新型刀具材料與切削工藝的變革策略探討

郭成程

（大連恒瑞精機有限公司，遼寧 大連 116600）

新型刀具材料應用全面更新，促使刀具材料以及相關切削工藝逐步更新，過去傳統化的生產流程開始進一步變革。通過新刀具應用能全面替代傳統材料，應用銑削替代原有的磨削，通過車削替代磨削等，能有效采取全新的切削技術工藝優化傳統舊的技術工藝，能有效提高零件加工工藝。刀具材料創新與各項機械技術、控制技術發展有效結合，推動進給速度、切削速度、加工精度全面發展。

1 涂層刀具

涂層刀具是在強度和韌性較好的硬質合金或高速鋼（HSS）基體表面上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物（也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而制備的。涂層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了基體的磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦系數小和熱導率低等特性，切削時可比未涂層刀具壽命提高3倍～5倍以上，提高切削速度20%～70%，提高加工精度0.5級～1級，降低刀具消耗費用20%～50%。多涂層刀具是現階段涂層刀具發展重點，多涂層刀具具備良好的耐磨性，能對多種材質工件進行加工。針對各類多種工件材料混合加工方法，多涂層刀具屬于理想狀態的刀具應用材料[1]。

2 陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料應用主要有晶須強化陶瓷、氧化鋁基陶瓷、氧化硅陶瓷。陶瓷刀具材料運行中自身要具備較好的溫度條件，在加工生產中可以允許應用比硬質合金較高的切削速度以及進給速度。選取氮化硅陶瓷中，實際切削功率要高于混合陶瓷，也高出硬質合金。在過去氮化硅陶瓷材料開發成功之后陶瓷刀具材料發展較快，除了具備良好的硬度值以及耐磨性之外，其韌度與抗沖擊性能突出，能全面提升切削加工操作運行穩定性。所以，此類陶瓷材料應用能融入到銑削片狀石墨結構的材質中。多數工業技術發展較快的國家，在工業加工生產中會選取氧化硅陶瓷刀具對缸體、銑削鑄鐵曲軸箱體、缸蓋平面進行高速加工。有較多區域汽車生產廠通過此類刀具材料進行加工生產，在組合機床中的運行切削速度全面加快，能有效降低銑削時間，與傳統硬質合金銑刀運行相比加工效率大大提升[2]。

3 碳化鈦基硬質合金

碳化鈦基硬質合金是灰鑄鐵件以及鋼的精加工應用刀具材料，此項技術受到社會各界重視，是應用發展較快的材料。有部分國家將此類新刀具材料定義為金屬陶瓷硬質合金，判定其是由陶瓷材料、粘結金屬組成的新型刀具材料。從材料成分層面來看，組成元素主要是氮化鈦以及碳化鈦，粘結金屬為Mo以及Ni，其中TiC為主要成分，鎳鉬為粘結相制成的硬質合金。與過去WC基硬質合金應用對比能得出，此類刀具屬于不含鎢鈷的硬質合金。從WC及硬質合金以及Ti（N）C基硬質合金應用對比能得出，后者應用具有更多優勢，諸如具備良好的高溫硬度、化學穩定性、刀刃強度值較高、摩擦系數較小，但是韌度相對前者較差。綜上上述各項基本特征，促使此類硬質合金在加工生產中要投入較快的切削速度以及較小的切削深度，對各類工件進行精加工，能有效提升加工面質量，對尺寸精度進行控制，促使刀具應用壽命延長。在切削加工操作中，通過此類新型刀具材料應用實際產生的切削力偏小，工件應用中發熱情況減少，針對工業生產精加工操作，此類新型硬質合金屬于理想狀態刀具[3]。

4 立方氮化硼

立方氮化硼自身具備較高的硬度值，具備良好的耐磨性、韌度、化學穩定性以及導熱性，適合加工其硬度在HRC45以上的淬火鋼、耐磨鑄鐵、HRC35以上的耐熱合金以及HRC30以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。在機床制造業生產加工中，通過立方氮化硼銑刀加工淬硬鋼質或是鑄鋼導軌，能對磨削進行替換，能有效降低工藝設備應用量，提高加工效率且對加工費用合理控制。通過銑削在導軌表層剝露相應的石墨層，能建立分布較為均勻的孔隙，此類孔隙有助于對導軌表層滑動性能有效優化。立方氮化硼還能用于灰鑄件高速切削加工生產，在汽車工業生產加工中通過立方氮化硼鏜刀鏜缸孔，切削速度與進給速度為800m/min以及1500mm/min，針對長度以及孔徑為146mm、92.92mm缸孔加工消耗時間為3.8s。在設定自動線工位過程中能有效調節較長的加工時間，通過鏜孔工位設定來平衡節拍。近年來逐步開發利用立方氮化硼以及六方復合刀具材料，主要是通過精細晶粒組成六方密集排列的氮化硼、立方氮化硼。此類刀具應用具備良好的斷裂性，還具備較高硬度值以及良好的導熱性能，此類刀具能用于斷續切削條件下淬硬零件[4]。

5 聚晶金剛石

聚晶金鋼石具備良好的硬度值以及耐磨性，在有色金屬、鋁合金、纖維增強塑料以及石墨制品中占據良好位置。聚晶金鋼石對于溫度具有良好敏感性，此類材料不能對鐵質材料進行加工，難以在較高溫度狀態下實施切削。目前飛機與汽車工業是聚晶金剛石應用的重要領域，近年來通過各類輕型材料應用能對汽車重量合理調控，也能降低燃料整體消耗。近年來各類鋁合金制品應用量逐步增多，有較多西方工業生產企業在加工中鋁合金材料應用量進一步增加。例如汽車加工廠選取聚晶金鋼石對鋁合金缸蓋進行銑削，和硬質合金應用相比，銑刀應用周期能有效延長。通過聚晶金鋼石應用，對鋁合金法蘭進行銑削，切削速度能達到3770m/min，刀具壽命能有效提高。從生產操作過程中能得出，規范化選取聚晶金剛石刀具，用刀次數以及消耗費用會降低，能有效提升生產效率以及加工質量，創造的經濟效益較高。

6 高速切削工藝

輕型工件材料、高韌性、高硬度刀具材料，加上控制技術高效化應用能有效加速機床技術快速發展，其中刀具材料具備重要決定作用。當前高速發展的切削采取的切削速度要高出常規切削較多倍，比如在鋁材高速銑削中，最快切削速度可以達到2500m/min～4500m/min，鑄件加工為800m/min～2000m/min，纖維增強速度加工為3000m/min～5000m/min，實際進給速度為2m/min～25m/min。從實踐操作中能得出，通過此類高效化切削工藝技術，能有效提升切削效率。

7 結語

各類新型刀具材料全面發展與應用推廣，能有效提升切削效率以及加工精度，促使切削加工技術工藝全面發展。刀具材料、加工方法以及工件材料有效結合，能全面推動機床技術發展。為了突出新型刀具應用性能，機床要注重提高進給速度、主軸轉速、靜動態剛度等，強化刀具材料開發和應用。