高速切削加工用刀具材料的研究

重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400074

1 高速切削加工概述

高速切削加工是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一體的先進(jìn)制造技術(shù),具有材料切除率高、加工精度高、成本低、可加工難加工材料等優(yōu)點(diǎn)[1],解決了常規(guī)切削加工一些無法解決的加工問題。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,高速切削加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用,加工效率也不斷提高。目前,高速切削加工主要分為高主軸轉(zhuǎn)速切削加工、高效率切削加工和高速大進(jìn)給切削加工[2-3]。

2 刀具材料要求

刀具作為切削加工的重要工具,對(duì)加工技術(shù)的發(fā)展起著重要的作用。刀具材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)決定了刀具的加工能力、加工性能和工件的加工表面質(zhì)量。刀具材料種類較多,主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料等[4]。

主要根據(jù)加工強(qiáng)度和性能要求選擇刀具材料。

(1) 高硬度、高韌性。刀具材料要求能夠在高速加工過程中承受所產(chǎn)生的較大沖擊和振動(dòng),且不發(fā)生崩刃或斷裂。高硬度保證刃口鋒利,可以提高工件的表面加工質(zhì)量。高韌性保證刀具能夠承受高速加工過程中所產(chǎn)生的切削力。

(2) 高耐熱性。耐熱性是衡量刀具材料切削性能的重要指標(biāo)之一,用于表征材料在高溫下保持自身硬度的性能。高速加工過程中往往會(huì)產(chǎn)生高溫,這就要求刀具具有在高溫下正常工作的能力。

(3) 高耐磨性。耐磨性表征材料抵抗磨損的能力,通常硬度較高的材料,耐磨性也較好。在高速加工過程中,抵抗磨損的能力越強(qiáng),刀具的使用壽命就越長。

(4) 抗熱沖擊性。高速切削加工是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程,在加工過程中會(huì)產(chǎn)生較高的溫度,這就要求刀具材料具有良好的抗熱沖擊性,以及與工件接觸時(shí)的抗斷裂和塑性變形能力[5]。

(5) 良好工藝性。為了便于制造刀具,要求刀具材料具有足夠的可加工性和熱處理性,如良好的淬透性、淬火變形小等。對(duì)于超硬材料刀具,如天然金剛石刀具,可加工工藝性較差,不能加工出切屑槽,因此不能用于粗加工,但可以用于精密、超精密加工。

(6) 良好經(jīng)濟(jì)性。成本過高的刀具材料不能得到廣泛應(yīng)用,如天然金剛石材料,雖然硬度超強(qiáng),是目前已知的自然界最硬材料,但由于原料難以獲得,且成本高,因此無法廣泛應(yīng)用,僅用于精密、超精密加工。一些領(lǐng)域現(xiàn)已采用替代品進(jìn)行加工,如合成金剛石刀具,盡管硬度低于天然金剛石刀具,但是成本相對(duì)較低,原料容易獲得,因此在汽車、航空等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

(7) 材料獲得和加工環(huán)境友好性。隨著社會(huì)的發(fā)展,環(huán)保意識(shí)不斷提高,選擇刀具材料時(shí)應(yīng)該考慮刀具材料獲得時(shí)是否環(huán)境友好,已經(jīng)使用這種材料的刀具進(jìn)行加工時(shí)是否會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生破壞。在可以選擇的前提下,盡可能選擇環(huán)境友好的刀具材料。

對(duì)于刀具材料,主要通過研究鍍膜方法和鍍膜材料,提高切削加工時(shí)刀具的抗磨損性能[6-7]。

3 硬質(zhì)合金刀具

硬質(zhì)合金刀具根據(jù)碳合物鎢基可以分為鎢鈷類、鎢鈷鈦類和添加稀有碳化物類[8]。目前,為了滿足高速切削加工對(duì)刀具的要求,對(duì)刀具進(jìn)行了表面鍍膜,以改善硬質(zhì)合金刀具的力學(xué)性能。根據(jù)是否鍍膜,可以將硬質(zhì)合金刀具分為鍍膜硬質(zhì)合金刀具和未鍍膜硬質(zhì)合金刀具。

文獻(xiàn)[9]對(duì)鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具的性能進(jìn)行了試驗(yàn),基于酸蝕速度對(duì)刀具材料鈷的滲透深度進(jìn)行分析,并進(jìn)行對(duì)比研究。文獻(xiàn)[10]基于最小微量潤滑條件對(duì)硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金材料進(jìn)行磨損形貌和機(jī)理研究,并與干切削情況進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明,在最小微量潤滑條件下,硬質(zhì)合金刀具磨損情況有所改善。在加工鈦合金材料時(shí),采用涂層刀具能夠更有效地減少磨損,延長刀具使用壽命。文獻(xiàn)[11]對(duì)硬質(zhì)合金刀具的磨損形式進(jìn)行研究,認(rèn)為硬質(zhì)合金刀具的主要失效形式為前刀面塌陷、剝落和崩刃,后刀面溝槽磨損、微崩刃和崩刃。硬質(zhì)合金刀具主要以粘結(jié)磨損為主,相比有切削液的情況,干切削情況下耐用度較好,使用壽命較長[12]。

4 金剛石刀具

金剛石是碳的同素異構(gòu)體,是目前已知的自然界中最硬的材料。金剛石為單一碳原子晶體結(jié)構(gòu),屬于等軸面心立方晶系,且晶體間通過sp3雜化共價(jià)鍵連接。金剛石晶體具有超強(qiáng)的方向性、結(jié)合力和穩(wěn)定性,因此,金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性、高熱導(dǎo)性和強(qiáng)抗腐蝕性。金剛石刀具在加工過程中溫度明顯較低,加工精度明顯提高[13]。金剛石刀具主要用于加工有色金屬和非金屬材料,目前在鋁和硅鋁合金的高速切削加工中廣泛應(yīng)用[14]。

金剛石刀具分為單晶金剛石刀具和多晶金剛石刀具。天然單晶金剛石刀具用于超精密切削,切削對(duì)象包括紫銅及銅合金,以及金、銀、銠等貴重有色金屬。天然單晶金剛石刀具也可以用于特殊零件的超精密鏡面加工。天然單晶金剛石基于無晶界特點(diǎn),使刃口達(dá)到理論上的原子級(jí)平滑度和鋒利度,切削時(shí)精度高、切薄能力強(qiáng)。天然單晶金剛石具有超硬特性與穩(wěn)定的化學(xué)性能,保證了天然單晶金剛石刀具的耐用度和使用壽命[15]。人造單晶金剛石刀具的性能差于天然單晶金剛石刀具,但仍然強(qiáng)于大多數(shù)材料的刀具,且性能穩(wěn)定、精度高。人造單晶金剛石相比天然單晶金剛石容易獲得,成本低。目前,人造單晶金剛石刀具在市面上得到了廣泛使用。

多晶金剛石刀具分為聚晶金剛石刀具和化學(xué)氣相沉積金剛石刀具。聚晶金剛石刀具主要用于有色金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷、非金屬材料、復(fù)合材料等的切削加工,性能優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具。聚晶金剛石刀具的硬度低于單晶金剛石刀具,但克服了單晶金剛石各向異性的弱點(diǎn),具有各向同性,且具有導(dǎo)電性,易于加工成型,使用時(shí)不需考慮方向。聚晶金剛石刀具還具有材料容易獲得、加工成本低等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛使用。但是,目前聚晶金剛石刀片還不能加工出短屑槽,所以只能用于精切削,且不能用于高精度和超高精度鏡面切削。化學(xué)氣相沉積金剛石刀具由于材料性能與天然單晶金剛石相近,因此在工業(yè)上常作為天然單晶金剛石刀具的替代品使用,可以降低成本。

5 陶瓷刀具

陶瓷刀具根據(jù)成分主要分為氧化鋁基陶瓷刀具和氮化硅基陶瓷刀具兩類[16]。與硬質(zhì)合金刀具相比,陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性及彈性模量等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具[17]。同時(shí),陶瓷材料與金屬的親和力極弱,在熔融狀態(tài)下,基本不與金屬發(fā)生反應(yīng),所以在加工過程中粘結(jié)、擴(kuò)散、氧化、磨損等情況極少發(fā)生。陶瓷刀具要求具有較低的摩擦因數(shù),切削力小,能夠保證工件具有良好的表面粗糙度[18]。

氧化鋁基陶瓷刀具具有高硬度、高耐磨性和高溫穩(wěn)定性等特點(diǎn),主要用于加工各種鑄鐵和鋼料,也可用于銅合金、石墨、工程塑料和復(fù)合材料的加工[19]。氧化鋁基陶瓷與鋁元素具有較強(qiáng)的化學(xué)親和作用,因此氧化鋁基陶瓷刀具不能用于加工鈦合金和鋁合金。氧化鋁基陶瓷脆性大,強(qiáng)度與抗熱振性差,因此氧化鋁基陶瓷刀具在熱沖擊和振動(dòng)情況下,容易產(chǎn)生崩刃等現(xiàn)象。通常情況下,會(huì)在氧化鋁基體的基礎(chǔ)上采用氣相沉積法附著一層涂層,以提高刀具的切削性能[20]。

氮化硅基陶瓷刀具目前以傳統(tǒng)燒結(jié)方式為主進(jìn)行制備[21],其加工范圍與氧化鋁基陶瓷刀具相近,不同之處在于不能用于加工灰鑄鐵和加工過程中伴有長屑產(chǎn)生的鋼材。

6 立方氮化硼刀具

立方氮化硼的性質(zhì)與形狀類似于石墨,其原料為六方氮硼,硬度僅次于金剛石,熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性則強(qiáng)于金剛石。對(duì)于淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料,立方氮化硼刀具以正常切削速度進(jìn)行加工。聚晶立方氮化硼刀具具有加工效率高、耗時(shí)短、所加工產(chǎn)品表面粗糙度好等優(yōu)點(diǎn),加工工程中由于無需冷卻液,因此對(duì)環(huán)境友好[22]。聚晶立方氮化硼基于立方氮化硼微粉,采用結(jié)合劑在高溫高壓下燒結(jié)而成。通常采用的結(jié)合劑有金屬結(jié)合劑、金屬陶瓷結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑。文獻(xiàn)[23]同時(shí)使用鋁和有機(jī)聚硅氮烷作為結(jié)合劑,燒結(jié)聚晶立方氮化硼,結(jié)果表明使用復(fù)合結(jié)合劑制備聚晶立方氮化硼,相對(duì)密度、硬度和抗彎強(qiáng)度均有所提高。

立方氮化硼刀具相比硬質(zhì)合金刀具,切削速度提高,工件加工時(shí)間縮短。在高速切削化學(xué)活性材料和高硬度材料時(shí),切削力小,加工過程中不產(chǎn)生積屑瘤,耐用度是硬質(zhì)合金刀具的十倍以上。與金剛石刀具相比,立方氮化硼刀具耐磨性較低,但由于材料與鐵元素的親和作用較差,因此更適用于加工黑色金屬。與陶瓷刀具相比,立方氮化硼刀具抗沖擊能力更強(qiáng),耐用度更優(yōu)。陶瓷刀具通常適用于粗加工,立方氮化硼刀具適用于精加工,兩者可以互補(bǔ)應(yīng)用[24]。

7 未來發(fā)展

刀具材料的發(fā)展對(duì)于高速切削加工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[25]。隨著各種精密、超精密加工的開展,對(duì)于刀具材料的性能提出了更高的要求。涂層材料與涂層方法的進(jìn)步,不僅能夠有效改善刀具性能,延長刀具使用壽命,提高工件加工精度,而且能夠降低生產(chǎn)成本。另一方面,深入對(duì)復(fù)合結(jié)合劑進(jìn)行研究,可以促進(jìn)新型刀具的發(fā)展[26-27]。對(duì)現(xiàn)有技術(shù),如納米技術(shù)、激光技術(shù)等進(jìn)行統(tǒng)籌和結(jié)合,采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)對(duì)刀具進(jìn)行仿真,同樣可以加快刀具材料的研究進(jìn)程。