高速切削刀具材料.doc

高速切削刀具材料 摘要：介绍了刀具在高速切削中的地位、高速切削对刀具材料的要求以厦现有高速切削刀具材料的种类，分析了在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配，阐述了如何合理选择高速切削刀具材料。1 高速切削对刀具材料的要求在由机床、刀具和工件组成的切削加工工艺系统中。刀具是最活跃的因素。由于高速切削加工所采用的切削速度为常规切削的5～10倍，对刀具材料提龄r特殊的要求。刀具材料除应具备硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性外，对高速切削刀具材料提出了如下更高的要求：①可靠性；②高的耐热性和抗热冲击性能；③良好的高温力学性能；④刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要。2 现有高速切削刀具材料的种类金刚石、立方氮化硼、陶瓷、涂层、TiC(N)基硬质合金等一些新的材料用于超高速切削的刀具。金刚石金刚石有天然金刚石和人造金刚石，天然金刚石刀具主要用于超精密镜面切削，而更多的金刚石刀具是人造金刚石。人造金刚石又分为3种：①聚晶金刚石(PCD)。这种金刚石刀具焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量较好，抗腐蚀性差；②化学气相沉积金刚石(CVD)，化学气相沉积金刚石厚膜抗腐蚀性好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性较好，可焊性差；③利用超高压装置，在1400～1600℃高温下，人工合成的单晶金刚石，人工合成单晶金刚石刀口质量的抗磨损性和抗喷蚀性好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性差。立方氮化硼(CBN)立方氮化硼是纯人工合成材料，化学稳定性优于金刚石，是高速切削黑色金属的理想刀具材料，聚晶立方氮化硼(PCBN)刀坯有2种：①高CBN含量的刀具(CBN含量80%一90%)，它具有高硬度、高导热性；②低CBN含量的刀具(CBN含量50%一65%)，它具有较好的强度和韧性。陶瓷刀具陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al2O3)和氮化硅基(Si3N4)两大系列。通过添加各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物，构成了不同品种和不同性能的陶瓷刀具，现有40多个品种陶瓷刀具，大约200多个牌号。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性。硬度可达93～95HRA，耐磨性能也很好，可以加工65HRC的高硬度材料，高温性能，抗粘结性能、化学稳定性都比较好。陶瓷刀具的缺点主要是强度和断裂韧性较低、脆性较大。TiC(N)基硬质合金TiC(N)基硬质合金是以高耐磨性的TiC+Ni、高韧性的TiC+WC+TaC+Co为主体，以高强韧的TiCN+NbC等TiC(N)为基的硬质合金，与WC硬质合金相比，强度、硬度、韧性和抗崩刃性能得到明显提高，抗月牙洼磨损和抗粘结能力也显著增强。涂层刀具涂层刀具是高速切削应用研究中发展速度很快的刀具。在硬质合金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物。涂层刀具的涂层物质不同，刀具的切削性能也有明显变化，适于高速切削的涂层物质主要有CVD法的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN以及PVD法的TiAlN/TiN、TiAlN等。表1 刀具材料各项力学性质大小顺序力学性质顺序硬度PCD>PCBN>(Al2O3基陶瓷>Si3N4基陶瓷>TiC(N)基硬质合金>WC基超细晶粒硬质舍金>高速钢(HSS)。抗弯强度HSS>WC基硬质舍金>TiC(N)基硬质合金>Si3N4基陶瓷>Al2O3基陶瓷>PCD>PCBN断裂韧性HSS>WC基硬质舍金>TiC(N)基硬质合金>PCBN>PCD>Si3N4基陶瓷>Al2O3基陶瓷。3 高速切削刀具材料与加工对象的匹配切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配。刀具材料各项力学性质大小顺序如表1所示。高硬度的工件材料，必须用更高硬度的刀具来加工。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬质合金中含钴量增多，其强度和韧性增加，硬度降低，适合于粗加工；含钴量减少时，其硬度及耐磨性增加，适合于精加工。高速切削加工时要求刀具材料具有优异的高温力学性能。切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配。刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等物理性能参数要相匹配。各种刀具材料的物理性能如表2所示。表2 各种刀具材料的韧理性能物理性能各种材料物理性能比较耐热温度 ℃PCD刀具 700～800PCBN刀具 1300～1500陶瓷刀具 1100～1200TiC(N)基硬质合金 900～1100WC基硬质舍金 800～900HSS高速钢 600～700导热系数PCD>PCBN>WC基超细晶粒硬质舍金>TiC(N)基硬质合金>HSS>Si3N4基陶瓷>Al2O3基陶瓷热胀系数HSS>WC基超细晶粒硬质舍金>TiC(N)基硬质合金>Al2O3基陶瓷>PCBN>Si3N4基陶瓷>PCD抗热震性HSS>WC基超细晶粒硬质舍金>Si3N4基陶瓷>PCBN>PCD>TiC(N)基硬质合金>Al2