機械加工車磨復合材料的特點及發展趨勢

趙海洋++韓洋

摘 要：金屬切削加工作為制造技術中最主要的工藝技術，決定著制造業中零件的加工效率、精度、質量和成本。切削加工是機械制造業最基本最大量的工藝技術，進入了以發展高速切削、開發新的切削工藝和加工方法、提供成套加工技術為特征的發展新階段。與此同時，制造技術和加工材料的發展推動著刀具技術的發展，刀具技術也向高速切削、高精度和干式加工的方向發展，新的切削工藝和加工方法不斷出現。在機械加工中，刀具材料是決定加工效率、加工質量和加工成本的關鍵因素之一，正確選擇和應用刀具材料至關重要。

關鍵詞：機械加工；車刀材料；車磨復合刀片

一、車刀材料概述

（一）車刀材料的發展

隨著制造業的發展，新型刀具材料不斷涌現，比如陶瓷刀具、金剛石刀具、立方氮化硼等超硬材料刀具的出現，使切削加工的水平提高到一個嶄新的水平，切削速度大幅提高。使一些原來難加工的或不可切削加工的硬脆材料的加工也成為可能。在現代刀具材料中，硬質合會占主導地位。涂層硬質合金刀具促使切削加工水平和能力向前邁進了一大步，耐熱性提高到1000～1200℃以上，隨著新型涂層材料的不斷涌現，新型涂層技術的不斷發展，硬質合金涂層刀具的使用領域不斷擴大，在高速切削和超硬材料加工方面得到廣泛應用，其優良的性價比使硬質合金刀具的發展上進入了一個嶄新的階段。

（二）常用車刀材料

常用的車刀材料主要有：

1.碳素工具鋼

2.合金工具鋼

3.高速鋼

4.鑄造鈷基合金（斯太立特合金）

5.硬質合金：

a）氧化鋁基陶瓷

b）氯化硅陶瓷

6.超硬刀具材料：

a）立方氮化硼刀具

b）金剛石刀具。

二、車磨復合刀片

（一）車磨復合刀片的特點

車磨復合刀具是在具有高強度和韌性的基體材料上通過化學或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜，使切削刀具獲得優良的綜合切削性能，從而滿足高速切削加工的要求，從而使加工過程達到以車代磨得效果。例如可轉位刀片的硬質合金表面生長一層磨料或者超硬材料制成的刀具，即磨料薄膜涂層刀具具有磨料的特性。在硬質合金表面生長一層磨料制成的刀具，即磨料薄膜涂層刀具具有磨料的特性。這種刀片將韌性與耐磨性有機地結合在一起，使刀具壽命提高2-5倍。目前，涂層硬質合金刀片已發展到多涂層和超硬材料即金剛石或CBN，其耐磨性和切削能力顯著提高，應用范圍也日益擴大。當此類刀片具有以下特點：

1.由于刀具涂層具有很高的硬度和耐磨性，故與無涂層刀具相比，在不降低刀具強度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度、耐磨性和刀具的切削壽命。

2.隨著涂層技術的不斷發展，刀具涂層穩定性及高溫抗氧化性更加突出，從而能夠進行高速切削加工，有效地提高切削加工效率，同時可以提高加工質量，在一定的程度上可以達到以車代磨的效果。

3.采用涂層刀具進行加工時，可有效地改善零件加工質量，也適合于干式切削加工。

4.刀具涂層技術有效地減少刀具材料的消耗，可進行重復涂層工藝，降低力成本；減少冷卻液的使用，利于環境保護。刀具表面涂覆的硬質薄膜主要是一些具有高硬度的耐磨化合物，一般有如下要求：硬度高、耐磨性能好；化學性能穩定，不與工件材料發生化學反應；耐熱耐氧化，摩擦系數低，與基體附著牢固；應有滲透，無氣孔；良好的工藝性和低成本。

（二）國內外研究現狀

車削加工的刀片一直以硬質合金為主，要求刀片壽命長、可靠性高、能適應高速切削等特性。由于工件毛坯凈成形技術的發展，加工余量逐漸減小，使切削更穩定，因此刀具壽命就成了選擇刀具的關鍵。提高刀具使用壽命的方法并不像立銑刀那樣改進切削刀形狀，而是針對刀具材質制定對策，以提高硬質合金涂層的耐磨性來延長刀具壽命

車削用可轉位刀片以涂層硬質合金為主這一點變化不大，但近年來以高速切削和提高刀具壽命為目的的新型涂層和基體材料的開發有了很大進展。涂層硬質合金近年來也有了新的發展，如金屬陶瓷具有很高的抗粘結性，在HRC40以下鋼材的精加工時可進行高速切削，且表面粗糙度低，但它在切削時的耐熱性和抗沖擊性

較差。

（三）車磨復合材料的發展趨勢

當今，研制發展新型刀具材料目的在于改善現有刀具的材料性能，使其更具有廣泛的應用范圍，滿足新的難加工材料的切削加工要求。近年來刀具材料的發展與應用主要的方向是發展高性能的新型材料，提高刀具材料的使用性能，增加刃口的可靠性，延長刀具的使用壽命；大幅度地提高切削效率，滿足各種難加工材料的切削要求，同時提高切削的加工精度，在一定的程度上達到以車銑代磨的效果。

1.開發加入增強纖維須得陶瓷材料，進一步提高陶瓷刀具材料的性能。與鐵金屬相容的增強纖維可以使陶瓷刀片韌性提高，實現直接壓制成形帶有前角及斷屑槽的陶瓷刀片。使陶瓷刀片能更好地控制切屑，大幅度提高切削用量。

2.改進碳化鈦、氮化鈦基硬質合金材料，提高其韌性及刃口的可靠性，使其能用于半精加工或粗加工。

3.開發新的涂層材料。目前涂層硬質合金已普遍用于車、銑刀具。新的涂層材料用更韌的基體與更硬的刃口組合，采用更細顆粒和改進涂層與基體粘合性，以提高道具的可靠性。

4.進一步改進粉末冶金高速剛得制造工藝，擴大其應用范圍，開發擠壓復合材料。如用擠壓復合材料制成的整體立銑刀由兩層組成：外層是分布于鋼母體中的50%氮化硅，內心是高速鋼。它的生產率是傳統高速鋼立銑刀的三倍。特別適合加工硬度大40HRC的淬硬鋼和鈦合鋼。

5.推廣應用金剛石和CBN涂層刀具，擴大超硬刀具材料在機械制造中的應用。期望在硬質合金基體上加一層金剛石或CBN薄膜，能獲得金剛石或CBN的抗磨性，同時又具有最佳刀具形狀和高的抗振性能，這樣就能在非鐵金屬加工中兼備高速的切削能力和最佳刀具形狀。

三、結論

復合刀具不僅是加工高硬度材料的理想刀具，而且適用于高速精密和自動化加工，尤其是用超硬材料刀具進行以車代磨、以銑代磨，更具有高效、低耗，已成為先進制造技術不可缺少的工藝裝備。

參考文獻：

[1]肖詩綱.現代刀具材料[M].重慶大學出版杜，1992.

[2]方嘯虎.超硬材料科學與技術[M].北京：中國建材工業山版社，1998.