高速切削刀具材料及其應(yīng)用
2014-6-16 來(lái)源：數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)網(wǎng) 作者：哈爾濱第一工具制造有限公司郭春華
摘 要：本文介紹了硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石等幾種常見(jiàn)的刀具材料及各自的適用情況，為高速切削技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。
關(guān)鍵詞：高速切削；刀具材料；切削性能
高速切削技術(shù)是一種新型的加工制造技術(shù)，其通過(guò)快速的加工過(guò)程縮短機(jī)具或零件加工的時(shí)間，從而降低加工成本，同時(shí)高速切削技術(shù)具有精度高的特點(diǎn)，因此很適合對(duì)精度要求高的零部件加工，企業(yè)通過(guò)引進(jìn)高速切削技術(shù)大大提高了生產(chǎn)效率，從而提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于高速切削技術(shù)來(lái)說(shuō)，刀具是其核心組成部分，是在高速切削過(guò)程中與被加工材料直接接觸的部分，因此其性能好壞直接影響切削的效果。適用于高速切削的刀具材料有很多，如金剛石、氮化硼、硬質(zhì)合金、陶瓷材料等，但每種材料都有各自適合的應(yīng)用領(lǐng)域，并且隨著新材料的不斷出現(xiàn)，能夠用于高速切削刀具的材料也越來(lái)越多，這為提高切削速度和精度提供了材料基礎(chǔ)。
1 硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘接金屬通過(guò)粉末冶金工藝制程的合金材料，具有硬度高、耐熱等特點(diǎn)，在實(shí)際中可用于切削鑄鐵、玻璃、普通石材、不銹鋼、有色金屬等材料，但這種材料隨著人們對(duì)切削工藝要求的不斷提高已經(jīng)不適合單獨(dú)作為刀具材料。
2 硬質(zhì)合金改性材料
2. 1 硬質(zhì)合金摻雜材料
隨著切削技術(shù)的發(fā)展，單一的硬質(zhì)合金刀具無(wú)論是在硬度、耐磨性還是熱硬性上都顯得力不從心，因此人們通過(guò)向硬質(zhì)合金中添加鎳、鈷、碳化鎢等材料對(duì)其進(jìn)行摻雜改性，研究發(fā)現(xiàn)改性后的硬質(zhì)合金硬度、抗氧化性、耐磨性、熱硬性等方面的性能都得到了不同程度的改善，而對(duì)于常用的碳化鈦基硬質(zhì)合金來(lái)說(shuō)，向其中添加氮化物后材料的性能更是得到了大幅度的提升，但這種材料不適合加工超高溫金屬以及高溫合金、有色金屬等。
2. 2 涂層硬質(zhì)合金材料
鑒于普通硬質(zhì)合金性能不足以滿足現(xiàn)代高速切削的要求，而在硬質(zhì)合金刀具表面涂覆一層或若干層其他硬度高、耐磨性好、潤(rùn)滑性好、難熔的物質(zhì)可使其性能得到很好的改善，從目前的研究來(lái)看，可用于硬質(zhì)合金刀具涂層的材料有碳化鈦、氧化鋁、金剛石、納米材料等。
其中碳化鈦單涂層可在一定程度上增加刀具硬度，增加刀具切削速度，且導(dǎo)熱系數(shù)高， 二氧化鋁涂層的耐氧化性更強(qiáng)，更耐磨，單導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中常常將這兩種材料或者再與第三種材料組成多涂層，取各自材料的優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高刀具的切削性能。
金剛石涂層是利用化學(xué)氣相沉積法在硬質(zhì)合金刀具表面形成一薄層的金剛石薄膜，從而使普通硬質(zhì)合金刀具具備金剛石材料的性質(zhì)，無(wú)論是硬度還是穩(wěn)定性上都大幅度提升，而且成本上來(lái)說(shuō)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金剛石材料的刀具，因此應(yīng)用前景較為廣闊，可用于有色金屬及纖維材料的切割等。納米材料涂層是采用多種不同的納米級(jí)高性能材料制成涂層涂覆于硬質(zhì)合金刀具的表面，通過(guò)不同納米材料的組合來(lái)達(dá)到不同的性能指標(biāo)，較為靈活，是近年才流行起來(lái)的涂層技術(shù)，可用于高速切割領(lǐng)域，但整體上來(lái)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。
3 陶瓷材料
陶瓷材料被認(rèn)為是一種較為先進(jìn)的高速切削刀具材料，其具有硬度高、耐磨性好、與金屬親和力小、化學(xué)穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且在高溫下高速切削時(shí)切屑依然能夠與刀具實(shí)現(xiàn)較好的分離，再加上陶瓷良好的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致不易發(fā)生切削事故，且在切削過(guò)程中被加工零件的加工面粗糙度較小，可實(shí)現(xiàn)以車代磨，只通過(guò)車床一道工序就完成了車、磨兩道工序的工作，因此對(duì)簡(jiǎn)化工藝路線、縮短加工時(shí)間具有十分重大的意義。在實(shí)際工作中，陶瓷刀具材料常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅陶瓷等。
3. 1 氧化鋁基陶瓷材料
氧化鋁基陶瓷包括氧化鋁陶瓷、氧化鋁 - 碳化物陶瓷、氧化鋁 - 金屬陶瓷、氧化鋁 - 金屬 - 碳化物陶瓷等。氧化鋁陶瓷是以氧化鋁陶瓷為主，為增強(qiáng)其抗彎強(qiáng)度向其中添加氧化鎳等物質(zhì)的陶瓷，高溫性能較好，一般用于冷硬鑄鐵、淬火鋼等硬脆材料的高速切削，加工精度較高。而為了提高其抗彎性能、硬度以及韌性等一般采用向氧化鋁陶瓷內(nèi)單獨(dú)添加金屬、碳化物、氮化物或幾種物質(zhì)的混合物而形成陶瓷材料，其中氧化鋁 - 金屬 - 碳化物陶瓷的熱穩(wěn)定性最好，硬度最高，可廣泛用于合金鋼、淬硬鋼、鑄鋼、鎳鉻合金等金屬材料以及纖維玻璃等非金屬材料的加工。
3. 2 氮化硅陶瓷材料
與氧化鋁基陶瓷相比，氮化硅基陶瓷具有較高的強(qiáng)度、斷裂韌度和抗熱震性能，較低的熱脹系數(shù)、楊氏模量和化學(xué)穩(wěn)定性。與鑄鐵不易發(fā)生粘結(jié)，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要用來(lái)高速加工鑄鐵。
4 金剛石材料
金剛石具有硬度極高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，常被任務(wù)是用于鉆探用鉆頭的最佳材料， 由于其優(yōu)異的性能，使之在高速切削刀具材料中也具有十分廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)實(shí)生活中可用作刀具的金剛石有天然金剛石、人工合成單晶金剛石、聚晶金剛石和化學(xué)氣相沉積金剛石涂層刀具等，其中金剛石涂層刀具已經(jīng)在前文中談到。
天然金剛石刀具無(wú)論是耐磨性還是硬度都具備成為最佳刀具的潛質(zhì)，且加工精度超高，可用于精密儀器、零部件的加工，如光學(xué)鏡面、芯片等，但天然金剛石也是當(dāng)前最為昂貴的一種刀具材料。
單晶金剛石是由人工在一定溫度、壓力等條件下合成的金剛石，因此比天然金剛石的加工低廉很多， 其化學(xué)穩(wěn)定性好，尺寸和形狀容易控制，在機(jī)械加工、電子電路板、光學(xué)玻璃以及耐磨地板等的加工等領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。
聚晶金剛石是在幾千度高溫、幾百兆帕的條件下通過(guò)金屬鈷作為粘結(jié)劑壓制而成的材料，其耐磨性能極佳，因此被用作有色金屬、硬質(zhì)合金或硬質(zhì)非金屬材料的加工等。
5 結(jié)語(yǔ)
高速切削技術(shù)是加工企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中得以生存的法寶，通過(guò)高速切削技術(shù)可以顯著提高加工速度和精度，而隨著高速切削技術(shù)的不斷發(fā)展，用于切削的刀具材料也會(huì)不斷更新變化，因此要結(jié)合當(dāng)下的工藝特點(diǎn)和加工要求選擇適合的刀具，并且要緊跟科技發(fā)展的步伐，不斷將新材料、新技術(shù)用于高速切削刀具的制備中，不斷使刀具具有更高的強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、硬度等性能，促進(jìn)機(jī)械加工行業(yè)的快速發(fā)展。
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