機(jī)械加工中刀具材料的選擇

摘 要：每種刀具對(duì)應(yīng)有其特有的加工范圍。切削刀具的加工對(duì)象選擇主要有三方面內(nèi)容，分別是力學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)性能匹配，根據(jù)工件的材料進(jìn)行刀具材料的選擇十分必要，這能提高刀具的壽命也能增大刀具的生產(chǎn)率，進(jìn)而達(dá)到降低加工成本的目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；刀具；材料

中圖分類號(hào)：TG711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）12-0228-01

機(jī)械加工領(lǐng)域隨著材料科學(xué)的進(jìn)步出現(xiàn)了極大的變革，在加工鋼鐵材料時(shí)，需要針對(duì)被加工件合理選擇刀具種類，從而有效減少刀具磨損，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，減少資源的消耗量。

1 力學(xué)性能匹配

機(jī)械加工中力學(xué)性能匹配包括：強(qiáng)度匹配、韌性匹配、硬度匹配等等，這些力學(xué)參數(shù)之間應(yīng)當(dāng)形成良好配合。刀具自身的力學(xué)性能不同，其所使用的加工材料也有很大的不同。例如高速鋼、硬質(zhì)合金與金鋼石刀具，在加工過程中要根據(jù)被加工件的實(shí)際材料硬度進(jìn)行選擇。通常，刀具的硬度必須要高于60HRC，并高于被加工件的實(shí)際硬度。高硬度材料在進(jìn)行加工時(shí)，必須要采用高硬度的刀具。刀具材料參數(shù)參照表1[1]。

為了有效提高生產(chǎn)效率，在加工過程中通常采用高速切削的加工方式。高速切削過程中所產(chǎn)生的切削溫度要遠(yuǎn)高于常規(guī)切削，但是伴隨著切削溫度的提高，刀具強(qiáng)度和硬度都會(huì)隨之下降。因此，在進(jìn)行高速切削時(shí)，所使用的刀具材料自身必須要具有良好的常規(guī)力學(xué)性能，同時(shí)在高溫環(huán)境工作時(shí)，也要滿足力學(xué)性能要求，且高溫力學(xué)性能的重要性要強(qiáng)于室溫力學(xué)性能。

2 物理性能的匹配

物理性能匹配主要是指：材料熔點(diǎn)匹配、彈性模量匹配、導(dǎo)熱系數(shù)匹配、熱膨脹匹配等等，只有這些數(shù)值與其物理性能匹配才能達(dá)到更好的切削效果。根據(jù)刀具的物理性能不同，對(duì)應(yīng)的材料加工范圍也不同，譬如高速鋼刀具導(dǎo)熱性好、熔點(diǎn)低，陶瓷刀具具有高熔點(diǎn)與低熱漲、金剛石刀具有高導(dǎo)熱與低熱漲的特性，在對(duì)導(dǎo)熱性工具進(jìn)行加工的時(shí)候，就要選擇導(dǎo)熱性能較好的刀具，進(jìn)而能快速散發(fā)切削熱，降低材料的切削溫度，保障材料的性能。

金剛石導(dǎo)熱系數(shù)相較于硬質(zhì)合金而言要高1.5～9倍，高于銅2～6倍，在導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率較高的情況下，切割熱的散發(fā)速度較快，所以刀具切削部分的溫度相對(duì)偏低。但是根據(jù)金剛石熱膨脹系數(shù)的變化可以了解：其熱膨脹系數(shù)小于硬質(zhì)合金，基本是高速鋼的1/10左右，所以金剛石刀具出現(xiàn)形變的可能性較低[2]。金剛石刀具適用于精密加工，立方氮化硼的導(dǎo)熱性能與金剛石相比較弱，但整體性能與高速鋼或者硬質(zhì)合金比較強(qiáng)。隨著切削速度的提高，CBN刀具自身的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出增長趨勢(shì)，因此刀尖位置的切削溫度會(huì)隨之下降，并使得刀具磨損量減少。CBN材料的耐熱性與金剛石相比要高一倍，非常適用于高溫加工。

高速切削時(shí)，切削速度需要高于平常的切削速度十幾倍。在切削溫度高的情況下，刀具出現(xiàn)失效的原因多是受到刀具材料的熱性能影響。因此在切削加工時(shí)要選擇耐熱性能好、導(dǎo)熱性能好、氧化溫度高的刀具。對(duì)鋼材和鑄鐵材料進(jìn)行切削加工時(shí)，切削的速度多在鋁合金加工速度的1/3～1/5，究其原因是切削時(shí)的熱量會(huì)讓刀的尖端出現(xiàn)形變，過熱也會(huì)讓刀產(chǎn)生破損。高速切削低導(dǎo)熱性能以及高硬度材料如鈦合金、鎳基合金、高硬合金鋼的時(shí)候，切削不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)鋸齒形，在進(jìn)行高速銑削中由于厚度出現(xiàn)變化，會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)切屑，使刀具內(nèi)的熱應(yīng)力出現(xiàn)變化，刀具出現(xiàn)磨損。

3 化學(xué)性能的匹配

刀具磨損主要原因便是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損。其中機(jī)械磨損主要包括磨料、黏著、塑性磨損等；刀具材料在高溫下出現(xiàn)分解、溶解或者元素?cái)U(kuò)散的現(xiàn)象被成為化學(xué)磨損。刀具進(jìn)行切削時(shí)出現(xiàn)的磨損與加工材料自身特性有著緊密聯(lián)系。隨著切削條件和工件材質(zhì)的改變，磨損機(jī)制也會(huì)產(chǎn)生變化。低速切削的時(shí)溫度相對(duì)較低，造成刀具磨損的形式主要為磨料；而高速切割的時(shí)候，受到切割時(shí)的溫度等因素影響，能在溫度變化中引發(fā)一些化學(xué)反應(yīng)，這期間氧化磨損與擴(kuò)散磨損占據(jù)重要位置。隨著切削溫升高，工件硬度逐漸下降，磨料現(xiàn)象開始減少。

化學(xué)性能匹配需要將加工刀具與被加工件的化學(xué)性能相匹配，而不同組分的刀具，在不同工件材料中的適宜度是不同的，特別是刀具與工件中的元素具有極強(qiáng)的化學(xué)親和性時(shí)，就容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，或者產(chǎn)生粘連、擴(kuò)散，這就要通過回避的方式來解決[3]。例如，在進(jìn)行鎳基合金的時(shí)候，多使用SiC顆?；蛘逽iC晶須的刀具，若使用鋼件刀具磨損就在所難免了，特別是切削的時(shí)候磨損更是嚴(yán)重。

而SIC在高溫下易與鐵元素產(chǎn)生反應(yīng)，反應(yīng)式如下：4Fe+SiC-FeSi+Fe3C。陶瓷化學(xué)惰性遠(yuǎn)大于TiC和WC。即使在融化溫度下，Al2O3的剛也很難起到較大的作用。因此，剛切削的過程中，Al2O3陶瓷刀具出現(xiàn)的擴(kuò)散磨損偏小。另外Al2O3中含有的鋁元素，在形成鋁合金以后會(huì)差生較大的親和力，這便使得黏著磨損與擴(kuò)散磨損現(xiàn)象非常容易產(chǎn)生，所以在使用的時(shí)候盡量不要選擇刀具加工鋁、鈦合金等。

4 結(jié)束語

每一種不同材質(zhì)的刀具在進(jìn)行機(jī)械加工過程中都有不同的使用方式，刀具的使用的效果和壽命也存在較大的差異，因此在加工時(shí)進(jìn)行刀具的選擇需要根據(jù)被加工件的材質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性選擇。在使用的時(shí)候若能對(duì)應(yīng)好，將會(huì)加大工作效率，減少刀具的模式，也能提高切削加工生產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)

[1]陳群英.硬質(zhì)材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2012（13）：79.

[2]田 育.現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的刀具失效形式分析[J].價(jià)值工程，2011，30（26）：54.

[3]趙小健.硬質(zhì)材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用[J].東方教育，2014（7）.

收稿日期：2018-3-24