削難加工材料的刀具選擇

1、切削難加工材料的刀具選擇隨著刀具技術(shù)的發(fā)展和新型刀具材料的出現(xiàn)，金屬切削技術(shù)也在不斷提高，各種切削技術(shù)相繼用于加工不銹鋼、鈦合金、淬硬鋼等難加工材料。目前，難加工材料的切削效率還很低，如何有效提高難加工材料的切削效率，降低加工成本，是當(dāng)前制造業(yè)亟待解決的問題之一。難加工材料的應(yīng)用及切削加工性1 難加工材料的應(yīng)用隨著航空航天、石油、化工、兵器及原子能等工業(yè)的蓬勃發(fā)展, 各種難加工材料也得到廣泛的應(yīng)用，其中以不銹鋼、鈦合金、淬硬鋼等材料最具代表性。不銹鋼材料的應(yīng)用領(lǐng)域涉及各行各業(yè)。從汽車工業(yè)到水工業(yè)，從建筑與結(jié)構(gòu)業(yè)到環(huán)保工業(yè)與工業(yè)設(shè)施等領(lǐng)域，不銹鋼材料的需求日益上升，其中以在汽車工業(yè)中的應(yīng)用最為迅

2、速。鈦合金分為型、+型、型，其中類鈦合金多用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤與葉片以及其他工作溫度低于540的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架、散熱系統(tǒng)等的機(jī)架；類鈦合金多用于飛機(jī)的起落架；+類鈦合金在工業(yè)上的應(yīng)用最多，如TC4、TC11等分別用在發(fā)動(dòng)機(jī)前軸頸、盤件、葉片和前機(jī)匣等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上。淬硬鋼是典型的耐磨結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于軸承、汽車、模具等工業(yè)領(lǐng)域，多用來制造各種對(duì)硬度和耐磨性要求高的零件。隨著對(duì)難加工材料需求的日益增加，如何對(duì)這些材料進(jìn)行高效切削加工是迫切需要解決的問題1-3。難加工材料的切削加工性切削加工性是指工件材料切削加工的難易程度。而材料的切削加工性是一個(gè)相對(duì)的概念，因?yàn)樗粌H和材料本身有關(guān)，

3、而且隨切削加工條件和加工要求的不同而變化4。難加工材料之所以難以加工就是因?yàn)槠湎鄬?duì)切削性太差，如高硬度和高強(qiáng)度、高塑性和高韌性、低導(dǎo)熱性、低塑性、高脆性、化學(xué)性能過于活潑等特點(diǎn)造成切削過程中切削力大、切削溫度高、切屑難于控制、加工硬化嚴(yán)重和刀具耐用度低等問題。不銹鋼材料加工硬化性大，在切削過程中，被加工材料會(huì)產(chǎn)生塑性變形；不銹鋼的導(dǎo)熱率低，切削加工時(shí)切屑帶走熱量少，切削點(diǎn)的溫度上升，導(dǎo)致刀具壽命變短；同時(shí)，不銹鋼親和性大，易使刀尖產(chǎn)生積屑瘤和后刀面產(chǎn)生附著物，從而使被加工表面精度下降。鈦合金的切削加工性表現(xiàn)為：密度小、導(dǎo)熱性差、切削加工時(shí)切削熱不易擴(kuò)散，導(dǎo)致刀具壽命很短。鈦合金的親和力大；具有

4、高的化學(xué)活性，易與相接觸的金屬親和，導(dǎo)致粘結(jié)、擴(kuò)散加劇、刀具磨損；鈦合金彈性模量低、彈性變形大，會(huì)使已加工表面與后刀面的接觸面積大，磨損嚴(yán)重。淬硬鋼材料的主要特點(diǎn)是硬度、強(qiáng)度高, 塑性、導(dǎo)熱性差。在切削過程中，切屑與前刀面接觸長(zhǎng)度短, 因此切削力和切削溫度集中在切削刃附近,易使刀具磨損和崩刃。為了克服這些難加工材料的加工難點(diǎn)，就需要選擇正確的刀具材料。由于不同材料的成份和性能各異，切削加工性也不同。因此，只有掌握它們的特殊性，才能找出與之相匹配的刀具材料來完成對(duì)其的切削加工5-7。刀具材料的選擇1 切削難加工材料時(shí)對(duì)刀具材料性能的要求刀具材料和工件材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能必須得到合理的匹配，

5、切削過程才能正常進(jìn)行，并獲得較長(zhǎng)的刀具壽命。否則，刀具就可能會(huì)急劇磨損，刀具壽命就會(huì)縮短7。這樣就要求在選擇刀具材料時(shí)，不僅要考慮刀具材料的常溫力學(xué)性能，還應(yīng)考慮其高溫性能，防止工件與刀具材料中的化學(xué)元素發(fā)生化學(xué)作用或擴(kuò)散作用從而造成刀具的擴(kuò)散磨損。難加工材料在切削加工中，通常出現(xiàn)的刀具磨損包括如下2種形態(tài)：（1）由于機(jī)械作用而出現(xiàn)的磨損；（2）由于熱及化學(xué)作用而出現(xiàn)的磨損，以及由切削刃軟化、溶融而產(chǎn)生的破斷、熱疲勞、熱龜裂等5。切削難加工材料時(shí)，由于被加工材料中存在較多促使刀具磨損的因素，通常在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)上述刀具磨損。根據(jù)難加工材料的切削特點(diǎn)，同時(shí)考慮其切削的特殊性，選擇刀具材料時(shí)應(yīng)

6、考慮以下性能:（1）高的硬度和耐磨性；（2）高的耐熱性；（3）足夠的強(qiáng)度和韌性。除此之外，對(duì)于難加工材料的切削還應(yīng)該特別注意以下2點(diǎn)：一是要避免因刀具材料和工件材料之間某些元素的親和作用致使刀具磨損加??；二是要根據(jù)刀具材料、工件材料及其他切削條件選擇最佳切削速度。例如，陶瓷和立方氮化硼刀具切削時(shí)要求切削速度高，如果在較低的速度下切削，其耐用度并不比高速鋼刀具好。因此，各種刀具材料的優(yōu)越性只有在相應(yīng)的速度范圍內(nèi)才能充分顯示出來4。2 常用刀具材料的切削性能絕大部分刀具材料中都含有碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。這些化合物都具有高硬度、高熔點(diǎn)、高彈性模量，這正是刀具材料所需要的性質(zhì)7。例如，硬質(zhì)合

7、金的硬質(zhì)相主要為WC和TiC；陶瓷的基體材料常用Al2O3和Si3N4，再加入碳化物、其他氧化物和氮化物，甚至硼化物；立方氮化硼則是一種非金屬的氮化物 8-9。因此，在現(xiàn)代切削加工中，常用的刀具材料為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。表1為各種刀具材料的主要性能。近年來，高速鋼刀具的性能已不夠先進(jìn)，但因其穩(wěn)定性好，能接受成形加工，在刀具材料總消耗量中仍占近1/2。在高速鋼的基體上，用物理氣相沉積（PVD）法涂覆耐磨材料薄層（一般為TiN），可顯著提高刀具壽命和加工表面質(zhì)量，降低切削力。這種涂層高速鋼刀具也已得到廣泛的應(yīng)用。硬質(zhì)合金刀具是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品。按晶粒

8、的大小可分為普通硬質(zhì)合金、細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；按化學(xué)成分可分為鎢鈷類（YG）、鎢鈷鈦類（YT）和添加稀有碳化物類（YW）。由于鎢鈷鈦（YT）類刀具和鈦合金有強(qiáng)烈的親和力，所以目前在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用的仍然是鎢鈷類硬質(zhì)合金YG8、YG6、YG3等。如果使用添加稀有金屬的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金YA6、YD15、YG10H、YS2等，可提高刀具的壽命和加工效率。 金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、刃口鋒利、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高導(dǎo)熱系數(shù)以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)。金剛石類刀具適用于難加工材料的精加工和超精加工。金剛石的耐熱溫度只有700800，加工時(shí)必須進(jìn)行充分的冷卻和潤(rùn)滑。立方氮化

9、硼刀具的硬度雖然略低于金剛石，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高硬度材料，而且熱穩(wěn)定比金剛石高得多，可達(dá)到 1200以上，適合高溫干切削。其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)惰性大。由于CBN刀具加工高硬度零件時(shí)可獲得良好的加工表面粗糙度, 因此采用CBN刀具切削淬硬鋼可實(shí)現(xiàn)“以切代磨”10-12。表2 給出了不同CBN含量的CBN刀具的切削用途。陶瓷刀具材料是通過在氧化鋁和氮化硅基體中分別加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的。陶瓷刀具的高溫性能優(yōu)于硬質(zhì)合金，故適用于高速切削。Al2O3基復(fù)合陶瓷刀具具有良好的耐磨性、耐熱性和高溫化學(xué)穩(wěn)定性, 不易與鐵元素之間發(fā)生相互擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng), 其耐磨性和耐熱性高于Si3N4基陶瓷

10、刀具,因此其應(yīng)用范圍最廣。而Si3N4基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱震性高于Al2O3基陶瓷刀具，適合于鑄鐵的高速切削 12。典型難加工材料與刀具材料的匹配1 不銹鋼不銹鋼因具有耐腐蝕性，耐熱性，低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性好，沖壓、彎曲等熱加工性好，以及在較高溫度（450°） 下具有較高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，而在航空航天、機(jī)械制造、石油、化工及人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。不銹鋼的切削加工性較差，其加工性約是45 鋼的1/2，切削時(shí)需選用紅硬性高、抗彎強(qiáng)度高、耐磨、導(dǎo)熱性好、抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散和抗氧化磨損性好的刀具材料。因此，常選用YG類及含Ta（Nb）C的YG類硬質(zhì)合金。粗車時(shí)可選用YG8或者YC6，若

11、用YG8N和813硬質(zhì)合金，能大大地提高刀具耐用度。在連續(xù)切削條件下的高速精車或半精車宜選用YT5、YTl5、798、YWl和YW2等硬質(zhì)合金13。2 鈦合金鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐蝕性好等優(yōu)良的力學(xué)和物理性能, 不僅在航空航天及軍工領(lǐng)域得到廣泛的使用，而且開始逐漸滲透到經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)方面8。但是鈦合金本身的化學(xué)活性大、導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小等特點(diǎn)給鈦合金的切削加工帶來了困難。刀具材料的選擇對(duì)于鈦合金的加工有很大影響。加工鈦合金的理想刀具材料必須同時(shí)具備較高的熱硬度，良好的韌性、耐磨性，高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的化學(xué)活性。切削鈦合金時(shí)宜選用與鈦化學(xué)親和作用小、導(dǎo)熱系數(shù)高、強(qiáng)度大、晶粒度小的鎢

12、鈷類硬質(zhì)合金作刀具材料，以不含或少含TiC的硬質(zhì)合金為宜，如YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643M、YS2、YD15、YG10H 等牌號(hào)。若用金剛石和立方氮化硼切削鈦合金效果更好，這是因?yàn)榈毒邔?dǎo)熱性高、抗粘結(jié)、刀刃鋒利。但是金剛石和立方氮化硼刀具在價(jià)格上比較昂貴，所以在實(shí)際切削鈦合金材料時(shí)，還是以硬質(zhì)合金刀具為主8,14-15。氧化鋁陶瓷刀具3 淬硬鋼淬硬鋼是典型的耐磨和難加工材料，這類工件經(jīng)淬火處理后硬度高達(dá)5065HRC，并且具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞磨損能力。淬硬鋼的切削加工性差、強(qiáng)度高、硬度高、脆性大、導(dǎo)熱性差，因此給切削加工造成很大困難。切削淬硬鋼時(shí)宜選用紅硬性高、耐磨、導(dǎo)熱性好的刀具，可以選用硬質(zhì)合金、陶瓷和立方氮化硼作為刀具材料。用硬質(zhì)合金時(shí)，一般以含TaC（NbC）的K類和M類硬質(zhì)合金為好，可選用600、610、767、726、712、YW1、YW2、YN05、YT05等牌號(hào)。由于陶瓷刀具耐磨耐熱性好，切削時(shí)不僅可以提高刀具耐用度，還可在更高的切削速度范圍內(nèi)切削，從而提高生產(chǎn)率，這是硬質(zhì)合金刀具所不能比擬的16-19。結(jié)束語綜上所述，在難加工材料的切削中，硬質(zhì)合金的使用范圍會(huì)有一定的控制。由于資源、價(jià)格和性能的原因，陶瓷材料將得到大的發(fā)展，代替一部分硬質(zhì)合金刀具。硬質(zhì)合金材料中含有大