高速切削刀具探析

孫　哲

高速加工通常是指在高于常規(guī)加工速度5～10倍的條件下進行的切削加工。高速切削時，隨著切削速度的提高，切削力逐漸減小，切削溫升逐漸趨緩，加工表面質(zhì)量提高，加工成本降低。對于高速切削加工，刀具材料更具有舉足輕重的影響。當切削速度提高時，工具鋼材料的刀尖往往會因無法承受切削高溫而發(fā)生燒蝕或急劇磨損。

近三四十年來，刀具材料所取得的突破使高速切削中出現(xiàn)的問題得到了較好解決。一些新型刀具材料(如氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具和CBN等)具有良好的耐熱性：用聚晶方法得到的聚晶金剛石(PCD)刀片，其硬度可達6000～10000HV，用PCD材料制作的車刀、銑刀、鉆頭等可對有色金屬進行高速切削，有時也應(yīng)用于黑色金屬的切削加工。目前適用于高速切削的刀具主要有以下幾種。

一、涂層刀具

涂層刀具是利用氣相沉積方法在高強度的硬質(zhì)合金或高速鋼(HSS)基體表面涂覆幾個微米的高硬度、高耐磨性的難熔金屬或非金屬化合物涂層而獲得的。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性。涂層材料作為化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了月牙洼磨損，切削時可比未涂層刀具提高刀具壽命3～5倍以上，提高切削速度20％～70％，提高加工精度0.5～1級，降低刀具消耗費用20％～50％。

二、金屬陶瓷刀具

金屬陶瓷是20世紀70年代開發(fā)的一類具有優(yōu)良機械力學(xué)性能和高溫性能的新型工具材料。與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具相比，它的耐熱性、耐磨性、抗月牙洼磨損能力等均有明顯提高，但韌性和導(dǎo)熱性相對較差。近年來，在陶瓷基體中加入少量納米粒子以形成納米陶瓷復(fù)合材料的研究取得了不少進展和成果。金屬陶瓷刀具可應(yīng)用于300～500m／min切削速度范圍內(nèi)的高速精車鋼和鑄鐵。

三、陶瓷刀具

陶瓷刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，其硬度高、耐磨性好，在相同切削條件加工鋼料時，磨損僅為硬質(zhì)合金刀具的1/15，刀具壽命長；在1200℃時仍能保持80HRA的高硬度，所以在高溫下仍能進行高速切削；它與鋼鐵金屬的親和力小，摩擦因數(shù)低，抗粘結(jié)和抗擴散能力強，切削時不易粘刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好，可在200～1000m/min的切削速度范圍內(nèi)高速切削軟鋼(如A3鋼)、淬硬鋼、鑄鐵及其合金等。另一方面，陶瓷刀具的缺點是脆性大，抗彎強度和抗熱沖擊性能較差，當切削溫度發(fā)生顯著變化時，容易產(chǎn)生裂紋。

四、CBN刀具

CBN是一種僅次于金剛石的硬度極高的刀具材料，通常材料硬度大于48HRC時工作效果最好(加工軟材料時CBN磨損很快)，溫度高到2000℃時有極佳的紅硬性，是高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等的理想刀具材料。雖然和硬質(zhì)合金相比，CBN更脆且導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性低于陶瓷，但它具有比陶瓷刀具更高的沖擊強度和抗破裂性，而且對于剛性較低的機床也能切削硬金屬。由于CBN刀具加工高硬度零件時可獲得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬硬鋼可實現(xiàn)“以切代磨”。

五、PCD刀具

PCD刀具的硬度為硬質(zhì)合金的80～120倍；導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5～9倍，甚至高于PCI3N和銅，熱量傳遞迅速：PCD的摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3(硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4～1)，可顯著減小切削力：PCD的熱膨脹系數(shù)僅為硬質(zhì)合金的1／5，熱變形小，加工精度高，PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結(jié)，在刀尖上形成積屑瘤。PCD可實現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高速、高精度、高穩(wěn)定性加工。

六、高速鋼、硬質(zhì)合金刀具

高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銑刀等。但是，高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現(xiàn)代切削加工對刀具材料越來越高的要求。

硬質(zhì)合金是用高硬度、難熔的金屬碳化物和金屬粘結(jié)劑在高溫條件下燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金的常溫硬度達89～93HRA，760℃時其硬度為77～85HRA，在800℃～1000℃時硬質(zhì)合金還能進行切削，刀具壽命比高速鋼刀具高幾倍到幾十倍，可加工包括淬硬鋼在內(nèi)的多種材料。但是，硬質(zhì)合金的強度和韌性比高速鋼差，常溫下的沖擊韌性僅為高速鋼的1／8～1／30。因此，硬質(zhì)合金承受切削振動和沖擊的能力較差。

(作者單位：山東省濟寧市技術(shù)學(xué)院)