高速切削加工中的刀具材料要求及選用*

徐嘉琦， 王 冬

(佳木斯大學(xué),黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

在當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)高新技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)下，機(jī)械加工得到了快速發(fā)展，而刀具對(duì)于機(jī)械加工的精度、柔性等都有著直接影響，對(duì)刀具材料進(jìn)行合理的選擇，能夠?qū)C(jī)械加工設(shè)備的性能最大限度的發(fā)揮出來(lái)。因此，在進(jìn)行高速切削加工的過(guò)程中，技術(shù)人員需要依照不同的加工材料和切削條件，選擇不同的刀具材料，以實(shí)現(xiàn)最佳的切削效果。

1 高速切削加工概述

高速切削是利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行金屬加工的一種方式，與傳統(tǒng)切削加工相同，但是因?yàn)椴捎昧藬?shù)控控制的方式，刀具速度和進(jìn)給率更快，不過(guò)也會(huì)導(dǎo)致切削厚度降低。高速切削加工具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)給速率可以達(dá)到傳統(tǒng)切削加工的5-10倍，能夠節(jié)約30%左右的時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄壁零件的有效加工，而且較高的表面精度避免了后續(xù)精磨作業(yè)。高速切削加工中，切削的速度甚至?xí)^(guò)熱傳導(dǎo)速度，這也使得大部分產(chǎn)生的熱量都會(huì)停留在切屑上，避免了工件的受熱翹曲問(wèn)題。當(dāng)然，高速切削加工也存在一定的缺陷，一是產(chǎn)生的切屑飛行速度快，安全隱患較大，需要做好相應(yīng)的防護(hù)工作；二是刀具磨損嚴(yán)重，使用壽命會(huì)有所降低；三是如果刀具缺乏平衡，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此需要對(duì)主軸和刀具進(jìn)行定期更換。

2 高速切削加工中的刀具材料要求

刀具是切削加工中最為重要的工具，在很大程度上影響著加工技術(shù)的發(fā)展。刀具材料的性能指標(biāo)會(huì)對(duì)其加工性能、加工能力和加工質(zhì)量產(chǎn)生直接作用。而從目前來(lái)看，高速切削加工中使用的刀具材料類型眾多，包括高速鋼、陶瓷、硬質(zhì)合金等材料，需要依照工件的加工強(qiáng)度和性能要求，確定好對(duì)刀具材料的要求。

2.1 高硬度、高韌性

高速切削加工會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和沖擊，如果刀具材料的硬度和韌性不足，會(huì)引發(fā)刀具本身的損壞，較高的硬度可以確保刃口鋒利，有助于提高工件的表面加工質(zhì)量，較高的韌性則能夠幫助刀具很好的承受高速切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削力。

圖1 高速切削

2.2 高耐熱性

耐熱性是對(duì)刀具材料切削性能進(jìn)行衡量的一個(gè)核心指標(biāo)，主要是表示材料在高溫下能夠保持自身硬度的能力。在進(jìn)行高速切削加工的過(guò)程中，摩擦產(chǎn)生的溫度極高，如果刀具的材料無(wú)法承受這樣的問(wèn)題，就必然會(huì)對(duì)加工的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.3 高耐磨性

耐磨性表示的是材料對(duì)于磨損的抵抗能力，一般來(lái)講，當(dāng)一種材料具備較高的硬度時(shí)，其也會(huì)有著良好的耐磨性，在進(jìn)行高速切削加工時(shí)，刀具材料的耐磨性越高，刀具的使用壽命也就越長(zhǎng)。

2.4 高工藝性

從方便刀具制造的角度，刀具材料必須具備較高的工藝性，可以自由進(jìn)行加工和熱處理，具備良好的淬透性以及較小的淬火變形。對(duì)于一些硬度較大的刀具材料，如天然金剛石刀具，因?yàn)楸旧淼募庸すに囆阅茌^差，無(wú)法用于粗加工，只能進(jìn)行精密或者超精密加工。

2.5 高經(jīng)濟(jì)性

如果刀具材料的成本過(guò)高，將會(huì)對(duì)其廣泛應(yīng)用造成限制，以天然金剛石材料為例，雖然有著極高的硬度，但是因?yàn)椴牧汐@取難度較大，成本很好，一般只能被用在精密加工和超精密加工中。當(dāng)然，伴隨著技術(shù)的發(fā)展，在部分領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了天然金剛石的替代品，如人工合成金剛石刀具，雖然相比較天然金剛石材料在硬度上略有不足，但是因?yàn)槌杀镜土?，材料獲取簡(jiǎn)單，因此在很多行業(yè)中都得到了應(yīng)用。

2.6 高環(huán)保性

可持續(xù)發(fā)展理念的提出，使得技術(shù)人員在對(duì)高速切削加工刀具的材料進(jìn)行選擇時(shí)，不僅需要強(qiáng)調(diào)其加工性能，還要求材料具備相應(yīng)的環(huán)境友好性，必須分析在使用這種刀具材料制成的刀具進(jìn)行加工時(shí)，是否會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。

3 高速切削加工中的刀具材料選擇

3.1 硬質(zhì)合金刀具

硬質(zhì)合金刀具如果依照碳化物鎢基進(jìn)行分類，可以分為三種不同的類型，分別是鎢鈷類、鎢鈷鈦類和添加稀有碳化物類。從滿足高速切削加工要求的角度，可以通過(guò)在刀具表面鍍膜的方式來(lái)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行改善，而依照是否鍍膜，又可以將硬質(zhì)合金刀具劃分為鍍膜硬質(zhì)合金刀具和未鍍膜硬質(zhì)合金刀具。在相關(guān)研究文獻(xiàn)中，就鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具的性能進(jìn)行分析和試驗(yàn)，從酸蝕速度方面，針對(duì)刀具材料鈷所能夠達(dá)到的滲透深度進(jìn)行了分析和對(duì)比。有研究人員基于最小微量潤(rùn)滑條件，就鈦合金材料高速切削加工過(guò)程中，硬質(zhì)合金刀具的磨損機(jī)理和磨損形貌進(jìn)行了研究和分析，并且將其與干切削的情況進(jìn)行了全面對(duì)比分析，結(jié)果顯示，當(dāng)處于最小微量潤(rùn)滑條件時(shí)，硬質(zhì)合金刀具本身的磨損程度有所減輕，使用壽命也有了一定的延長(zhǎng)。針對(duì)鈦合金材料進(jìn)行加工的過(guò)程中，通過(guò)在硬質(zhì)合金刀具上鍍膜的方式，同樣能夠提升刀具的耐磨性，促進(jìn)使用壽命的延長(zhǎng)。也有相關(guān)文獻(xiàn)研究了硬質(zhì)合金刀具的磨損形式，提出硬質(zhì)合金刀具在高速切削加工中失效的主要形式，是前刀面的崩刃、剝落以及塌陷，后刀面的磨損則表現(xiàn)為溝槽磨損、崩刃等。硬質(zhì)合金刀具本身的磨損形式主要是粘結(jié)磨損，因此相比存在有切削液的情況，干切削反而能夠在一定程度上延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

3.2 金剛石刀具

金剛石是自然界已知的硬度最大的物體，屬于單一碳原子晶體結(jié)構(gòu)，晶體之間可以通過(guò)sp3雜化鍵連接。金剛石本身有著極強(qiáng)的方向性和穩(wěn)定性，這也使得由金剛石材料制作的刀具在硬度、耐磨性、熱導(dǎo)性以及抗腐蝕性方面幾乎都達(dá)到了頂峰，高速切削加工過(guò)程中，使用金剛石刀具進(jìn)行加工，產(chǎn)生的溫升較小，加工的精度也有著比較明顯的提升。一般情況下，金剛石刀具在鋁和硅鋁合金加工中有著較為廣泛的應(yīng)用。

金剛石刀具可以分為兩種，第一種是單晶金剛石刀具，可以用于超精密切削加工，可供加工的對(duì)象包括紫銅、銅合金以及各種貴重金屬，其本身具備無(wú)晶界的特點(diǎn)，刀具刃口在理論上能夠達(dá)到原子級(jí)別的平滑度和鋒利度，切削精度高。同時(shí)，天然氣安單晶金剛石的硬度大、穩(wěn)定性強(qiáng)，刀具的耐久性和使用壽命也可以得到保障。與之相比，人造單晶金剛石刀具的性能相對(duì)較差，不過(guò)對(duì)比絕大多數(shù)材料的都，依然有著更好的綜合性能，而且成本較低，材料獲取難度小，因此得到了廣泛的應(yīng)用。第二種是多晶金剛石刀具，可以將其細(xì)分為聚晶金剛石刀具和化學(xué)氣相沉積金剛石刀具，前者一般用于有色金屬、陶瓷、硬質(zhì)合金以及復(fù)合材料的切削加工，有著比硬質(zhì)合金刀具更好的性能，雖然硬度趕不上單晶金剛石刀具，但是有效克服了單晶金剛石本身各向異性的缺陷，具備各向同性和導(dǎo)電性，加工簡(jiǎn)單，在使用時(shí)也不需要考慮工件的方向問(wèn)題；后者在材料性能方面接近天然單晶金剛石，一般都是作為其替代品，能夠在一定程度上降低成本。

圖2 金剛石刀具

3.3 立方氮化硼刀具

立方氮化硼在材料性質(zhì)上石墨類似，作為原料的六方氮硼有著僅次于金剛石的硬度，而熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性還要高于金剛石，能夠?qū)Υ慊痄?、高溫合金等材料進(jìn)行加工，可以保持正常的切削加工速度。立方氮化硼刀具有著很多的優(yōu)點(diǎn)，如加工效率高、產(chǎn)品表面粗糙度好等，在加工過(guò)程中不需要用到冷卻液，因此具備良好的環(huán)境友好性。聚晶立方氮化硼是立方氮化硼微粉在高溫高壓環(huán)境下，加入結(jié)合劑煅燒得到，常用的結(jié)合近包括金屬結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑和金屬陶瓷結(jié)合劑等。立方氮化硼刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，有著更快的切削速度，可以有效縮短工件加工所需的時(shí)間，在對(duì)化學(xué)活性材料以及高硬度材料進(jìn)行切削加工時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤，耐用性可以達(dá)到硬質(zhì)合金刀具的10倍甚至更高。對(duì)比金剛石刀具，立方氮化硼刀具的耐磨性較低，不過(guò)因?yàn)榇伟】急旧砼c鐵元素的親和性較差，在加工黑色金屬方面有著良好的適用性。

3.4 陶瓷刀具

依照具體的成分，可以加工陶瓷刀具分為氧化鋁基陶瓷刀具和氮化硅基陶瓷刀具，對(duì)比硬質(zhì)合金刀具，陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐熱性、抗彎強(qiáng)度、彈性模量等都要優(yōu)秀很多，而且其材料本身與金屬的親和力若，即便是在熔融狀態(tài)下，也不會(huì)與金屬發(fā)生反應(yīng)，高速切削加工環(huán)節(jié)基本不會(huì)出現(xiàn)磨損、氧化、粘結(jié)等問(wèn)題。氧化鋁基陶瓷刀具本身具備高耐磨性、高硬度、高溫穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，可以用于鋼材、鑄鐵、石墨、銅合金等的加工，刀具材料和氯元素有著很強(qiáng)的化學(xué)親和性，因此不能將氧化鋁基陶瓷刀具用于鈦合金和鋁合金的加工。同時(shí)，氧化鋁基陶瓷刀具的脆性較大，強(qiáng)度低，在遭遇振動(dòng)和熱沖擊時(shí)，比較容易出現(xiàn)崩刃等問(wèn)題，因此在應(yīng)用中，通常會(huì)在刀具的表面使用氣相沉積法鍍上涂層來(lái)對(duì)刀具的切削性能進(jìn)行強(qiáng)化。氮化硅基陶瓷刀具一般是通過(guò)燒結(jié)的方式制備，加工范圍與氧化鋁基陶瓷刀具基本一致，不過(guò)不能用于灰鑄鐵以及有長(zhǎng)屑產(chǎn)生的鋼材的加工。

圖3 陶瓷刀具

4 結(jié) 語(yǔ)

總而言之，最近幾年，伴隨著高速切削加工的普及，刀具材料也在不斷豐富，能夠?yàn)楦咚偾邢骷庸ぜ夹g(shù)的發(fā)展提供助力，對(duì)于技術(shù)人員而言，應(yīng)該充分考慮加工材料的性質(zhì)以及高速切削加工的要求，做好刀具材料的合理選擇和使用，同時(shí)也應(yīng)該加快對(duì)于新的刀具材料的研發(fā)速度，例如，可以借助土層材料來(lái)對(duì)刀具的性能進(jìn)行改善，延長(zhǎng)其使用壽命，也可以對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行整合，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，對(duì)高速切削加工刀具進(jìn)行仿真分析，推動(dòng)刀具材料研究進(jìn)程的加快。