高速切削刀具材料（精选8篇）
高速切削刀具材料 篇1
随着科学技术的发展, 对切削加工提出了越来越高的要求, 如对加工效率、加工精度和表面质量的要求, 高速切削正是适应这种需求而发展起来的加工技术。目前, 高速切削加工技术已在汽车、飞机、模具、轻工和信息等产业部门得到非常广泛的应用, 并取得了巨大的技术与经济效益。高速切削加工技术为机械制造企业快速响应市场信息提供了强有力的支持, 其发展与应用是现代制造业发展的必然趋势。各国学者对高速切削摩擦学、刀具磨损机理、刀具寿命、切削力、切削温度以及刀具几何参数、刀具切削用量、冷却润滑条件等的影响进行了大量有效的研究。研究方法除了传统的解析法、经验法及切削试验法外, 有限差分法 (FDM) 用于切削温度分布的研究, 神经网络法用于刀具磨损研究, 有限元法 (FEM) 已广泛用于切削力、切削温度、加工表面残余应力的研究, 为研究开发高速机床和刀具提供了重要的基础。
高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小, 并具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击和耐磨损。目前国内外适用于高速切削的刀具材料主要有陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼 (CBN) 刀具、涂层刀具等。
1 陶瓷刀具
陶瓷刀具与硬质合金刀具相比, 它的硬度高、耐磨性好;刀具耐用度可比硬质合金高几倍以至十几倍。陶瓷刀具在1 200℃以上的高温下仍能进行切削, 这时陶瓷的硬度与200～600℃时硬质合金的硬度相当。陶瓷刀具优良的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高3～10倍的切削速度进行加工。它与钢铁金属的亲和力小、摩擦因数低、抗粘结和抗扩散能力强, 加工表面质量好。另外, 它的化学稳定性好, 陶瓷刀具的切削刃即使处于赤热状态也能长时间连续使用, 这对金属高速切削有着重要的意义。近几年来, 由于材料科学与制造技术的进步, 通过添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能, 还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机理协同作用提高其断裂韧性、抗弯强度, 如纳米复合陶瓷刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯度功能陶瓷刀具、粉末涂层陶瓷刀具、自润滑陶瓷刀具等, 应用范围日益广泛。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。陶瓷刀具可以高效加工传统刀具根本不能加工的高硬材料, 实现“以车代磨”;陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2～10倍, 从而大大提高了切削加工生产效率;陶瓷刀具材料使用的主要原料是地壳中最丰富的元素, 因此陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节省战略性贵重金属具有十分重要的意义。当前, 陶瓷刀具材料的进展集中在提高传统刀具陶瓷材料的性能、细化晶粒、组分复合化、采用涂层、改进烧结工艺和开发新产品等方面, 以期获得耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能, 且能适应高速精密切削加工的要求。
(1) 氧化铝陶瓷刀具
氧化铝陶瓷是以Al2O3为主要成分, 添加少量金属氧化物MgO、NiO、TiO2、Cr2O3等, 经冷压烧结而成的陶瓷。和硬质合金相比, 具有硬度高、耐磨性好 (是一般硬质合金的5倍) 、耐高温和抗粘结性能好以及摩擦因数低等优点, 因此适合于高速切削。陶瓷刀具容许的切削速度比硬质合金高3～10倍。作为使用历史最长的刀具材料, 氧化铝陶瓷刀具最适用于高速切削硬而脆的金属材料, 如冷硬铸铁或淬硬钢, 也可用于大型机械零部件及高精度零件的切削加工。
(2) 金属陶瓷刀具
金属陶瓷也叫硬质合金或烧结碳化物, 它是陶瓷-金属复合材料以TiC为主要成分的合金, 其硬度与耐热性接近陶瓷而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高, 其中金属碳化物是硬质相, 一般占80%以上;其余的铁、钴、镍等金属相作为粘结剂。日本对金属陶瓷特别青睐。在日本的金属切削领域中, 金属陶瓷刀片已占可转位刀片总数的30%。金属陶瓷硬度高、强度低、韧性低, 因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。金属陶瓷的导热性、耐热性、抗粘结性和化学稳定性比高速钢好得多, 因此在刀具材料中获得了广泛应用。
金属陶瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。超细晶粒金属陶瓷可以提高切削速度, 也可用来制造小尺寸刀具。以纳米TiN占2%～15%改性的TiC或Ti (C, N) 基金属陶瓷刀具, 硬度高、耐磨性好, 其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性及高温硬度、高温强度等都有明显优势。与硬质合金刀具相比, 该刀具的耐用度和使用寿命提高1～50倍, 切削速度提高1.5～3倍, 成本与其相当或略高, 而金属切削加工费用下降20%～40%。与普通Ti (C, N) 基金属陶瓷刀具相比, 该刀具可靠性更高。
(3) 氮化硅陶瓷刀具
氮化硅陶瓷刀具的硬度仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼而居第四位, 是新一代的陶瓷刀具。它有较高的硬度、强度和断裂韧性, 其硬度为91～93 HRA, 抗弯强度为0.7～0.85 GPa, 耐热性可达1 300～1 400℃, 具有良好的抗氧化性。同时它有较小的热膨胀系数 (3×10-6/℃) , 所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。氮化硅刀具适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削, 其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外, Si3N4陶瓷有自润滑性能, 摩擦因数较小, 抗粘接能力强, 不易产生积屑瘤, 且切削刃可磨得锋利。特别是由于其高的抗热振性及优良的高温性能, 使其更适合高速切削及断续切削。另外, 氮化硅陶瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料。
(4) 赛隆 (Sialon) 陶瓷刀具
赛隆陶瓷以Si3N4为硬质相, A1203为耐磨相, 是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物, 在1 800℃进行热压烧结而成的一种单相陶瓷材料, 具有很高的强度, 抗弯强度达到1 050～1 450 MPa, 比A12O3陶瓷刀具都高, 其断裂韧性也是几种陶瓷刀具中最高的, 其冲击强度远胜于一般陶瓷刀具而接近涂层硬质合金刀具。Sialon陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能。与Si3N4相比, Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高, 耐热温度高达1 300℃以上, 具有较好的抗塑性变形能力, 其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具。Sialon陶瓷可成功用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的高速切削、强力切削、断续切削加工, 是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。
(5) 晶须增韧陶瓷刀具
晶须增韧陶瓷是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成, 可增加陶瓷材料的抗弯强度, 使得陶瓷材料获得高硬度和高韧性。晶须强化的作用是通过相变换实现的。相变换的作用是抑制刀具的破裂, 由于材料结构的改变, 在刀尖上引起破裂的能量被吸收和扩散, 使刀具材料得到强化, 提高了抗弯强度和韧性。晶须强化陶瓷刀具是一种特殊材料的刀具, 由于它具有抗冲击韧度好、抗热冲击性能强的特点, 可以高速加工淬硬钢 (达到65HRC) 和中等硬度的钢, 而且可以在加切削液的条件下进行切削, 这是别的陶瓷刀具所不具备的。
2 金刚石刀具
金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能, 在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中, 诸如轿车发动机缸体、缸盖、变速器和各种活塞等的加工中, 金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。近年来, 随着数控机床的普遍应用和数控加工技术的迅速发展, 可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及, 金刚石刀具已成为现代数控加工中不可缺少的重要工具。
金刚石刀具有两种, 单晶金刚石刀具和多晶金刚石刀具。多晶金刚石刀具包括聚晶金刚石 (PCD) 刀具和化学气相沉积 (CVD) 金刚石刀具。单晶金刚石可分为天然单晶金刚石和人工合成单晶金刚石。天然单晶金刚石刀具是将经研磨加工成一定几何形状和尺寸的单颗粒大型金刚石, 用焊接式、粘接式、机夹式或粉末冶金方法固定在刀杆或刀体上, 然后装在精密机床上使用。天然单晶金刚石刀具经过精细研磨, 刃口能磨得极其锋利, 刃口半径可达0.002μm, 能实现超薄切削。再加上它与被加工材料之间的摩擦因数小, 抗粘接性好, 与非铁金属无亲和力, 热膨胀系数小及导热系数高等特点, 天然金刚石刀具可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度。因此, 天然金刚石刀具切削也称镜面切削, 天然金刚石刀具是一致公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。主要用于铜及铜合金、铝及铝合金以及金、银等贵重金属特殊工件的超精加工。单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒, 由于人工合成大颗粒单晶金刚石制造技术复杂, 生产率低, 制造成本高, 目前单晶金刚石刀具绝大部分为天然单晶金刚石制成。设计和制造单晶金刚石刀具时, 必须正确选择晶体方向, 对金刚石原料必须进行晶体定向。金刚石刀具的前、后刀面的选择是设计单晶金刚石刀具的一个重要问题。
20世纪70年代初, 美国GE公司研制成功PCD刀片以后, 在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。虽然PCD的硬度低于单晶金刚石, 但PCD属各向同性材料, 使得刀具制造中不需择优定向;由于PCD结合剂具有导电性, 使得PCD便于切割成型, 且成本远低于天然金刚石;PCD原料来源丰富, 价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。因此, PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口, 刃口半径很难达到1μm以下, 加工的工件表面质量也不如天然金刚石, 现在工业中还不能方便地制造带有断屑槽的PCD刀片。因此, PCD只能用于有色金属和非金属的精切, 很难达到超精密镜面切削。
CVD金刚石是指用化学气相沉积法在异质基体 (如硬质合金、陶瓷等) 上合成金刚石膜, CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。CVD金刚石不含任何金属或非金属添加剂, 因此, CVD金刚石的性能与天然金刚石相比十分接近, 兼具单晶金刚石和聚晶金刚石 (PCD) 的优点, 在一定程度上又克服了它们的不足。根据不同的应用要求, 可选择不同的CVD沉积工艺以合成出晶粒尺寸和表面形貌不同的PCD。实践表明, CVD金刚石工具产品的使用性能在许多方面超过聚晶金刚石的同类产品, 而且其低表面粗糙度接近单晶金刚石, 抗冲击性超过单晶金刚石。CVD金刚石刀具的超硬耐磨性和良好的韧性使之可加工大多数非金属材料和多种有色金属材料, 如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨、陶瓷以及各种增强玻璃纤维和碳纤维结构材料等。CVD金刚石刀具还可用作高效和高精密加工刀具, 其成本远远低于价格昂贵的天然金刚石刀具。目前, CVD金刚石刀具除用于发动机活塞硅铝合金材料的加工, 还用于缸体、缸盖、高压油泵、汽油泵、水泵、发电机转子、起动机、汽车车体中玻璃钢部件的车、铣、钻、镗等的加工。CVD金刚石刀具被认为是汽车发动机制造业中有广泛应用前景的新一代刀具材料。
由于CVD金刚石厚膜硬度高、耐磨性好、不导电, 通常需要在空气、氩气或氧气环境中通过激光将纯金刚石厚膜片切割成所需要的形状, 不仅能将金刚石厚膜切割成所需的形状和尺寸, 还能直接切出刀具的后角和修整厚膜表面。再利用铜焊技术将切割出的小片焊接到硬质合金基体上, 金刚石厚膜一般与金属及其合金之间有很高的界面能, 致使金刚石不能被一般低熔点合金所浸润, 可焊接性差。目前, 金刚石厚膜刀具的焊接工艺主要采用活性金属化的方法。焊料是含钛的银铜合金, 不加助熔剂, 在惰性气氛或真空中高频感应加热焊接。此外, CVD金刚石厚膜也可在真空炉内进行大批量快速焊接。最后, 将焊接好的CVD金刚石厚膜刀具研磨开刃。刃磨方法有机械磨削、热金属盘研磨、激光束加工、电子束加工和等离子体刻蚀等。目前, 传统的方法仍是机械磨削抛光法。
3 立方氮化硼 (CBN) 刀具
CBN在硬度和热导率方面仅次于金刚石, 热稳定性极好, 在大气中加热至1 000℃也不发生氧化。CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能, 可以广泛用于钢铁制品的加工。CBN因具有超硬特性、高热稳定性、高化学稳定性而引起广泛关注。立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢 (45～65 HRC) 、轴承钢 (60～62 HRC) 、高速钢 (>62HRC) 、工具钢 (57～60 HRC) 、冷硬铸铁的粗车和精车, 又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的切削加工, 大幅度提高加工效率。被加工材料的硬度越高越能体现立方氮化硼刀具的优越性。立方氮化硼与金刚石在晶体结构上的相似性, 决定了它与金刚石相近的硬度, 又具有高于金刚石的热稳定性和对铁元素的高化学稳定性, 由于受CBN制造技术的限制, 目前制造直接用于切削刀具的大颗粒的CBN单晶仍很困难, 且成本高。因此, CBN单晶主要用于制作磨料和磨具。
PCBN是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相 (TiC、TiN、Al、Ti等) 烧结在一起的多晶材料, 是目前利用人工合成的硬度仅次于金刚石的刀具材料, 它与金刚石统称为超硬刀具材料。PCBN克服了C B N单晶易解理和各向异性等不足。因此, PCBN主要用于制作刀具或其他工具。PCBN刀具属于CBN的聚集体, 由CBN颗粒与结合剂一起烧结而成, 除具有CBN的特点, PCBN还与CBN的含量、结合剂和粒度的种类等因素有关。由于其具有独特的结构和特性, 广泛用于黑色金属的加工, 尤其适合于淬硬钢、高硬铸铁、高硬热喷涂合金等难加工材料的切削加工。
4 涂层刀具
涂层刀具是在韧性较好刀体上涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物, 它将刀具基体与硬质涂层相结合, 从而使刀具性能大大提高。涂层刀具是在具有高强度和韧性的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材料。涂层材料及基体材料之间要求粘结牢固。
涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。根据涂层方法不同, 涂层刀具可分为化学气相沉积 (CVD) 涂层刀具和物理气相沉积 (PVD) 涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法, 沉积温度在1 000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法, 沉积温度在500℃左右。根据涂层刀具基体材料的不同, 涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料 (金刚石和立方氮化硼) 上的涂层刀具等。常用的刀具涂层方法有化学气相沉积 (CVD) 、物理气相沉积 (PVD) 、等离子体化学气相沉积 (PCVD) 、盐浴浸镀法、等离子喷涂、热解沉积涂层以及化学涂覆法等。常用的涂层材料有碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、碳氮化物等, 近年来还发展了聚晶金刚石和立方氮化硼涂层。
在近30年的发展历程中, 高速切削刀具技术已发生很大变化, 高速切削对刀具性能不断提出要求, 新材料新工艺不断出现, 刀具综合性能不断提高。高速切削时应合理使用刀具, 以降低生产成本, 提高生产率。目前国内高速切削所使用的陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具以及涂层刀具各有优点, 适用于不同的工件材料和速度范围。高性能、高可靠性、高强度以及高耐热、抗振性能的刀具是高速切削刀具发展的重点, 纳米复合与涂层、梯度功能和多种增韧增强协同作用的刀具材料将是高速刀具研究的发展方向。
摘要：介绍了高速切削所使用的陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具、涂层刀具的性能特点及应用, 探讨了高速切削刀具材料的发展方向。
高速切削刀具材料 篇2
目前,切削加工仍是机械制造行业应用广泛的一种加工方法。其中,集高效、高精度和低成本于一身的高速切削加工技术已经成为机械制造领域的新秀和主要加工手段。
“高速切削”的概念首先是由德国的C.S~omom博士提出的,并于1931年4月发表了著名的切削速度与切削温度的理论。该理论的核心是:在常规的切削速度范围内,切削温度随着切削速度的增大而提高,当到达某一速度极限后,切削温度随着切削速度的提高反而降低。此后,高速切削技术的发展经历了以下4个阶段:高速切削的设想与理论探索阶段(193l—l971年),高速切削的应用探索阶段(1972-1978年),高速切削实用阶段(1979--1984年),高速切削成熟阶段(20世纪90年代至今)。高速切削加工与常规的切削加工相比具有以下优点:第一,生产效率提高3～1O倍。第二,切削力降低30%以上,尤其是径向切削分力大幅度减少,特别有利于提高薄壁件、细长件等刚性差的零件的加工精度。第三,切削热95%被切屑带走,特别适合加工容易热变形的零件。第四,高速切削时,机床的激振频率远离工艺系统的固有频率,工作平稳,振动较小,适合加工精密零件。
高速切削刀具是实现高速加工技术的关键。刀具技术是实现高速切削加工的关键技术之一,不合适的刀具会使复杂、昂贵的机床或加工系统形同虚设,完全不起作用。由于高速切削的切削速度快,而高速加工线速度主要受刀具限制,因为在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。目前常用的高速切削刀具材料有:聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷、Ti(C,N)基金属陶瓷、涂层刀具fCVD)~超细晶粒硬质合金等刀具材料。
二、高速切削刀具的发展情况
金刚石刀具材料。金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。然而,由于天然金刚石价格昂贵,加工焊接非常困难,除少数特殊用途外,很少作为切削工具应用在工业中。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气钎焊金刚石技术,使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简单,因此在超精密镜面切削的高技术应用领域,天然金刚石起到了重要作用。
立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料,是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超材料——CBN 微粉。立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然CBN的硬度低于金刚石,但其氧化温度高达1360℃ ,且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此,虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备,但仍是适合钢类材料切削,具有高耐磨性的.优良刀具材料。CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能,因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。PCBN刀具是能够满足先进切削要求的主要刀具材料,也是国内外公认的用于硬态切削,高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料。PCBN刀具已为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。
陶瓷刀具。与硬质合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此,加工钢材时,陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍,其红硬性比硬质合金高2～6倍,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷刀具材料的强度低、韧性差,制约了它的应用推广,而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具,在生产中有美好的应用前景,目前已引起世界各国的重视。在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～l0%。
涂层刀具。涂层材料的发展,已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层,经历了TiC-112o3-TiN 复合涂层和TiCN、TiA1N等多元复合涂层的发展阶段,现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN,等多元复合薄膜材料,使刀具涂层的性能有了很大提高。硬质涂层材料中,工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。(氮)化钛基硬质合金(金属陶瓷)金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同,主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、Mo等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金而低于陶瓷材料,横向断裂强度大于陶瓷材料而小于硬质合金,化学稳定性和抗氧化性好,耐剥离磨损,耐氧化和扩散,具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。
三、高速切削刀具的具体应用情况
理想的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性,与工件有较小的化学亲和力,高的热传导系数,良好的机械性能和热稳定性能。理想的刀具使得高速硬切削能够作为代替磨削的最后成型工艺,达到工件表面粗糙度、表面完整性和工件精度的加工要求。硬质合金刀具具有良好的抗拉强度和断裂韧性,但由于较低的硬度和较差的高温稳定性,使其在高速硬切削中的应用受到一定限制。但细晶粒和超细晶粒的硬质合金由于晶粒细化后,硬质相尺寸变小,粘结相更均匀地分布在硬质相的周围,提高了硬质合金的硬度与耐磨性,在硬切削中获得较广泛应用。
陶瓷刀具和CBN刀具是在高速硬车削和端面铣削中最常用的刀具。它们所具有的高硬度和良好的高温稳定性,使其能够承受在硬切削过程中高的机械应力和热应力负荷。与陶瓷刀具相比,CBN刀具拥有更高的断裂韧性,因此更适合断续切削加工。为保证工件较高的尺寸精度和形状精度,高的热传导率和低的热膨胀系数也应是刀具材料所应具有的重要性质。因此,具有优良综合性能的CBN刀具是最适合用于高速硬切削的刀具。聚晶金刚石刀具的硬度虽然超过立方氮化硼刀具,但即使在低温下,其对黑色金属中铁的亲和力也很强,易引起化学反应,因此不能用于钢的硬切削。
一般而言,PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属材料及其合金和非金属材料的高速加工;而CBN、陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具适合于钢铁等黑色金属的高速加工。故在模具加工中,特别是针对淬硬性模具钢等高硬度钢材的加工,CBN刀具性能最好,其次为陶瓷刀具和涂层硬质合金。
结论
高速切削技术的问世改变了人对传统切削加工的思维和方式,极大提高了加工效率和加工质量。而高速切削与模具加工的结合,改变了传统模具加工的工序流程。高速切削刀具作为高速切削技术的关键,随着技术的不断完善,将为模具制造带来一次全新的技术革新。
参考文献
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依刀具材料合理选用切削液 篇3
目前机加工中常用的刀具材料有:工具钢(碳素工具钢、合金工具钢)、高速钢、硬质合金、陶瓷及金刚石。
工具钢刀具:其耐热温度约在200℃～300℃之间,在高温下会失去硬度,所以只适用于一般材料的切削。由于这种刀具耐热性能差,加工中要求切削液的冷却效果要好,一般应采用乳化液。
高速钢刀具:高速钢是以铬、镍、钨、钼、钒(有的还含有铝)为基础的高级合金钢。它们的耐热性明显地比工具钢高,一般高出1～2倍,允许的最高温度可达500℃～650℃。与其他耐高温的金属和陶瓷材料相比,高速钢有一系列优点,特别是它有较高的韧性,抗冲击和振动的能力强。高速钢有良好的可加工性且价格适中易被接受,适合制造几何形状复杂的刀具。
使用高速钢刀具进行低速和中速切削时,宜采用油基切削液或乳化液。而在高速切削时,由于发热量大,以采用水基切削液为宜,要注意的是,若使用油基切削液会产生较多油雾,污染环境,而且容易造成工件烧伤,使加工质量下降,刀具磨损增大。
硬质合金刀具:硬质合金是由碳化钨、碳化钛、碳化钽和5%～10%的钴的粉末经压制烧结而成。它的硬度大大超过高速钢,具有优良的耐磨性能,尤其是它的耐热性好,最高允许工作温度可达800℃～1000℃,能采用比高速钢高出几倍甚至几十倍的切削速度。但是由于硬质合金硬而脆,抗热振的能力较差,在突然升温或降温时刀片本身极易出现龟裂现象,所以在加工一般材料时,经常采用干切削。但在干切削时,工件温升较高,易产生热变形,影响工件加工精度,而且在无切削液的情况下进行切削加工,切削阻力大,功率消耗增大,刀具的磨损也加快。硬质合金刀具价格较贵,所以从经济方面考虑,干切削也是不合算的。选用切削液时,要考虑硬质合金对骤热的敏感性,尽可能使刀具均匀受热,否则会导致崩刃。由于油基切削液的热传导性能较差,使刀具产生骤冷的危险性要比水基切削液小,所以一般选用含有抗磨添加剂的油基切削液或极压乳化液。另外,在使用切削液时,要注意尽可能保持切削液的流量充足、均匀,不可忽多忽少,忽断忽续,从而避免因切削温度忽高忽低,造成刀具受热不均匀而产生崩刃。
陶瓷刀具:陶瓷材料是用氧化铝、金属和碳化物微分在高温下烧结而成。这种材料的高温耐磨性比硬质合金还要好,一般采用干切削。但为了避免温度过高,也常使用水基切削液。
金刚石刀具:人造金刚石是在高温、高压和其它条件的搭配下由石墨转化而成。金刚石刀具有极高的硬度,一般使用干切削,但为避免温度过高,也需要像陶瓷材料一样,在许多情况下采用水基切削液。
以上分析了如何根据刀具材料选用切削液,在实际生产过程中还应根据加工性质、加工材料等多种因素来选用切削液。如:粗加工时,由于加工余量和切削用量较大,会产生大量的切削热,因而使刀具磨损加快,使用切削液的目的是降低切削温度,这时应选用以冷却为主的乳化液;精加工时,主要为了延长刀具使用寿命,保证工件的尺寸精度和表面质量,最好选用极压切削油或高浓度的极压乳化液;钻削、铰削和深孔加工时,刀具处于半封闭状态下工作,排屑困难,切削热不能及时传散,容易使刀刃烧伤并严重破坏工件表面质量,应选用粘度较小的乳化液和极压切削油,并应加大压力和流量,一方面进行冷却、润滑,另一方面将切屑冲刷出来;钢件粗加工一般用乳化液,精加工一般用极压切削油;切削铸铁、铜及铝等脆性材料时,由于切屑碎末会堵塞冷却系统,容易使机床磨损,一般不加切削液,但精加工时为了得到较高的表面质量,可采用粘度较小的煤油或7%～10%乳化液;切削有色金属和铜合金时,不宜采用含硫的切削液,以免腐蚀工件;切削镁合金时,不能用切削液,以免燃烧起火。必要时,可使用压缩空气。
要想用好切削液,使其在切削加工中真正地发挥作用,还需要我们在实践中不断地探索。郑重提醒大家:使用切削液时还应注意对切削液的管理,尽量减少对环境的污染。
高速切削刀具材料及其应用 篇4
1 硬质合金
硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘接金属通过粉末冶金工艺制程的合金材料, 具有硬度高、耐热等特点, 在实际中可用于切削铸铁、玻璃、普通石材、不锈钢、有色金属等材料, 但这种材料随着人们对切削工艺要求的不断提高已经不适合单独作为刀具材料。
2 硬质合金改性材料
2.1 硬质合金掺杂材料
随着切削技术的发展, 单一的硬质合金刀具无论是在硬度、耐磨性还是热硬性上都显得力不从心, 因此人们通过向硬质合金中添加镍、钴、碳化钨等材料对其进行掺杂改性, 研究发现改性后的硬质合金硬度、抗氧化性、耐磨性、热硬性等方面的性能都得到了不同程度的改善, 而对于常用的碳化钛基硬质合金来说, 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, 但这种材料不适合加工超高温金属以及高温合金、有色金属等。
2.2 涂层硬质合金材料
鉴于普通硬质合金性能不足以满足现代高速切削的要求, 而在硬质合金刀具表面涂覆一层或若干层其他硬度高、耐磨性好、润滑性好、难熔的物质可使其性能得到很好的改善, 从目前的研究来看, 可用于硬质合金刀具涂层的材料有碳化钛、氧化铝、金刚石、纳米材料等。
其中碳化钛单涂层可在一定程度上增加刀具硬度, 增加刀具切削速度, 且导热系数高, 二氧化铝涂层的耐氧化性更强, 更耐磨, 单导热系数较小, 因此在实际应用中常常将这两种材料或者再与第三种材料组成多涂层, 取各自材料的优点, 从而大大提高刀具的切削性能。
金刚石涂层是利用化学气相沉积法在硬质合金刀具表面形成一薄层的金刚石薄膜, 从而使普通硬质合金刀具具备金刚石材料的性质, 无论是硬度还是稳定性上都大幅度提升, 而且成本上来说要远远低于金刚石材料的刀具, 因此应用前景较为广阔, 可用于有色金属及纤维材料的切割等。
纳米材料涂层是采用多种不同的纳米级高性能材料制成涂层涂覆于硬质合金刀具的表面, 通过不同纳米材料的组合来达到不同的性能指标, 较为灵活, 是近年才流行起来的涂层技术, 可用于高速切割领域, 但整体上来处于实验室研究阶段, 距离实际应用尚有一定距离。
3 陶瓷材料
陶瓷材料被认为是一种较为先进的高速切削刀具材料, 其具有硬度高、耐磨性好、与金属亲和力小、化学稳定性好、使用寿命长等优点, 并且在高温下高速切削时切屑依然能够与刀具实现较好的分离, 再加上陶瓷良好的热稳定性, 导致不易发生切削事故, 且在切削过程中被加工零件的加工面粗糙度较小, 可实现以车代磨, 只通过车床一道工序就完成了车、磨两道工序的工作, 因此对简化工艺路线、缩短加工时间具有十分重大的意义。在实际工作中, 陶瓷刀具材料常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅陶瓷等。
3.1 氧化铝基陶瓷材料
氧化铝基陶瓷包括氧化铝陶瓷、氧化铝-碳化物陶瓷、氧化铝-金属陶瓷、氧化铝-金属-碳化物陶瓷等。氧化铝陶瓷是以氧化铝陶瓷为主, 为增强其抗弯强度向其中添加氧化镍等物质的陶瓷, 高温性能较好, 一般用于冷硬铸铁、淬火钢等硬脆材料的高速切削, 加工精度较高。而为了提高其抗弯性能、硬度以及韧性等一般采用向氧化铝陶瓷内单独添加金属、碳化物、氮化物或几种物质的混合物而形成陶瓷材料, 其中氧化铝-金属-碳化物陶瓷的热稳定性最好, 硬度最高, 可广泛用于合金钢、淬硬钢、铸钢、镍铬合金等金属材料以及纤维玻璃等非金属材料的加工。
3.2 氮化硅陶瓷材料
与氧化铝基陶瓷相比, 氮化硅基陶瓷具有较高的强度、断裂韧度和抗热震性能, 较低的热胀系数、杨氏模量和化学稳定性。与铸铁不易发生粘结, 因此, 氮化硅基陶瓷刀具主要用来高速加工铸铁。
4 金刚石材料
金刚石具有硬度极高、热稳定性好、化学稳定性好等优点, 常被任务是用于钻探用钻头的最佳材料, 由于其优异的性能, 使之在高速切削刀具材料中也具有十分广阔的应用前景。现实生活中可用作刀具的金刚石有天然金刚石、人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石和化学气相沉积金刚石涂层刀具等, 其中金刚石涂层刀具已经在前文中谈到。
天然金刚石刀具无论是耐磨性还是硬度都具备成为最佳刀具的潜质, 且加工精度超高, 可用于精密仪器、零部件的加工, 如光学镜面、芯片等, 但天然金刚石也是当前最为昂贵的一种刀具材料。
单晶金刚石是由人工在一定温度、压力等条件下合成的金刚石, 因此比天然金刚石的加工低廉很多, 其化学稳定性好, 尺寸和形状容易控制, 在机械加工、电子电路板、光学玻璃以及耐磨地板等的加工等领域均得到广泛的应用。
聚晶金刚石是在几千度高温、几百兆帕的条件下通过金属钴作为粘结剂压制而成的材料, 其耐磨性能极佳, 因此被用作有色金属、硬质合金或硬质非金属材料的加工等。
结语
高速切削技术是加工企业在激烈的市场竞争中得以生存的法宝, 通过高速切削技术可以显著提高加工速度和精度, 而随着高速切削技术的不断发展, 用于切削的刀具材料也会不断更新变化, 因此要结合当下的工艺特点和加工要求选择适合的刀具, 并且要紧跟科技发展的步伐, 不断将新材料、新技术用于高速切削刀具的制备中, 不断使刀具具有更高的强度、化学稳定性、硬度等性能, 促进机械加工行业的快速发展。
摘要：本文介绍了硬质合金、陶瓷、金刚石等几种常见的刀具材料及各自的适用情况, 为高速切削技术的实际应用提供理论参考。
关键词：高速切削,刀具材料,切削性能
参考文献
[1]宋炎荣, 熊建武, 周进.高速切削刀具材料及其合理选用[J].中国西部科技, 2011.
[2]张雪华.高速切削刀具材料的应用分析[J].煤矿机械, 2004.
浅议高速切削刀具——涂层刀具 篇5
刀具磨损的原因极其复杂, 按性质大体可分为机械作用和热—化学作用。
1.1 机械作用的磨损
刀具材料虽比工件材料硬度大, 但从微观上看, 在工件材料中包含有氧化物, 碳化物等硬质点。这些硬质点的硬度很高, 它们象切削刃一样, 在刀面上划出划痕, 使刀具磨损。此外, 积屑瘤脱落的碎片, 粘结在切屑或工件上, 也会使刀具磨损。
机械磨损是低速时形成刀具磨损的主要原因。
1.2 热—化学作用
1.2.1 粘结磨损
粘结是分子间的吸引力导致金属相互吸附的结果。切削时, 在一定温度与压力下, 使刀具与切屑和工件间产生粘结。由于工件与刀具之间有相对运动, 使刀具材料被切屑带走而造成磨损。此外, 当积屑瘤脱落时, 带走刀具材料也会形成粘结磨损。
1.2.2 扩散磨损
切削时, 由于高温, 刀面始终与切屑或工件的新生表面相接触, 在接触面间分子活动能量很大, 使两摩擦面间的化学元素相互扩散到对方去, 造成两摩擦面的化学成分发生变化, 降低刀具材料的性能, 加速刀具磨损。
扩散磨损的速度, 一方面决定于刀具和工件材料间是否容易起化学反应;另一方面扩散磨损的速度又决定于接触面的温度。
1.2.3 氧化磨损或化学磨损
在一定的温度下, 刀具材料与空气中的氧、极压润滑液中的添加剂硫、氯等起化学反应, 生成一些疏松、脆弱的氧化物被切屑带走从而加速刀具的磨损。或因刀具材料的某种介质被腐蚀造成刀具磨损。
1.2.4 相变磨损
当刀具的最高温度超过相变温度时, 刀具表面的金相组织发生变化, 使硬度下降, 刀具磨损加剧。
由上可知, 温度对刀具磨损起着决定性的作用, 温度愈高, 刀具磨损愈快。
2 刀具材料对高速切削加工的影响
高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一, 而刀具材料的高温性能是制约高速切削刀具技术发展的重中之重。由于在高速切削加工中所产生的切削热及对刀具的磨损比常规切削高得多, 因此在此过程中对刀具材料有更高的要求:高硬度、高强度和耐磨性;高的韧性和抗冲击能力;高的红硬性和化学稳定性;抗热冲击能力。
众所周知, 刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一项优质表面改性技术, 由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能, 不仅可有效地提高刀具使用寿命, 而且还能大幅度地提高机械加工效率, 因此该项技术与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。随着涂层技术不断深入的发展, 在机械加工中人们越加认识到涂层技术的重要性, 尤其是在高速切削加工中, 其作用是不可替代的。
在高速切削加工或干式切削加工过程中, 温度是影响高速切削刀具耐用度的主要原因, 因此采用涂层技术提高刀具的高温性能, 保证高速切削刀具的红硬性成为近几年涂层技术的开发热点;与此同时, 通过对涂层薄膜组织结构的改善, 以及减磨涂层技术的应用, 既提高了刀具的表面质量, 又降低了表面摩擦系数, 从而使涂层刀具更适合于小切削深度和厚度的高速切削加工要求。
通过化学气相沉积 (CVD) 等方法对硬质合金刀片实行表面涂层, 是近年来的重大技术进展。涂层硬质合金采用韧性较好的基体和硬度、耐磨性极高的表层 (Ti C、Ti N、A12O3等, 厚度5—10μm) , 较好地解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾, 因而具有良好的切削性能。在相同的刀具使用寿命下, 涂层硬质合金允许采用较高的切削速度, 或能在同样的切削速度下大幅度地提高使用寿命。与未涂层刀具相比, 涂层刀具能降低切削力、切削温度, 并能改善已加工表面质量。此外, 涂层刀片的通用性较好。
涂层材料为晶粒极细的碳化物、氮化物或氧化物。其中以Ti C和Ti N用得最为广泛, 二者各具优缺点:Ti C硬度高, 耐磨性好, 线膨胀系数与基体比较接近, 结合比较牢固;Ti N的硬度低于Ti C, 与基体结合稍差, 但与铁基金属之间的摩擦系数更小, 抗月牙洼磨损的能力更强, 且不易生成中间层 (脆性相) , 故涂层允许较厚。A12O3涂层的高温化学性能稳定, 适用于更高速度下的切削。Hf N (氮化铪) 的线膨胀系数与基体最接近, 涂层后表面残余应力很小。几种涂层材料复合使用, 可以得到两层、三层和多层的涂层合金。例如Ti C/Ti (C, N) /Ti N三涂层刀片, 内层为Ti C, 与基体结合牢固, 外层为Ti N, 与被加工材料摩擦力小, 不易发生冷焊, 中间用Ti (C, N) 过渡, 其中了Ti N的百分比由内到外递增。多层涂层合金的切削性能常优于单层。目前涂层材料还有Ti (B, N) 、A1 (O, N) 等, 它们可与Ti C、Ti N、A12O3等组合成不同的多层涂层合金。
3 结束语
高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一, 阻碍切削速度提高的关键因素是刀具材料能否承受越来越高的切削温度。因此材料技术、涂层技术的开发愈来愈引起人们重视, 可以肯定的是高速切削加工时代的到来及普及为材料科学、表面该性技术的发展带来了良好的契机;复合型材料不仅可大幅度提高资源的利用率, 且可使部件的功能有极大的拓展, 因此也更为人们所接受。
摘要：在现代切削加工制造技术中, 高速切削技术已越来越多地被人们提及。高速切削顾名思义, 首先是高的速度, 即机床主轴的转速应达到某一水平, 另一方面, 还应配以大的进给量, 此外机床的快速移动、快速换刀、主轴换刀后从静态到达其所需转速的加速时间等等都有一定要求。然而最终体现的是切削加工效率的大幅度地提高。刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨损量达到一定程度时, 可以明显地发现切削力加大, 切削温度上升, 切屑颜色改变, 甚至产生振动。同时, 工件尺寸可能会超出公差范围, 已加工表面质量也明显恶化。因此它是切削加工中极为重要的问题之一。
高速切削加工中刀具技术的选择 篇6
高速加工技术由于其精度高、产品表面质量好, 生产效率高, 被认为是21世纪最有发展前途的一种先进制造技术。特别是在当前市场竞争日趋激烈的情况下, 企业为满足时代与市场变化的需求, 只有通过不断提高产品质量、降低生产成本、改进服务方式、开发适应时代变换及有利于环保的新产品, 因此不断推动了这一技术的发展。高速切削加工技术作为机械制造中一种集高效、优质、低耗的先进制造技术, 相对于传统的切削加工, 其切削速度、进给速度都得到了很大的提高。
1 高速加工的定义
高速加工, 就是采用超硬材料的刀具, 通过极大地提高切削速度和进给速度, 来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的一种现代加工技术, 即以较快的生产节拍对零件进行加工。高速加工的一个生产节拍一般包括:零件送进→定位夹紧→刀具快进→刀具工进→刀具快退→工具松开、卸下零件→质量检测等七个基本生产环节。在高速加工中, 高速主要体现在刀具快进、工进及快退3个环节上。一般主轴转速≥8 000r/min, 最高可达到:10 000 r/min~150 000 r/min;进给速度超过40 m/min, 为普通切削的5倍~10倍;转速特征值达到0.5~200×106, 换刀时间:3s~5s, 最快可以达到0.7s~1.5s。高速加工切削速度随加工方法不同有所不同, 也随加工材料不同而不同。例如:车削:700m/min~7000m/min, 铣削:300m/min~6 000m/min, 铝合金:1 000m/min~7 000m/min, 铸铁:800m/min~3 000m/min。
2 高速切削加工刀具技术的选择
刀具作为高速切削加工技术中的一个关键因素, 它对产品加工效率、生产成本、加工质量等都具有直接的影响。在生产加工过程中, 刀具不仅要承受高切削力、高温、振动、冲击等载荷, 而且还应具有良好的力学性能和热稳定性, 即具有高硬度、高强度、高韧性、高耐磨性、抗氧化能力强和抗冲击能力强等特性。此外, 与传统切削加工相比, 由于高速切削速度高, 导致前刀面摩擦力增大, 使刀具接触面温度增高, 要求刀具具有高熔点、高耐热性、抗热冲击性能、高温力学性能等。同时, 为了保证高速切削的加工要求, 在刀具材料选定后, 应选择合理的刀具装夹结构、刀具几何参数, 同时考虑刀具的安全性。
2.1 刀具材料选择
根据高速切削刀具的作业强度, 其刀具材料应具备以下几个性能:1) 高硬度和高韧性, 能够承受刀具高速回转所产生的冲击和振动, 不发生崩刃和断裂现象;2) 高耐热性, 能够承受刀具高速作业过程的高温, 并具有较强的抗氧化能力;3) 高耐磨性, 保证刀具在高速切削中, 不易形成锯齿形和厚度变化的断续切屑, 有效防止刀具的动平衡性破坏, 而导致刀具加速磨损。除了以上性能之外, 还要求刀具材料必须具备抗热冲击性、抗断裂和塑性变形的能力。目前高速刀具材料主要以涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN为主。其中采用Ti C为基体的金属陶瓷化学稳定性比较好, 且具有耐氧化性、耐磨性和抗粘结性, 适合模具钢加工;以Si N陶瓷、Ti基陶瓷、Ti CN涂层为材料的高速硬质刀具适合加工高强度铸铁件及精锻结构钢件;采用聚晶金刚石 (PCD) 、超细硬质合金刀具适合加工铸铝合金件;采用高粉末Co冶金表面涂覆的高速钢整体拉刀、滚刀适用于加工各种精锻钢件、铸铁件;金属陶瓷硬度和抗断裂性与硬质合金基本相当, 但导热系数却不及硬质合金的1/10, 且具有优异的抗粘结性、耐氧化性和耐磨性, 比较适合于模具钢加工。涂层硬质合金由于耐磨性好, 且能很好的保持刃口形状, 使零件有高的精度和表面加工质量, 如聚晶金刚石或金刚石涂层刀具常用于加工有色金属或非金属材料。
2.2 刀具装夹结构的选择
高速切削加工在对切削刀具的刚性和高机械性能具有很高要求的同时, 对刀具的装夹力与装夹精度也有比较高的要求。刀具系统中, 装夹刀柄与刀具组成了一个完整的刀具体。在刀具高速旋转加工过程中, 由于离心力及震动的影响, 刀具系统可能导致振动或倾斜, 使加工精度降低, 刀具磨损加剧, 降低机床使用寿命。这就要求刀具系统有高的几何精度、装夹刚度和装夹定位精度。而普通切削加工中大多采用7:24锥度单面夹持刀柄系统, 这类常规刀柄在高速切削时, 往往会出现刚性不够、重复定位精度不稳定、不利于快速换刀等现象。为了提高刚性和装夹精度, 目前国外普遍采用1:10锥度的HSK空心刀柄, 它主要依靠空心薄壁的径向膨胀量保持与主轴内锥孔变形来实现夹紧, 采用小锥面的夹紧力提高接口承载能力及良好的定位作用, 具有换刀快、重复定位精度高等优点。如山特维克可乐满公司的刀柄系统。
2.3 刀具几何参数选择
刀具材料选定后, 刀具几何参数的选择会直接影响到刀具寿命及切削速度, 一般来说应选择高强度的刀片。对圆刀片和球头铣刀, 注意有效直径的概念。与普通切削不同, 高速切削时刀具的前角应小10°, 后角应大5°~8°。由于后角在高速切削时的进给速度高, 为了减少刀具与工件之间的摩擦, 后角选择120°以上;为了减少切屑流出阻力和降低刀具的磨损, 刀具前角选择120°左右;刃倾角影响切屑的方向和切削力的大小, 一般刃倾角选择为150°~100°, 这样以减小切削时刀具的磨损, 提高刀具的使用寿命。
2.4 刀具的安全性
由于转速的提高, 其安全性问题变得越来越重要。如40mm直径刀具, 主轴转速达到30 000r/min, 其射出的速度可达到63m/s的速度, 接近于230km/h的汽车速度, 切削过程中如出现断刀摔出, 势必有较大的冲击动量。因此, 刀具系统的动平衡性显得至关重要。
3 结论
高速切削中刀具技术的发展和应用将对高速切削技术具有决定性的作用。随着刀具新材料、新工艺等新技术的不断突破, 高速加工技术一定会成为机械切削加工的主要发展方向, 将不断为企业创造更大的经济效益。
摘要：本文从高速加工技术的涵义出发, 阐述了高速切削加工技术中刀具材料的选择、刀具装夹结构的选择、刀具几何参数的选择以及刀具安全性考虑。
关键词：高速切削加工,刀具,选择
参考文献
[1]徐宇慧.高速切削刀具及接口技.
[2]左敦稳.高速加工技术现状及发展趋势.
高速切削刀具材料 篇7
近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼等超硬刀具材料, 使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。随着数控机床和难加工材料的不断发展, 刀具实有难以招架之势。要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。在影响金属切削发展的诸多因素中, 刀具材料起着决定性作用。
2006年美国刀具消耗中刀片的材料消耗分别是:硬质合金占76.7%, 陶瓷刀片6.7%, 金属陶瓷刀片4.7%, cBN和PCD等超硬刀片8.8%, 其它刀片占3.1%;硬质合金刀具材料和涂层技术持续不断地发展, 使得其在现代切削中占有的市场份额越来越重, 不断地侵蚀着高速刀具的市场份额。高速钢材料也有长足的进步。对于某些刀具和加工状态而言, 高速钢刀具因具有良好的强韧性仍然占有一定份额。2003年全世界金属切削刀具 (不包括锯削刀具) 消费总额达到约110亿美元, 其中刀片和刀杆占48% (52.8亿美元) , 高速钢刀具占36% (39.6亿美元) , 整体或焊接硬质合金刀具占16% (17.6亿美元) 。
高速切削刀具材料 篇8
关键词：3Cr-1Mo-1/4V钢,硬质合金刀具,粘结破损,刀具寿命
1 概述
难加工材料3Cr-1Mo-1/4V钢是一种低合金贝氏体耐热钢, 在锻后切削加工前的金相组织晶粒细小均匀, 说明其具有优良的机械性能。
3Cr-1Mo-1/4V钢中含有许多高熔点的合金元素, 如Cr、Ti、Ni、Mo、V等, 这些元素与非金属硼、碳等结合成高熔点、高硬度的化合物以及具有一定韧性的金属间化合物, 同时部分合金元素进入固溶体, 使基体强化, 增大了塑性变形的阻力, 提高了高温强度。3Cr-1Mo-1/4V钢在室温条件下强度及塑性与45#钢、不锈钢相近;在高温条件下, 当45#钢强度明显降低时, 3Cr-1Mo-1/4V钢仍能保持较高的强度。正是由于3Cr-1Mo-1/4V钢塑性变形抗力大, 高温强度高, 所以切削力大。合金在切削过程中产生较大的塑性变形, 刀具与工件间存在较大的摩擦, 因此产生大量的切削热, 而且耐热钢导热系数低, 大部分切削热集中在切削区, 使切削温度急剧升高。切削力大, 切削温度高形成刀具材料与被加工材料接触区瞬时冷焊, 造成刀具粘结破损。
2 试验条件和方法
为了了解改变刀片槽型对切削难加工材料3Cr-1Mo-1/4V钢的粘结破损情况, 我们采用三种铣刀片 (如图1所示) , 它们分别为平前刀面铣刀片YT5 (见图1a) 、波形刃铣刀片YT535 (国内通用牌号为YT5) (见图1b) 、大前角铣刀片YT535 (前角为18o) (见图1c) , 在试验室进行粘结破损对比试验。 (见图1)
设备及仪器:X5030A立式升降台铣床
铣刀直径:d=160mm
铣削方式:对称铣削
铣削转度:n=110r/min
进刀量:Vf=36mm/min
背吃刀量:ap=2mm
三种刀具在同样的切削条件下, 按相同的时间进行切削, 对比刀具的粘结破损情况 (如表1所示) 。当用YT5切削6min时破损特别严重就不能切削了, YT535波形刃铣刀片和YT535大前角铣刀片切削10min时, 刚刚有一点粘结破损的出现, 当切削20min时, 粘结破损明显。接着切削, YT535大前角刀片刃口破损严重, YT535波形刃刀片还可以切削, 所以YT535波形刃刀片适合切削3Cr-1Mo-1/4V钢 (见表1) 。
3 试验结果与分析 (见图2)
用平前刀面刀具切削, 只要速度不很高, 切屑常常会自行卷曲, 其原因是切削时形成积屑瘤, 切屑沿积屑瘤顶面流出, 离开积屑瘤后在C点处与前刀面相切, 而积屑瘤前端有高度hb, 后端与前刀面相切, 切屑在积屑瘤顶面流出时便发生了弯曲。切屑卷曲半径rch如图2所示, 由△AOB求得:
卷曲半径rch随积屑瘤高度hb的减小而增大, 随hb的增大而减小, 从式中可以看出。而hb则受到切削速度和切削厚度的影响, 在切削速度较高、切削厚度较小时切屑卷曲的半径较大;特别是高速切削时, 积屑瘤消失, 切屑便几乎不再卷曲。在用平前刀面刀具在切削3Cr-1Mo-1/4V钢时, 由于3Cr-1Mo-1/4V钢在室温条件下强度及塑性与45#钢、不锈钢相近;在高温条件下, 当45#钢强度明显降低时, 3Cr-1Mo-1/4V钢仍能保持较高的强度。正是由于3Cr-1Mo-1/4V钢塑性变形抗力大, 高温强度高, 所以在用平刀面刀具切削, 粘接破损比较严重, 但破损区域的地方不在刀刃, 而离刀刃有一定距离, 即C点附近 (见图3) 。
用带槽型的刀具切削, 在切削刃的上方, 切削层有一停留区, 此停留区实际上是积屑瘤的一种特殊形式, 它与基面构成一积屑瘤 (如图3所示) 前角γb, γb随着切削厚度和切削速度而变化。因为切屑按照这个角度进入卷屑槽, 故又称为进入角。通常γb<40o。如果刀具前角γo=γb, 切屑便沿着槽底运动, 切屑卷曲的半径rch便等于槽的半径rBn。如果刀具前角γo>γb, 切屑便不与槽底接触, 而是与槽的后缘接触, 这时切屑卷曲的半径rch大于槽的半径rBn。从△AOE看, ∠AOE=γb。故rch、γb及lBn之间有如下关系:
上式中如果γo≥γb, 那么rch=rBn。从上式看出, 对于一定的γb, rch随着lBn的减小而减小。
通过以上分析可知, 设计合适刀具槽型, 使刀具切削时的前角增大, 切屑便不与槽底接触, 而是与槽的后缘接触, 减少了刀—屑间的接触面积, 从而提高了刀具抗崩刃、抗粘结破损的能力, 这是有槽型的刀具破损不明显的主要原因。
4 结论
切削3Cr-1Mo-1/4V钢的过程中为防止硬质合金刀具的粘结破损, 可以设计合适的刀具槽型, 使刀具前角增大, 减少刀-屑间的接触面积, 能有效提高刀具抗粘结破损能力, 以利于提高加工效率, 改善切削条件, 提高刀具性能及使用寿命。通过对比分析YT535波形刃刀具适合切削3Cr-1Mo-1/4V钢。
参考文献
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