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2017年5月19日

加工中心高速切削刀具材料

實現高速切削的技術關鍵是刀具。高速切削與常規切削相比，切削變形小，切削力有較大幅度下降，切削表面損傷減輕，但切削力有高頻周期性波動。另一面前刀面上摩擦熱能大大增加，切削溫度遠高于普通切削，且最高溫度距刀刃很近，這使熱磨損占主導地位，易于形成與刃口緊相毗鄰的月牙洼磨損，而作用切削刀刃邊界處很高的應力和溫度梯度邊界，磨損更加突出，尤其高速銑削或其他繼續切削時，刀尖及刀刃因受沖擊力載荷的作用，易于發生脆性破損。因此，對高速切削刀具要有如下幾點基本要求：（1）對于刀具材料既要求硬度高、耐磨性好、耐熱性好，又要求韌性好、耐沖擊；（2）與工件材料有較小的化學親和力；（3）具有良好的力學性能和熱穩定性，具有良好的抗沖擊力和熱疲勞性能；（4）合理正確的刀具切削角度，刀尖、刃形結構應使其具有足夠的抗磨損能力；（5）刀具系統與機床有牢靠的連接；（6）刀具系統有可靠的預警功能；在具體的工藝設計時，應根據高速切削的這些特點正確地選擇刀具材料和設計刀具幾何結構。要實現高速切削，刀具的材料是關鍵。目前常用的刀具材料主要有：TiC（N）硬質合金（也稱金屬陶瓷）、硬質合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶精鋼石（PCD）和立方氮化硼（CBN）等。他們各有優點，適應不同的工件材料和不同的速度范圍。1、 TiC（TiN）硬質合金（金屬陶瓷）金屬陶瓷是為了解決陶瓷刀具的脆性大而出現的，而成分以TiC或TiN（陶瓷）為基體，Ni、Mo（金屬）為結合劑，故取名為金屬陶瓷。其性能介于硬質合金和陶瓷之間。由于TiC（N）硬質合金有接近于陶瓷的硬度和耐熱性，加工時與鋼的摩擦因數小，耐磨性好，且抗彎強度和斷裂韌性比陶瓷高，因此，TiC（N）硬質合金可作為高速切削加工的刀具材料，切削速度可比普通硬質合金提高20%-50%。金屬陶瓷刀具的最大優點是與被加工材料的親和性極低，故不易產生粘刀和積屑瘤現象，使加工表面非常光潔平整，是良好的精加工刀具材料。 TiC（N）硬質合金按其成分和性能不同可分為；（1）成分為TiC—Ni---Mo的Ti基合金；（2）添加其他碳化物（如WC、TaC）和金屬（如Co）的強韌TiC合金；（3）添加TiN的TiCN基合金；（4）以TiN為主要成分的TiN基合金等。2、涂層硬質合金刀具對刀具進行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。涂層刀具是在韌性較好的刀體上，涂覆一層或多層耐磨性好的難熔化合物，使刀具具有較高的韌性，又具有很高的硬度和耐磨性，涂層刀具的壽命比未涂層刀具的要高2-5倍。涂層刀具可分為兩大類：一類是“硬”涂層刀具，如TiC、TiN、AL2O3涂層刀具等，其主要優點是硬度高、耐磨性能好；另一類是“軟”涂層刀具，如MOS2、WS2等，這種涂層刀具也稱為自潤滑刀具，可以減小摩擦，降低切削力和切削溫度。常見的單涂層及多涂層組合有：TiC、TiN、TiCN、TiAIN、TiC+TiN、TiC+TiCN+ TiN、TiC+ AL2O3+ TiN等。多涂層及其相關技術的出現，使涂層即可提高與基體的結合強度又能具有多種材料的綜合性能。目前應用較多的有：單涂層、多涂層、金剛石薄膜涂層、納米涂層等。3、陶瓷刀具陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高溫性能，與金屬的親和力小，并且化學穩定性好。因此，陶瓷刀具可以加工傳統刀具難以加工的高硬材料，陶瓷刀具的最佳切削速度可比硬質合金刀具高3-10倍，而且壽命長，可大大提高切削效率。陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化鋁、氧化硅等是地殼中最豐富的元素，對節省貴重金屬具有十分重要的意義。4、金剛石刀具金剛石是碳的同素異構體，它是自然界已經發現最硬的材料，其顯微硬度達到10000HV。金剛石刀具有兩種：天然金剛石刀具和人造聚晶金剛石（PCD）刀具。天然金剛石的性質較脆，容易沿水晶的解離面破裂，導致大塊崩刃，并且天然金剛石價格昂貴，因此很多場合下已經被人造聚晶金剛石所代替。人造聚晶金剛石刀片可分為整體人造聚晶金剛石刀片和聚晶金剛石復合刀片。目前，大多數使用的PCD都是與硬質合金基體燒結而成的復合刀片，便于焊接。人造聚晶金剛石刀片目前是高速切削有色金屬材料的最有效刀具材料。