材料与加工对象的化学性能匹配问题主要是指刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能参数要相匹配。具有不同组分的刀具所适合加工的工件材料有所不同，各种刀具材料抗粘结温度高低为：超硬>陶瓷>涂层>钢。各种刀具材料抗氧化温度高低为：陶瓷>PCBN>硬质合金>金刚石。
2.3 注重刀具寿命
刀具寿命与刀具选择有密切关系。在选择刀具时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度，制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能.提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15～30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具。刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。比如车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时间内所分担到的全厂开支较大时。刀具寿命也应选得低些。
总之，高速切削技术已成为切削加工的主流，加快其推广应用，将会创造巨大经济教益。近几年的研究和开发成果中有关高速切削刀具用新材料有13项，关于新材料的应用研究成果有9项。它们相互配合，彼此竞争，推动高速切削技术的发展和应用。国内在这方面也有一定基础，取得很大进步，特别是我国的陶瓷刀具占有突出优势。这也是我国最有前景的研究领域。此外，对现有的研究成果还要加强推广。