新型數控刀具材料的創新設計對提高企業效益的影響

[摘 要] 刀具材料的進步極大的推動著人類社會文化和物質文明的發展。就世界范圍來看，數控機床的應用越來越廣，數控加工技術代表了現代切削加工技術的發展方向，而切削加工技術的進步與數控機床刀具材料的發展和應用密不可分，只有把數控機床和數控刀具材料結合起來，才能充分發揮數控加工技術的潛力，也是推動企業技術進步及提高市場競爭實力的有效手段。

[關鍵詞] 數控機床 刀具 材料 創新設計 效益

數控刀具是指與先進高效的數控機床相配套使用的各種刀具的總稱，是數控機床不可缺少的關鍵配套產品。數控加工刀具以其高效、高速、耐磨、長壽命和良好的綜合切削性能取代了傳統的刀具，已逐步標準化和系列化。近年來，快速發展的數控加工促進了數控刀具的發展。每當一種新型數控刀具產品問世，都會使數控加工技術躍上一個新臺階，產生巨大的經濟和社會效益。世界各國都十分重視數控刀具的研究開發。

一、數控刀具材料的新發展

進入21世紀以來，隨著制造技術的全球化趨勢，制造業的競爭更加激烈，對制造技術必然帶來巨大的挑戰，首當其沖的是切削刀具的變化，為了適應高精化、高速化、自動化、多功能化、高生產率化，縮短交貨期等要求，要求切削刀具材料的強度和韌性要高，具有壽命長、高可靠、耐高溫、耐破損、抗氧化和抗沖擊等特點。特別為了適應當前對環境保護的要求，提出了條件苛刻的干式切削。切削刀具的設計和制造等方面日新月異，不斷推陳出新。數控刀具材料的發展主要體現在刀具的切削性能大幅度提高以適應各項切削技術要求。數控刀具的分類有多種方法，按刀具材料分類有金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬質合金刀具、涂層刀具。超細晶粒硬質合金、粉末冶金高速鋼刀具等。

1.超硬刀具

超硬材料是指人造金剛石和立方氮化硼(簡稱CBN)，以及用這些粉末與結合劑燒結而成的聚晶金剛石(簡稱PCD)和聚晶立方氮化硼(簡稱PCBN)等。超硬材料的出現，不僅在高速切削上起到了突破性的作用，更重要的是能夠適應了較難加工材料的切削需要。

(1)聚晶金剛石(PCD)刀具

聚晶金剛石(PCD)刀具是通過金屬結合劑等金剛石微粉末聚合而成的多晶體材料，在燒結過程中由于結合劑的加入，使PCD晶體間形成以Co、Mo、W、WC和Ni等為主要成分的結合橋，其作用是牢固的把持金剛石，并且使PCD硬度和韌性大幅度提高，增加耐性、提高切削效率。由于天然金剛石價格昂貴、在很多場合下天然金剛石刀具已經被人造聚晶金剛石刀具所代替。PCD刀具是精密加工有色金屬及其合金、陶瓷、玻璃材料、石墨等非金屬材料的最佳刀具。目前鋁合金等產品零件已經無法離開這類刀具。

(2)CVD金剛石渡膜涂層刀具

CVD金剛石是指用化學氣相沉積法在異質基體上合成金剛石膜，基體材料可以是硬質合金或陶瓷等。CVD金剛石具有與天然金剛石完全相同的結構和特性。具有超硬耐磨性和良好的韌性。目前，CVD金剛石渡膜涂層數控刀具多用于航空、航天、汽車及電子信息技術行業。對于高強度鋁合金、纖維金屬層板、鎂合金、石墨、陶瓷等零部件進行加工，達到了高速、高壽命、干式加工技術要求。

(3)立方氮化硼(CBN)刀具與聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具

立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物質，有單晶體和多晶體之分，既CBN單晶和聚晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素異構體之一，由于CBN與金剛石在晶體結構上的相似性，決定了它與金剛石相近的硬度，又具有高于金剛石的熱穩定性和對鐵元素的高化學穩定性。PCBN是在高溫下將微細的CBN材料通過TiC、TiN、AL、Ti等結合相燒結在一起的多晶體材料，是目前利用人工合成的硬度僅次于金剛石刀具材料，它與金剛石統稱為超硬刀具材料。不同CBN含量的PCBN數控刀具，可用于車、鏜、銑、鉸、復合孔等加工過程以及某些較難加工材料，被加工材料的硬度越高越能體現PCBN刀具的優越性。

2.新型陶瓷刀具材料

陶瓷刀具是最具有發展潛力的數控刀具之一。

(1)梯度功能陶瓷刀具。

梯度功能陶瓷刀具是指組分、結構和物理力學性能呈合理梯度變化的陶瓷刀具，其主要目的是緩解陶瓷刀具在切削過程中刀具內的機械應力、熱應力，提高抗震性和可靠性。梯度功能陶瓷刀具的物理力學性能和可靠性比普通均質陶瓷刀具有大幅度的提高，而且速度越高提高越顯著。山東大學采用濕法工藝分散混料、粉末疊層填充、軸向熱壓燒結工藝，研究開發成功兩種梯度功能陶瓷刀具材料FG-1和FG-2。切削試驗結果表明:FG-1抗磨損和破損能力比組分相同的均質陶瓷刀具提高30%～50%。FG-2在切削淬硬工具鋼T10A時刀具壽命比組分相同的均勻陶瓷刀具提高50%～100%。

(2)陶瓷—硬質合金復合刀片

陶瓷—硬質合金復合刀片是指將陶瓷和硬質合金通過燒結的方法結合在一起而得到的新型刀具材料，復合刀片的表層為陶瓷材料，下層或中層為硬質合金。它將陶瓷和硬質合金的優良性能結合起來，陶瓷—硬質合金復合刀片能承受更大的彎曲載荷。利用底層硬質合金與刀桿焊接，可以解決陶瓷刀具難焊接的問題。研究表明:復合刀片接口結合類型為化合物型和擴散型的混合，界面附近硬質合金中Co和W向陶瓷材料中擴散，陶瓷中的Ti向硬質合金中擴散，界面附近形成了Co3W3C、Al18B4O3和TiC幾種新相，提高了界面結合強度。陶瓷—硬質合金復合刀片的抗彎強度可達800～1000Mpa，其抗破損能力比普通陶瓷刀具提高30%以上。

(3)粉末表面涂層陶瓷刀具

粉末表面涂層陶瓷刀具是指在硬質合金粉末表面涂層陶瓷制成復合粉末，然后將復合粉末熱壓制備成新型刀具。粉末表面涂層陶瓷刀具突破在刀具表面進行涂層的傳統方法，變宏觀涂層為微觀涂層，解決了宏觀涂層存在的易剝落崩碎等缺陷。這種涂層刀具既發揮了傳統涂層刀具的優點又克服了其缺點，成為“新生代”涂層陶瓷刀具，其切削可靠性大大優于陶瓷刀具和刀片表面涂層刀具。

3.涂層刀具

涂層技術是將傳統刀具涂覆一層或多層薄模，使刀具性能發生很大改變。涂層材料主要有:TiC、TiN、TiAlN、AlTiN、Al2O3、CrN、CrC、MoS2、WS2等。目前常用的刀具涂層方法有化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、等離子體化學氣相沉積(PCVD)、等離子噴涂及化學涂覆法等。涂層方式有:單涂層、多涂層、梯度涂層、軟/硬復合涂層、納米涂層、超硬薄膜涂層等。其中CVD和PVD被工業界廣泛應用。刀具表面涂層技術極大地改善了數控刀具的切削性能，提高了切削效率，具有成本低見效快的特點。根據涂層刀具基本材料的不同，涂層刀具分為硬質合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具以及在陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具等。

目前各廠商在不斷提高涂層工藝技術，各種新的涂層方法和涂層材料在不斷出現，如納米級超薄、超多層涂層等涂層材料，目的在于不斷提高涂層結合牢度、耐磨性、耐熱性和抗沖擊韌性等。涂層將成為改善刀具性能的重要途徑。

4.硬質合金刀具

硬質合金刀具是由硬度和熔點很高的碳化物:WC、TiC、TaC或NbC等和金屬結構劑(Co、Mo、Ni等)經粉末冶金方法而制成的，其硬度遠高于高速鋼。金屬結合劑含量越高，則抗彎強度越高。其中TiC(N)基硬質合金，其硬度接近陶瓷刀具的硬度水平，硬度一般達91-94HRA，抗彎強度比陶瓷刀具材料高得多，故將其稱為金屬陶瓷。硬質合金是脆性材料，常溫下其沖擊韌性僅為高速鋼的1/30～1/8。晶粒細化后，細和超細硬質合金刀具，不但可以提高其硬度、耐磨性、抗彎強度和抗崩刃性，其高溫硬度也將提高。我國一些硬質合金企業對超細硬質合金已實現了批量生產，可以大幅度提高切削速度，用于難加工材料的加工。

5.高速鋼刀具

高速鋼是一種加入了較多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。其刀具在強度、韌性及工藝性等方面具有優良的綜合性能，在復雜刀具，尤其是制造孔加工刀具、銑刀，螺紋刀具等一些刃形復雜刀具，高速鋼仍占據主要地位。由于高速鋼刀具中W、Co等主要元素資源緊缺，在世界范圍內日益枯竭，所以在所有刀具材料中的比重逐漸下降。那么高速鋼刀具的發展方向是:發展各種少W的通用型高速鋼，擴大使用各種元素無Co、少Co的高性能高速鋼。擴大使用各種粉末冶金高速鋼和涂層高速鋼刀具。

盡管高速鋼刀具在全世界的銷售量以每年約5%的數量在減少，但是高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼的使用在不斷增加。由于表面涂層技術的發展，在高速鋼刀具表面PVD涂層TiN、TiCN、TiAIN后，切削速度可以進一步提高。隨著人們對切削加工效率的追求和觀念的轉變，涂層高速鋼刀具大量應用于轎車、摩托車、航空發動機、汽輪機等制造行業。在復雜數控刀具領域將會進一步發展而占有重要地位。

二、數控刀具材料的發展前景

隨著科學技術的發展，對工程材料提出了越來越高的要求，各種新型航空航天材料、核能材料、復合材料、生物材料、功能材料、納米材料、稀土材料、先進金屬或非金屬材料的應用日益廣泛，工件材料的品種成倍增長。如此種類繁多，工件材料和刀具材料雙方交替進展，相互促進。

涂層刀具材料在數控加工領域有著巨大的潛力，預計今后涂層刀具的應用將會進一步擴大。當前涂層發展的另一個特點是，各廠商都根據產品功能的需要，綜合各種涂層的特點開發專用涂層牌號，涂層已成為刀具新產品開發的重要內容;從資源、價格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大優勢，尤其是其資源優勢。陶瓷刀具材料的主要成分在自然界是用之不竭的，因此，新型陶瓷刀具材料將會得到更大的發展;PCD刀具將繼續在有色金屬及其合金、非金屬材料加工中占有主要地位;PCBN刀具將在黑色金屬及其合金加工中占有主要地位，其應用會越來越廣泛;超細晶粒的硬質合金和粉末高速鋼在小尺寸整體復雜加工領域還將占主導地位;超強、超硬納米刀具材料是最誘人的數控加工刀具材料、加速研究發展，很快有可能成為現實。同時針對工件材料品種成倍增長的趨勢開發通用性好、適應性強，能夠在多種條件下均能正常工作的刀具也是刀具業的發展方向。

環境污染已成為全世界共同關注的焦點，保護環境節約資源是人類發展的必然趨勢。歐美等工業發達國家已清醒地認識到切削液對環境的危害，相繼制定出嚴格的工業排放標準，進一步限制了切削液的使用。因此，開發具有高溫自潤滑功能的刀具材料進行高速干切削是一種環境效益和經濟效益俱全的工藝選擇。研發適應硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是當前研究的熱點。

三、結語

1.具有高速、高精度和高可靠性“三高”刀具的研究開發將是今后數控刀具材料研究開發的重點。

2.納米復合材料與涂層、梯度功能和多種增韌補強機制協同作用的刀具材料的設計與開發是數控刀具材料的研究發展的方向

3.加快新型數控刀具關鍵技術的開發應用，對推動制造業的快速發展具有相當重要的作用。開發通用性好、適應性強、能夠在多種條件下均能正常工作的刀具是刀具業的一個發展方向。

參考文獻:

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