如何合理選擇高速切削刀具材料

摘要：高速加工是制造業發展的重要趨勢，由高速加工而產生的高速切削已經成為先進制造工藝的關鍵技術。基于當今刀具材料的發展還不能滿足各領域需求的現狀，本文分析了在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配問題，介紹了刀具在高速切削中的地位、高速切削對刀具材料的要求以及現有高速切削刀具材料的種類，分析了在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配，闡述了如何合理選擇高速切削刀具材料。

關鍵詞：高速切削 刀具 材料

0 引言

機械加工發展的總趨勢是高效率、高精度、高柔性和強化環境意識。在機械加工領域，切(磨)削加工是應用最廣泛的加工方法。高速切削是切削加工的發展方向，已成為切削加工的主流。它是先進制造技術的重要共性關鍵技術。推廣應用高速切削技術將大幅度提高生產效率和加工質量并降低成本。高速切削技術的發展和應用決定于機床和刀具技術的進步，其中刀具材料的進步起決定性的作用。研究表明，高速切削時，隨著切削速度的提高，切削力減小，切削溫度上升很高，達到一定值后上升逐漸趨緩。造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機械摩擦、粘結、化學磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等磨損和破損，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時的力學性能、熱物理性能、抗粘結性能、化學穩定性(氧化性、擴散性、溶解度等)和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等。基于這一要求，近20多年來，發展了一批適于高速切削的刀具材料，可在不同切削條件下，切削加工各種工件材料。

雖然我們總是希望得到既有高的硬度以保證刀具的耐磨性，又有高的韌性來防止刀具的碎裂，但目前的技術發展還沒有找到如此優越性能的刀具材料，魚于熊掌無法兼得。因此，我們會在實際中按照需要選用更合適的刀具材料：粗加工時優先考慮刀具材料的韌性；精加工時優先考慮刀具材料的硬度。當然人們還期待著以超高切削速度進行加工而獲得更好的效果。下面僅就常見的工件材料及刀具的相關情況做如下簡單介紹。

1 鋁合金

1.1 易切削鋁合金 該材料在航空航天工業應用較多，適用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在2000～4000m/min，進給量在3～12m/min，刀具前角為12°～18°，后角為10°～18°，刃傾角可達25°。

1.2 鑄鋁合金 鑄鋁合金根據其Si含量的不同，選用的刀具也不同，對Si含量小于12%的鑄鋁合金可采用K10、Si3N4刀具，當Si含量大于12%時，可采用PKD(人造金剛石)、PCD(聚晶金剛石)及CVD金剛石涂層刀具。對于Si含量達16%～18%的過硅鋁合金，最好采用PCD或CVD金剛石涂層刀具，其切削速度可在1100m/min，進給量為0.125mm/r。

2 鑄鐵

對鑄件，切削速度大于350m/min時，稱為高速加工，切削速度對刀具的選用有較大影響。當切削速度低于750m/min時，可選用涂層硬質合金、金屬陶瓷；切削速度在510～2000m/min時，可選用Si3N4陶瓷刀具；切削速度在2000～4500m/min時，可使用CBN刀具。鑄件的金相組織對高速切削刀具的選用有一定影響，加工以珠光體為主的鑄件在切削速度大于500m/min時，可使用CBN或Si3N4，當以鐵素體為主時，由于擴散磨損的原因，使刀具磨損嚴重，不宜使用CBN，而應采用陶瓷刀具。如粘結相為金屬Co，晶粒尺寸平均為3μm，CBN含量大于90%～95%的BZN6000在V=700m/min時，宜加工高鐵素體含量的灰鑄鐵。粘結相為陶瓷(AlN＋AlB2)、晶粒尺寸平均為10μm、CBN含量為90%～95%的Amborite刀片，在加工高珠光體含量的灰鑄鐵時，在切削速度小于1100m/min時，隨切削速度的增加，刀具壽命也增加。

3 普通鋼

切削速度對鋼的表面質量有較大的影響，據研究，其最佳切削速度為500～800m/min。目前，涂層硬質合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷、CBN刀具均可作為高速切削鋼件的刀具材料。其中涂層硬質合金可用切削液。用PVD涂層方法生產的TiN涂層刀具其耐磨性能比用CVD涂層法生產的涂層刀具要好，因為前者可很好地保持刃口形狀，使加工零件獲得較高的精度和表面質量。金屬陶瓷刀具目前占市場份額較大，以TiC-Ni-Mo為基體的金屬陶瓷化學穩定性好，但抗彎強度及導熱性差，適于切削速度在400～800m/min的小進給量、小切深的精加工；用TiCN作為基體、結合劑中少鉬多鎢的金屬陶瓷將強度和耐磨兩者結合起來，用TiN來增加金屬陶瓷的韌性，其加工鋼或鑄鐵的切深可達2～3mm。

4 高硬度鋼

高硬度鋼(HRC40～70)的高速切削刀具可用金屬陶瓷、陶瓷、TiC涂層硬質合金、PCBN等。金屬陶瓷可用基本成分為TiC添加TiN的金屬陶瓷，其硬度和斷裂韌性與硬質合金大致相當，而導熱系數不到硬質合金的1/10，并具有優異的耐氧化性、抗粘結性和耐磨性。另外其高溫下機械性能好，與鋼的親和力小，適合于中高速(在200m/min左右)的模具鋼SKD加工。金屬陶瓷尤其適合于切槽加工。采用陶瓷刀具可切削硬度達HRC63的工件材料，如進行工件淬火后再切削，實現“以切代磨”。切削淬火硬度達HRC48～58的45鋼時，切削速度可取150～180m/min，進給量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm。粒度在1μm，TiC含量在20%～30%的Al2O3-TiC陶瓷刀具，在切削速度為100m/min左右時，可用于加工具有較高抗剝落性能的高硬度鋼。當切削速度高于1000m/min時，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90%的PCBN刀具適合加工淬硬工具鋼(如HRC55的H13工具鋼)。

5 高溫鎳基合金

Inconel 718鎳基合金是典型的難加工材料，具有較高的高溫強度、動態剪切強度，熱擴散系數較小，切削時易產生加工硬化，這將導致刀具切削區溫度高、磨損速度加快。高速切削該合金時，主要使用陶瓷和CBN刀具。碳化硅晶須增強氧化鋁陶瓷在100～300m/min時可獲得較長的刀具壽命，切削速度高于500m/min時，添加TiC氧化鋁陶瓷刀具磨損較小，而在100～300m/min時其缺口磨損較大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel 718合金的加工。一般認為，SiC晶須增強陶瓷加工Inconel 718的最佳切削條件為：切削速度700m/min，切深為1～2mm，進給量為0.1～0.18mm/z。氮氧化硅鋁(Sialon)陶瓷韌性很高，適合于切削過固溶處理的Inconel 718(HRC45)合金，Al2O3-SiC晶須增強陶瓷適合于加工硬度低的鎳基合金。

6 鈦合金(Ti6Al6V2Sn)

鈦合金強度、沖擊韌性大，硬度稍低于Inconel 718，但其加工硬化非常嚴重，故在切削加工時出現溫度高、刀具磨損嚴重的現象。實驗得出，用直徑10mm的硬質合金K10兩刃螺旋銑刀(螺旋角為30°)高速銑削鈦合金，可達到滿意的刀具壽命，切削速度可高達628m/min，每齒進給量可取0.06～0.12mm/z，連續高速車削鈦合金的切削速度不宜超過200m/min。

7 復合材料

航天用的先進復合材料，以往用硬質合金和PCD，硬質合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高溫下PCD刀片與硬質合金或高速鋼刀體焊接處熔化，用陶瓷刀具則可實現300m/min左右的高速切削。

高速切削技術已成為切削加工的主流，加快其推廣應用，將會創造巨大經濟效益。高速切削刀具材料對發展和應用高速切削技術具有決定性作用。超硬刀具材料(PCD與.CBN)、陶瓷刀具、TiC(N)基硬質合金刀具(金屬陶瓷)和涂層刀具等四大類高速切削刀具材料各有其特性和應用范圍，它們相互配合，彼此競爭，推動高速切削技術的發展和應用。