高速切削加工刀具材料

精密制造与自动化 2010年第1期
高速切削加工刀具材料*
姚福新1 李长河2
沈阳徐挖机械销售有限公司1 （110165） 青岛理工大学 机械工程学院2 （266033）
摘 要 论述了高速切削的概念和优越性，介绍了高速切削加工所使用的先进刀具材料和刀具如：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其应用，探讨了高速切削刀具材料的发展前景和研究方向。

关键词 高速切削 刀具材料 性能特点 陶瓷 CBN 金刚石
高速切削（High Speed Machining 简称HSM ）概念的起源可以追溯到20世纪20年代末，德国切削物理学家Carl. J. Salomon 博士1929年进行的超高速切削模拟试验，并于1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削的设想。

Salomon 指出：在常规的切削范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高（图1中的区域A ）。

但是，当切削速度增大到某一数值v cr 后，切削速度再增大，切削温度反而下降，并指出v cr 之值与工件材料的种类有关，对于每一种工件材料，存在一个速度范围（见图1中的区域B ）。

切削速度v c
图1 切削速度变化与切削温度之间的关系
由于切削温度太高，高于刀具材料所允许的最高温度，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个范围被称之为“死谷”。

但是当切削速度
进一步提高，超过这个速度范围后，切削温度反而降低，同时切削力也会大幅度降低。

他认为对于一些工件材料应该有一个临界的切削速度，在该切削速度下切削温度最高。

在高速切削区进行切削，有可能用现有的刀具进行，从而成倍地提高机床的生产率。

几乎每一种金属材料都有临界切削速度，只是不同材料的速度值不同而已。

高速切削是一个相对的概念。

由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削范围，所以很难就高速切削的速度范围给出确切的定义。

高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。

切削条件不同，高速切削速度范围亦不同。

1992年在CIRP 会议上发表了不同材料大致可行的和发展的切削速度范围，如图2所示。

图2 不同工件材料的切削速度范围
可以说，目前各国的切削速度仅在高速阶段，尚未达到CIRP （国际生产工程科学院）所界定的超高速切削阶段。

1 高速切削的优越性
与传统的切削加工方法相比，高速切削具有无
切削温度T 普通区过渡区高速区碳纤维塑料
铝合金黄铜铸铁钢钛、钛合金
镍基合金
10 100 1000 10000
切削速度 /m·min -1
*国家自然科学基金资助项目（编号：50875138）
国家重点基础研究发展计划（编号：2009CB724401） 国家科技重大专项项目（编号：2009ZX04014-043） 山东省自然科学基金重点项目（编号：Z2008F11） 机械制造系统工程国家重点实验室开放基金
姚福新等高速切削加工刀具材料
可比拟的优越性。

第一、切削力低。

由于切削速度高，导致剪切变形区狭窄、剪切角增大、变形系数减小和切屑流出速度快，从而使切削变形减小、切削力降低。

尤其是法向切削力，比常规切削低30%～90%。

刀具耐用度可提高70%，特别适合细长类、薄壁类以及刚性差的工件加工。

第二、热变形小。

在高速切削时，90%～95%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件累积热量极少，工件基本上保持冷态，因而不会由于温升导致热变形，特别适合加工易热变形的零件。

第三、材料切除率高。

由于切削速度的大幅度提高，进给速度可提高5～10倍，这样单位时间内的材料切除率就大大增加。

故高速切削适用于材料切除率要求大的场合，从而极大地提高了生产率。

第四、加工精度高。

由于高切削速度和高进给率，使机床的激振频率远高于“机床–工件–刀具”系统的固有频率，工件处于平稳振动切削状态，这就使零件加工能够获得较高的表面加工质量。

高速切削加工获得的零件表面加工质量几乎可与磨削相比，且残余应力很小，故可以省去高速切削后的精加工工序。

第五、降低加工成本。

高速切削可以降低加工成本的主要原因包括：单件零件加工时间缩短；许多零件在常规加工时，需要粗、半精、精加工工序，有时加工后还需进行手工研磨，而使用高速切削可使工件集中在一道工序中完成。

这样可以使加工成本大为降低，加工周期大为缩短。

第六、高速切削可以加工难加工的材料。

例如，航空和动力部门大量采用的镍基合金、钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。

2 高速切削的先进刀具材料
随着高速加工技术的发展，刀具技术也得到了迅猛发展，许多适应高速切削的新刀具不断出现，促进高速切削技术的进步和应用。

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。

目前在高速切削中，刀具材料主要以镀膜和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为主。

刀具的发展主要集中在两个方面：一是研制新的镀膜材料和镀膜方法，以提高刀具的抗磨损性；二是开发新型的高速切削刀具，特别是那些形状比较复杂的刀具。

2.1 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1200 ℃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、抗黏结和抗扩散能力强，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制协同作用提高其断裂韧性、抗弯强度，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。

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，从而大大提高了生产效率。

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、组份复合化、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刀具是以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。

与硬质合金相比，具有硬度高、耐磨性好（是一般硬质合金的5倍）、耐高温和抗黏结性能好以及摩擦因数低等优点，因此适合于高速切削。

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的切削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，该金属是复合材料以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
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物是硬质相，一般占80％以上，其余为铁、钴、镍等金属相作为黏结剂。

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、抗黏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，可用来制造小尺寸刀具。

以纳米TiN占2％～15％改性的TiC或Ti（CN）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。

有较高的硬度、强度和断裂韧性，其硬度为HRA91～93，抗弯强度为0.7～0.85GPa，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，Si3N 陶瓷有自润滑性能，摩擦因数较小，抗黏接能力强，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震性及优良的高温性能，使其更适合高速切削及断续切削。

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，A12O3为耐磨相，是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物，在1800 ℃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1050～1450 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，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。

赛隆陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能。

与Si3N4相比，它的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高，耐热温度高达1300 ℃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。

赛隆陶瓷可用于铸铁、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。

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HRC 65）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。

2.2 金刚石刀具
金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。

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，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。

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。

单晶金刚石又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，然后安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0.002 μm，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。

20世纪70年代初，美国GE公司研制成功聚
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晶金刚石（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，其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。

它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。

大量实践表明，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外，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。

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。

2.3 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1000℃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。

由于CBN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（45～65HRC）、轴承钢（60～62HRC）、高速钢（＞62HRC）、工具钢（57～60HRC）、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。

由于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CBN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的特点之外，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。

2.4 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
（下转第23页）
李 波 超高速精密非圆轮廓磨削
本试验磨床的控制卡，集成一套高速高精密磨床数控系统，利用PMAC控制器的时基控制原理和直线电机的高频响应特性，实现了工作台微米级进给。

高速高精度磨床上实现了椭圆轮廓形零件的高速高精密磨削加工。

本系统加工的工件，具有加工误差小、表面粗糙度小等特点。

另外在加工其他复杂截面工件时，只需要编制相应的程序，即可实现加工要求。

这为异圆截面工件的磨削加工提供了良好的实现方法。

使驱动砂轮工作的横、纵向进给机构在磨削过程中快速响应并能够准确定位，获得精密的砂轮运动轨迹，保证零件的加工精度。

实现椭圆磨削中砂轮恒线速磨削。

设计了一套基于可编程多轴运动控制器（PMAC）的自动控制系统，利用PMAC的定位误差补偿功能实现对进给直线电机的控制，同时通过砂轮主轴的直接转矩控制方法来满足异型截面磨削加工的要求。

结果使伺服机构获得高的动态性能以及准确的定位精度；同时提高了高速电主轴的动态响应速度，达到宽调速范围以及实现工件主轴的准位、准速。

利用PMAC的误差补偿功能可以实现定位误差的软件补偿，避免了对机床硬件设备的改造，有效地提高直线电动机的定位精度。

高速电主轴的直接转矩控制系统能够较好地对高速电主轴进行转速、转矩控制。

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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黏结牢固，不易脱落。

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1000 ℃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。

3 结语
在高速切削的发展历程中，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、抗震性能的刀具是高速切削刀具发展的重点，纳米复合与涂层、剃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。

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