高速切削刀具

高速切削刀具

王平

（沈阳理工大学机械工程学院 110159）

摘要：刀具是实现高速切削加工的关键，本文阐述了高速切削刀具材料的要求、高速切削加工刀具材料的种类，以及高速切削不同材料时刀具材料的合理选用。

本文在分析传统BT (7∶24锥度)实心长刀柄基础上介绍国外HSK等新型工具系统, 指出高速加工工具系统中存在的主要问题及对策, 展望高速加工工具系统发展趋势和研究前景, 为选用高速工具系统提供了参考。

关键词：高速切削；刀具材料；高速加工; 工具系统。

High speed cutting tool materials

WANG ping

(College of mechanical engineering ShenYang Ligong University 110159) Abstract:Realization of high speed cutting tool is the key, in this paper, the requirements of high speed cutting tool material of high-speed cutting tool materials in high speed cutting of different kinds, as well as the material of cutting tool material selection.Based on the analysis of traditional BT ( 7 ∶24 taper) solid knife handle based on introducing foreign HSK model tool tool system for high speed machining system, points out the main problems and countermeasures existed in high speed machining tool system, prospect of development tendency and research foreground, for selection of high speed tool system is provided for reference.

Key words:High speed cutting;Cutting tool materials;High speed machining;Tool system.

0前言

在机械加工中，切削、磨削加工目前仍是零件最终形成的主要工艺手段。切削加工的主要发展方向之一是高速切削(包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给量切削等)。高速切削时，随着切削速度的提高，切削力逐渐减小，切削温升逐渐趋缓，加工表面质量提高，加工成本降低。为实现切削加工的高速化，必须研究及开发与高速切削相适应的刀具材料、刀具结构及刀具监控技术。

1高速切削刀具材料的要求

1.1 刀具材料的基本性能要求

刀具材料对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用，因此，刀具材料应具备如下一些基本性能：（1）硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在HRC60以上。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。（2）强度和韧性：刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。（3）耐热性：刀具材料的耐热性要好，能承受高的温度，具备良好的抗氧化能力。（4）工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造或者其他成型性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等，并具有较高的性能价格比。

1.2 高速切削加工对刀具材料的要求

刀具技术是实现高速切削加工的关键技术之一。高速切削加工时切削温度很高，因此，高速切削刀具的失效主要取决于刀具材料的热性能（包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）。高速干切削、高速硬切削和高速切削黑色金属时，最高切削速度主要受刀具材料耐热性的限制。例如，高速加工钢、铸铁等黑色金属时，最高切削速度只能达到加工铝

合金的1/5～1/3，其原因是切削热使刀尖发生热破损。在高速切削加工低导热性和高硬度材料（如耐热镍基合金及高硬度合金钢等）时，易于形成锯齿状切屑，而高速铣削过程中则会产生厚度变化的断续切屑，它们都会导致刀具内热应力高频率地周期变化，加速刀具磨损。因此，高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还特别要求刀具材料具备高的耐热性、热冲击性、良好的高温力学性能以及高的可靠性。

2适用于切削的刀具材料种类

2.1 铝合金

2.1.1易切削铝合金

该材料在航空航天工业应用较多，适用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在2000～4000m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°。

2.1.2 铸铝合金

铸铝合金根据其SI含量的不同，选用的刀具也不同，对SI含量小于12％的铸铝合金可采用K10、SI3N4刀具，当SI含量大于12％时，可采用PKD（人造金刚石）、PCD （聚晶金刚石）及CVD金刚石涂层刀具。对于SI含量达16％～18％的过硅铝合金，最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm／R。

2.2 铸铁

对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷：切削速度在510～2000m/min时，可选用SI3N4陶瓷刀具；切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN刀具。铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN或SI3N4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，不宜使用CBN，而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属CO，晶粒尺寸平均为3μM，CBN含量大于90％～95％的BZN6000在V＝700m/min时，宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷（ALN＋ALB2）、晶粒尺寸平均为10μM、CBN含量为90％～95％的AMBORITE刀片，在加工高珠光体含量的灰铸铁时，在切削速度小于1100m/min时，随切削速度的增加，刀具寿命也增加。

2.3 普通钢

切削速度对钢的表面质量有较大的影响，据研究，其最佳切削速度为500～800m/min。目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的TIN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好，因为前者可很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。金属陶瓷刀具目前占市场份额较大，以TiC-Ni-Mo 为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在400～800m/min的小进给量、小切深的精加工：用TICN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来，用TIN来增加金属陶瓷的韧性，其加工钢或铸铁的切深可达2～3mm。

2.4 高硬度钢

高硬度钢（HRC40～70）的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TIC涂层硬质合金、PCBN等。金属陶瓷可用基本成分为TIC添加TIN的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1／1O，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速（在200m/min 左右）的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。采用陶瓷刀具可切削硬度达63HRC的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。切削淬火硬度达48～58HRC的45钢时，切削速度可取150～18Om/min，进给量在O.3～0.4MIN／R，切深可取2～4mm。粒度在1μM，TIC含量在20％～30％的AL203-TIC陶瓷刀具，在切削