新型刀具材料與切削工藝的變革策略探討

郭成程

（大連恒瑞精機有限公司，遼寧 大連 116600）

新型刀具材料應(yīng)用全面更新，促使刀具材料以及相關(guān)切削工藝逐步更新，過去傳統(tǒng)化的生產(chǎn)流程開始進(jìn)一步變革。通過新刀具應(yīng)用能全面替代傳統(tǒng)材料，應(yīng)用銑削替代原有的磨削，通過車削替代磨削等，能有效采取全新的切削技術(shù)工藝優(yōu)化傳統(tǒng)舊的技術(shù)工藝，能有效提高零件加工工藝。刀具材料創(chuàng)新與各項機械技術(shù)、控制技術(shù)發(fā)展有效結(jié)合，推動進(jìn)給速度、切削速度、加工精度全面發(fā)展。

1 涂層刀具

涂層刀具是在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼（HSS）基體表面上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物（也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而制備的。涂層作為一個化學(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)，從而減少了基體的磨損。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，切削時可比未涂層刀具壽命提高3倍～5倍以上，提高切削速度20%～70%，提高加工精度0.5級～1級，降低刀具消耗費用20%～50%。多涂層刀具是現(xiàn)階段涂層刀具發(fā)展重點，多涂層刀具具備良好的耐磨性，能對多種材質(zhì)工件進(jìn)行加工。針對各類多種工件材料混合加工方法，多涂層刀具屬于理想狀態(tài)的刀具應(yīng)用材料[1]。

2 陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料應(yīng)用主要有晶須強化陶瓷、氧化鋁基陶瓷、氧化硅陶瓷。陶瓷刀具材料運行中自身要具備較好的溫度條件，在加工生產(chǎn)中可以允許應(yīng)用比硬質(zhì)合金較高的切削速度以及進(jìn)給速度。選取氮化硅陶瓷中，實際切削功率要高于混合陶瓷，也高出硬質(zhì)合金。在過去氮化硅陶瓷材料開發(fā)成功之后陶瓷刀具材料發(fā)展較快，除了具備良好的硬度值以及耐磨性之外，其韌度與抗沖擊性能突出，能全面提升切削加工操作運行穩(wěn)定性。所以，此類陶瓷材料應(yīng)用能融入到銑削片狀石墨結(jié)構(gòu)的材質(zhì)中。多數(shù)工業(yè)技術(shù)發(fā)展較快的國家，在工業(yè)加工生產(chǎn)中會選取氧化硅陶瓷刀具對缸體、銑削鑄鐵曲軸箱體、缸蓋平面進(jìn)行高速加工。有較多區(qū)域汽車生產(chǎn)廠通過此類刀具材料進(jìn)行加工生產(chǎn)，在組合機床中的運行切削速度全面加快，能有效降低銑削時間，與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金銑刀運行相比加工效率大大提升[2]。

3 碳化鈦基硬質(zhì)合金

碳化鈦基硬質(zhì)合金是灰鑄鐵件以及鋼的精加工應(yīng)用刀具材料，此項技術(shù)受到社會各界重視，是應(yīng)用發(fā)展較快的材料。有部分國家將此類新刀具材料定義為金屬陶瓷硬質(zhì)合金，判定其是由陶瓷材料、粘結(jié)金屬組成的新型刀具材料。從材料成分層面來看，組成元素主要是氮化鈦以及碳化鈦，粘結(jié)金屬為Mo以及Ni，其中TiC為主要成分，鎳鉬為粘結(jié)相制成的硬質(zhì)合金。與過去WC基硬質(zhì)合金應(yīng)用對比能得出，此類刀具屬于不含鎢鈷的硬質(zhì)合金。從WC及硬質(zhì)合金以及Ti（N）C基硬質(zhì)合金應(yīng)用對比能得出，后者應(yīng)用具有更多優(yōu)勢，諸如具備良好的高溫硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、刀刃強度值較高、摩擦系數(shù)較小，但是韌度相對前者較差。綜上上述各項基本特征，促使此類硬質(zhì)合金在加工生產(chǎn)中要投入較快的切削速度以及較小的切削深度，對各類工件進(jìn)行精加工，能有效提升加工面質(zhì)量，對尺寸精度進(jìn)行控制，促使刀具應(yīng)用壽命延長。在切削加工操作中，通過此類新型刀具材料應(yīng)用實際產(chǎn)生的切削力偏小，工件應(yīng)用中發(fā)熱情況減少，針對工業(yè)生產(chǎn)精加工操作，此類新型硬質(zhì)合金屬于理想狀態(tài)刀具[3]。

4 立方氮化硼

立方氮化硼自身具備較高的硬度值，具備良好的耐磨性、韌度、化學(xué)穩(wěn)定性以及導(dǎo)熱性，適合加工其硬度在HRC45以上的淬火鋼、耐磨鑄鐵、HRC35以上的耐熱合金以及HRC30以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。在機床制造業(yè)生產(chǎn)加工中，通過立方氮化硼銑刀加工淬硬鋼質(zhì)或是鑄鋼導(dǎo)軌，能對磨削進(jìn)行替換，能有效降低工藝設(shè)備應(yīng)用量，提高加工效率且對加工費用合理控制。通過銑削在導(dǎo)軌表層剝露相應(yīng)的石墨層，能建立分布較為均勻的孔隙，此類孔隙有助于對導(dǎo)軌表層滑動性能有效優(yōu)化。立方氮化硼還能用于灰鑄件高速切削加工生產(chǎn)，在汽車工業(yè)生產(chǎn)加工中通過立方氮化硼鏜刀鏜缸孔，切削速度與進(jìn)給速度為800m/min以及1500mm/min，針對長度以及孔徑為146mm、92.92mm缸孔加工消耗時間為3.8s。在設(shè)定自動線工位過程中能有效調(diào)節(jié)較長的加工時間，通過鏜孔工位設(shè)定來平衡節(jié)拍。近年來逐步開發(fā)利用立方氮化硼以及六方復(fù)合刀具材料，主要是通過精細(xì)晶粒組成六方密集排列的氮化硼、立方氮化硼。此類刀具應(yīng)用具備良好的斷裂性，還具備較高硬度值以及良好的導(dǎo)熱性能，此類刀具能用于斷續(xù)切削條件下淬硬零件[4]。

5 聚晶金剛石

聚晶金鋼石具備良好的硬度值以及耐磨性，在有色金屬、鋁合金、纖維增強塑料以及石墨制品中占據(jù)良好位置。聚晶金鋼石對于溫度具有良好敏感性，此類材料不能對鐵質(zhì)材料進(jìn)行加工，難以在較高溫度狀態(tài)下實施切削。目前飛機與汽車工業(yè)是聚晶金剛石應(yīng)用的重要領(lǐng)域，近年來通過各類輕型材料應(yīng)用能對汽車重量合理調(diào)控，也能降低燃料整體消耗。近年來各類鋁合金制品應(yīng)用量逐步增多，有較多西方工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在加工中鋁合金材料應(yīng)用量進(jìn)一步增加。例如汽車加工廠選取聚晶金鋼石對鋁合金缸蓋進(jìn)行銑削，和硬質(zhì)合金應(yīng)用相比，銑刀應(yīng)用周期能有效延長。通過聚晶金鋼石應(yīng)用，對鋁合金法蘭進(jìn)行銑削，切削速度能達(dá)到3770m/min，刀具壽命能有效提高。從生產(chǎn)操作過程中能得出，規(guī)范化選取聚晶金剛石刀具，用刀次數(shù)以及消耗費用會降低，能有效提升生產(chǎn)效率以及加工質(zhì)量，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益較高。

6 高速切削工藝

輕型工件材料、高韌性、高硬度刀具材料，加上控制技術(shù)高效化應(yīng)用能有效加速機床技術(shù)快速發(fā)展，其中刀具材料具備重要決定作用。當(dāng)前高速發(fā)展的切削采取的切削速度要高出常規(guī)切削較多倍，比如在鋁材高速銑削中，最快切削速度可以達(dá)到2500m/min～4500m/min，鑄件加工為800m/min～2000m/min，纖維增強速度加工為3000m/min～5000m/min，實際進(jìn)給速度為2m/min～25m/min。從實踐操作中能得出，通過此類高效化切削工藝技術(shù)，能有效提升切削效率。

7 結(jié)語

各類新型刀具材料全面發(fā)展與應(yīng)用推廣，能有效提升切削效率以及加工精度，促使切削加工技術(shù)工藝全面發(fā)展。刀具材料、加工方法以及工件材料有效結(jié)合，能全面推動機床技術(shù)發(fā)展。為了突出新型刀具應(yīng)用性能，機床要注重提高進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、靜動態(tài)剛度等，強化刀具材料開發(fā)和應(yīng)用。