高速切削加工中的刀具材料研究与应用
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作者: 李园
摘 要： 介绍高速切削加工技术所使用的高速钢、硬质合金、陶瓷、涂层等刀具材料的性能特点及应用，探讨在高速切削时选择刀具所考虑的因素。
关键词： 高速切削；刀具材料；加工
中图分类号：TG711 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220093－01
高速切削加工这项先进制造技术在近20年来发展迅猛，切削时线速度高达普通切削线速度的几倍至十几倍甚至几十倍以上，机床主轴转速可达30000r/min以上，进给速度上升到50m/min或更高。刀具材料影响着高速切削加工技术的广泛应用，刀具材料经历了由高速钢、硬质合金到陶瓷、立方氮化硼、涂层材料等不断发展的过程。
1 应对高速切削加工的刀具材料所具备的要求
切削速度是影响切削温度的主要因素，高速切削加工时所采用的速度比普通切削线速度高几倍甚至几十倍，切削温度很高。高速切削刀具的失效形式主要是由于刀具材料的热性能（包括熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）不足所引起的。因此，高速切削除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还突出要求刀具材料具备高耐热性、抗热冲击性、化学稳定性、抗涂层破裂性、抗粘接性等良好的高温力学性能。
2 高速切削的刀具材料
2.1 性能优良的高速钢和硬质合金刀具材料
含有钴元素的高速钢、整体硬质合金材料在制造齿轮滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具时具有独特的优势，可以以较高的速度切削齿轮。用高速钢粉末、硬质合金粉末高温高压下合成的新型粉末冶金材料制成的齿轮滚刀，滚齿速度最高可以达到200m／min。若用TiAIN对这种新型粉末冶金材料进行涂层处理后，可以满足在不加切削液的条件下高速干切齿轮。但是因为高速钢刀具的硬度相对较低，红硬性较差，导热系数在16.75-25.1W/m・K之间，比钨钴类硬质合金低3/4左右，最为关键的是在高温下高速钢中的碳、钨、钒等元素会向被加工金属扩散溶解甚至发生化学反应，所以，高速钢刀具切削高硬度零件时的切削速度低，不超过30m/min，同时刀具的耐用度比较低。
2.2 陶瓷刀具材料
陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，目前有氧化铝系、氮化硅系、硼化钛系及新开发的氧化锆相变增韧陶瓷等。它们具有很高的硬度、耐磨性能及良好的化学稳定性及高速切削所需的物理机械性能。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现以车代磨。陶瓷刀具的常温硬度达92～95HRA，由于其硬度高，所以耐磨性有较大提高，其抗氧化温度为1750℃，具有较高的抗弯强度和断裂韧性。Al2O3基陶瓷抗弯强度为1000～1200MPa，适用于高温耐热合金的精加工或通用加工。Si3N4基陶瓷抗弯强度达到了900MPa以上且具有良好的断裂韧性，高速切削时不易产生裂纹。它与金属的亲和力极小，即使在熔化温度下与金属也不相互反应，氮化硅基陶瓷刀具在切削冷硬铸铁时切削寿命可以达到硬质合金YG8的30倍，在对淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金等易产生加工硬化的金属进行连续、断续切削可得到良好的表面粗糙度。
2.3 金属陶瓷刀具材料
金属陶瓷有较高室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金（TiC+Ni或Mo）、高韧性TiC基硬质合金（TiC+TaC+WC）、强韧TiN基硬质合金（以TiN为主体）、高强韧性TiCN基硬质合金（TiCN+NbC）等。其中高强韧性TiCN基硬质合金比Si3N4基陶瓷刀具具有更高的硬度和耐磨性，更适应高强度钢、淬硬钢的加工；比Al2O3基陶瓷刀具具有更高断裂韧性和抗冲击性，可实现大的切削深度和进给量。金属陶瓷刀具可在300-500m/min的切削速度范围内高速加工钢和合金钢，精加工铸铁。此外金属陶瓷还可制成钻头、铣刀和滚刀，尤其适合于切槽加工。以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在400～800m/min的小进给量、小切深的精加工。用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来，用TiN来增加金属陶瓷的韧性，其加工钢或铸铁的切深可达2～3mm。
2.4 立方氮化硼（CBN）刀具材料
由于立方氮化硼与金刚石在晶体结构与结合上的相似，决定了其具有极高的硬度及红硬性，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁族素的高化学稳定性，可承受1200℃以上的切削温度，并且在高温下（1200℃～1300℃）不与铁族金属发生化学反应。立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁的粗、精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削，在加工高硬度材料时可获得较好的表面粗糙度。但和金刚石一样，刀片价格昂贵，只有用于高速硬切削淬硬钢时才能够显示出其经济性。
聚晶氮化硼（PCBN）是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，PCBN的性能受其中的CBN含量、CBN粒径和结合剂的影响。CBN含量越高，PCBN的硬度和耐磨性就越高。PCBN复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金基体上烧结或压制一层0.5～1mm厚的PCBN而成的，已用制造于车刀、镗刀、铣刀等，主要适合于加工铸铁、耐热合金和硬度超过45HRC的淬硬钢，高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。在高速硬切削方面应用广泛，尤其是精加工汽车发动机零部件时省略磨削工序，降低了成本。
2.5 金刚石刀具材料
金刚石刀具有两种，即：天然金刚石刀具和人造金刚石刀具。天然金刚石价格昂贵，被人造金刚石所替代。人造聚晶金刚石（PCD）是由金刚石和结合剂在高温/高压下烧结而成。PCD刀片可分为整体人造聚晶金刚石刀片和聚晶金刚石复合刀片。目前，大多数使用的PCD都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，便于焊接。金刚石刀具具有如下的特点：① 极高的硬度和耐磨性，② 很低的摩擦系数，③ 刀刃非常锋利，④ 很高的导热性能，⑤ 较低的热膨胀系数。⑥ 具有极高抗冲击韧性。
金刚石刀具适合于加工非金属材料、耐磨有色金属及其合金，超精密加工时应用最为广泛，但不适合于加工钢铁类材料，这是由于由于金刚石的热稳定性差，切削温度达到750℃时，就会降低其硬度。金刚石刀具常用于对汽车发动机中活塞、化油器的切削，航天器中密封容器、联接法兰的切削，由于这些部件材料含硅量较高（5%-40%），对于含硅量＞12%的高强度、高硬度硅铝合金，金刚石刀具能在很长的切削过程中保持锋利刃口和切削效率，并可保证零件的尺寸稳定性和加工质量。实践证明，除金刚石刀具外，其他所有刀具都在较短时间内磨损严重而不能继续切削。
2.6 涂层刀具
涂层刀具是在韧性较好的刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的金属化合物薄膜，使刀具既有较高的韧性、很高的硬度、良好的耐磨性，新型多
层涂层集润滑性与耐磨性于一身，可以减小刀具与工件之间的摩擦，从而能减少或取消润滑液的使用，同时还能获得更好的切屑流。与非涂层刀具相比，涂层刀具的寿命可以提高2-10倍。根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料（金刚石和立方氮化硼）上的涂层刀具等。涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高2-5倍。涂层刀具可分为两大类：一类是“硬”涂层刀具如TiC、TiN、ZrN、TiCN和AlTiSiN涂层刀具，硬涂层刀具的主要优点是硬度高、耐磨性能好，适应于加工有色金属。另一类是“软”涂层刀具，具有低摩擦系数的固体润滑材料，可以减少摩擦，阻止粘结，降低切削力和切削温度，软涂层刀具的涂层材料主要有MoS2、WS2、CaF2等，适应于加工铝合金、钛合金或贵金属材料。
3 高速切削刀具材料的发展展望
高速切削正是由于刀具材料的不断发展进步而逐渐发展成熟起来的。工业发达国家都在大力发展能适应高速切削条件的先进切削刀具。为适应不同的工件材料和不同的切削速度范围，国内外对刀具材料进行不断的研究开发，推进高速切削、干切削的发展。CBN（立方氮化硼）和PCD（聚晶金刚石）刀具的研究进展较快，主要是对基体材料的改进和涂层技术的应用，以提高刀片基体的强度和刀具表面的抗月牙洼磨损能力，日本三菱采用“粉末活性烧结法”烧制的韧性CBN基体上涂覆专用于CBN材料的MIRACLE涂层技术，实现了超越以往CBN材料的通用性。日本京瓷推出的超微粒子PCD，其PCD基体的金刚石平均粒度从原来的10μm降到1μm，使刀片既具有锋利的刃口，提高了加工表面的光洁度，又具有良好的刃口强度，提高了刀具的抗磨损、抗崩刃性能。
随着技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多地被采用。因此，高速切削刀具材料的发展应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。纳米级超薄超多层和新型涂层材料的开发应用的速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。
参考文献：
[1]于启勋，硬质合金刀具材料技术水平的进展，新技术新工艺，2007.05.
[2]韩福庆，高速切削刀具材料的开发与选择，化学工程与装备，2008.2.
[3]陆庆忠、张福润等，Ti（C，N）基金属陶瓷的研究现状及发展趋势，武汉科技学院学报，2002，15（5）：42-46.
作者简介：
李园（1966-），女，辽宁省北票人，高级讲师，研究方向：机械。
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