高速切削加工用刀具材料的研究

重慶交通大學 機電與車輛工程學院 重慶 400074

1 高速切削加工概述

高速切削加工是集高效、優質、低耗于一體的先進制造技術,具有材料切除率高、加工精度高、成本低、可加工難加工材料等優點[1],解決了常規切削加工一些無法解決的加工問題。隨著現代科技的發展,高速切削加工技術被廣泛應用,加工效率也不斷提高。目前,高速切削加工主要分為高主軸轉速切削加工、高效率切削加工和高速大進給切削加工[2-3]。

2 刀具材料要求

刀具作為切削加工的重要工具,對加工技術的發展起著重要的作用。刀具材料的各項性能指標決定了刀具的加工能力、加工性能和工件的加工表面質量。刀具材料種類較多,主要有高速鋼、硬質合金、陶瓷、超硬材料等[4]。

主要根據加工強度和性能要求選擇刀具材料。

(1) 高硬度、高韌性。刀具材料要求能夠在高速加工過程中承受所產生的較大沖擊和振動,且不發生崩刃或斷裂。高硬度保證刃口鋒利,可以提高工件的表面加工質量。高韌性保證刀具能夠承受高速加工過程中所產生的切削力。

(2) 高耐熱性。耐熱性是衡量刀具材料切削性能的重要指標之一,用于表征材料在高溫下保持自身硬度的性能。高速加工過程中往往會產生高溫,這就要求刀具具有在高溫下正常工作的能力。

(3) 高耐磨性。耐磨性表征材料抵抗磨損的能力,通常硬度較高的材料,耐磨性也較好。在高速加工過程中,抵抗磨損的能力越強,刀具的使用壽命就越長。

(4) 抗熱沖擊性。高速切削加工是高速轉動的過程,在加工過程中會產生較高的溫度,這就要求刀具材料具有良好的抗熱沖擊性,以及與工件接觸時的抗斷裂和塑性變形能力[5]。

(5) 良好工藝性。為了便于制造刀具,要求刀具材料具有足夠的可加工性和熱處理性,如良好的淬透性、淬火變形小等。對于超硬材料刀具,如天然金剛石刀具,可加工工藝性較差,不能加工出切屑槽,因此不能用于粗加工,但可以用于精密、超精密加工。

(6) 良好經濟性。成本過高的刀具材料不能得到廣泛應用,如天然金剛石材料,雖然硬度超強,是目前已知的自然界最硬材料,但由于原料難以獲得,且成本高,因此無法廣泛應用,僅用于精密、超精密加工。一些領域現已采用替代品進行加工,如合成金剛石刀具,盡管硬度低于天然金剛石刀具,但是成本相對較低,原料容易獲得,因此在汽車、航空等行業得到廣泛應用。

(7) 材料獲得和加工環境友好性。隨著社會的發展,環保意識不斷提高,選擇刀具材料時應該考慮刀具材料獲得時是否環境友好,已經使用這種材料的刀具進行加工時是否會對環境產生破壞。在可以選擇的前提下,盡可能選擇環境友好的刀具材料。

對于刀具材料,主要通過研究鍍膜方法和鍍膜材料,提高切削加工時刀具的抗磨損性能[6-7]。

3 硬質合金刀具

硬質合金刀具根據碳合物鎢基可以分為鎢鈷類、鎢鈷鈦類和添加稀有碳化物類[8]。目前,為了滿足高速切削加工對刀具的要求,對刀具進行了表面鍍膜,以改善硬質合金刀具的力學性能。根據是否鍍膜,可以將硬質合金刀具分為鍍膜硬質合金刀具和未鍍膜硬質合金刀具。

文獻[9]對鎢鈷類硬質合金刀具的性能進行了試驗,基于酸蝕速度對刀具材料鈷的滲透深度進行分析,并進行對比研究。文獻[10]基于最小微量潤滑條件對硬質合金刀具加工鈦合金材料進行磨損形貌和機理研究,并與干切削情況進行對比。研究結果表明,在最小微量潤滑條件下,硬質合金刀具磨損情況有所改善。在加工鈦合金材料時,采用涂層刀具能夠更有效地減少磨損,延長刀具使用壽命。文獻[11]對硬質合金刀具的磨損形式進行研究,認為硬質合金刀具的主要失效形式為前刀面塌陷、剝落和崩刃,后刀面溝槽磨損、微崩刃和崩刃。硬質合金刀具主要以粘結磨損為主,相比有切削液的情況,干切削情況下耐用度較好,使用壽命較長[12]。

4 金剛石刀具

金剛石是碳的同素異構體,是目前已知的自然界中最硬的材料。金剛石為單一碳原子晶體結構,屬于等軸面心立方晶系,且晶體間通過sp3雜化共價鍵連接。金剛石晶體具有超強的方向性、結合力和穩定性,因此,金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性、高熱導性和強抗腐蝕性。金剛石刀具在加工過程中溫度明顯較低,加工精度明顯提高[13]。金剛石刀具主要用于加工有色金屬和非金屬材料,目前在鋁和硅鋁合金的高速切削加工中廣泛應用[14]。

金剛石刀具分為單晶金剛石刀具和多晶金剛石刀具。天然單晶金剛石刀具用于超精密切削,切削對象包括紫銅及銅合金,以及金、銀、銠等貴重有色金屬。天然單晶金剛石刀具也可以用于特殊零件的超精密鏡面加工。天然單晶金剛石基于無晶界特點,使刃口達到理論上的原子級平滑度和鋒利度,切削時精度高、切薄能力強。天然單晶金剛石具有超硬特性與穩定的化學性能,保證了天然單晶金剛石刀具的耐用度和使用壽命[15]。人造單晶金剛石刀具的性能差于天然單晶金剛石刀具,但仍然強于大多數材料的刀具,且性能穩定、精度高。人造單晶金剛石相比天然單晶金剛石容易獲得,成本低。目前,人造單晶金剛石刀具在市面上得到了廣泛使用。

多晶金剛石刀具分為聚晶金剛石刀具和化學氣相沉積金剛石刀具。聚晶金剛石刀具主要用于有色金屬、硬質合金、陶瓷、非金屬材料、復合材料等的切削加工,性能優于硬質合金刀具。聚晶金剛石刀具的硬度低于單晶金剛石刀具,但克服了單晶金剛石各向異性的弱點,具有各向同性,且具有導電性,易于加工成型,使用時不需考慮方向。聚晶金剛石刀具還具有材料容易獲得、加工成本低等優點,得到廣泛使用。但是,目前聚晶金剛石刀片還不能加工出短屑槽,所以只能用于精切削,且不能用于高精度和超高精度鏡面切削?；瘜W氣相沉積金剛石刀具由于材料性能與天然單晶金剛石相近,因此在工業上常作為天然單晶金剛石刀具的替代品使用,可以降低成本。

5 陶瓷刀具

陶瓷刀具根據成分主要分為氧化鋁基陶瓷刀具和氮化硅基陶瓷刀具兩類[16]。與硬質合金刀具相比,陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐熱性、化學穩定性、抗彎強度、斷裂韌性及彈性模量等都遠遠優于硬質合金刀具[17]。同時,陶瓷材料與金屬的親和力極弱,在熔融狀態下,基本不與金屬發生反應,所以在加工過程中粘結、擴散、氧化、磨損等情況極少發生。陶瓷刀具要求具有較低的摩擦因數,切削力小,能夠保證工件具有良好的表面粗糙度[18]。

氧化鋁基陶瓷刀具具有高硬度、高耐磨性和高溫穩定性等特點,主要用于加工各種鑄鐵和鋼料,也可用于銅合金、石墨、工程塑料和復合材料的加工[19]。氧化鋁基陶瓷與鋁元素具有較強的化學親和作用,因此氧化鋁基陶瓷刀具不能用于加工鈦合金和鋁合金。氧化鋁基陶瓷脆性大,強度與抗熱振性差,因此氧化鋁基陶瓷刀具在熱沖擊和振動情況下,容易產生崩刃等現象。通常情況下,會在氧化鋁基體的基礎上采用氣相沉積法附著一層涂層,以提高刀具的切削性能[20]。

氮化硅基陶瓷刀具目前以傳統燒結方式為主進行制備[21],其加工范圍與氧化鋁基陶瓷刀具相近,不同之處在于不能用于加工灰鑄鐵和加工過程中伴有長屑產生的鋼材。

6 立方氮化硼刀具

立方氮化硼的性質與形狀類似于石墨,其原料為六方氮硼,硬度僅次于金剛石,熱穩定性和化學穩定性則強于金剛石。對于淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料,立方氮化硼刀具以正常切削速度進行加工。聚晶立方氮化硼刀具具有加工效率高、耗時短、所加工產品表面粗糙度好等優點,加工工程中由于無需冷卻液,因此對環境友好[22]。聚晶立方氮化硼基于立方氮化硼微粉,采用結合劑在高溫高壓下燒結而成。通常采用的結合劑有金屬結合劑、金屬陶瓷結合劑和陶瓷結合劑。文獻[23]同時使用鋁和有機聚硅氮烷作為結合劑,燒結聚晶立方氮化硼,結果表明使用復合結合劑制備聚晶立方氮化硼,相對密度、硬度和抗彎強度均有所提高。

立方氮化硼刀具相比硬質合金刀具,切削速度提高,工件加工時間縮短。在高速切削化學活性材料和高硬度材料時,切削力小,加工過程中不產生積屑瘤,耐用度是硬質合金刀具的十倍以上。與金剛石刀具相比,立方氮化硼刀具耐磨性較低,但由于材料與鐵元素的親和作用較差,因此更適用于加工黑色金屬。與陶瓷刀具相比,立方氮化硼刀具抗沖擊能力更強,耐用度更優。陶瓷刀具通常適用于粗加工,立方氮化硼刀具適用于精加工,兩者可以互補應用[24]。

7 未來發展

刀具材料的發展對于高速切削加工技術的發展具有重要意義[25]。隨著各種精密、超精密加工的開展,對于刀具材料的性能提出了更高的要求。涂層材料與涂層方法的進步,不僅能夠有效改善刀具性能,延長刀具使用壽命,提高工件加工精度,而且能夠降低生產成本。另一方面,深入對復合結合劑進行研究,可以促進新型刀具的發展[26-27]。對現有技術,如納米技術、激光技術等進行統籌和結合,采用現代計算機輔助工程技術對刀具進行仿真,同樣可以加快刀具材料的研究進程。