难加工材料加工技术

针对难加工材料和加工方法的总结

难加工材料的种类很多，从金属到非金属范围很广。从切削加工角度，初步可分为如下几类：

1. 高强韧类难加工材料 这类材料主要包括超高强度钢、钛合金、

高温合金等，其特点主要包括塑性高、韧性好、强度高、强化系数高、导热系数低。在切削加工中，由于高强韧类难加工材料的强度高，切削时的切削力大，不但刀具易磨损，而且切屑不易处理。同时，这类材料的导热系数很低，造成切削过程中切削温度高，刀具易产生磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。此外，切削加工时的切削表面和已加工表面硬化现象严重。对钛、镍、钴及其他合金，这类材料化学活性大、亲和性强，切削加工时易黏结在刀具上，与刀具材料产生化学、物理作用，元素相互扩散。钛合金广泛应用到汽车、化工、体育、医学、建筑、矿山、航空航天和军事装备中。超高强度钢广泛应用到火箭发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域，而且其使用范围正在不断地扩大到建筑、机械制造、车辆和其它军用及民用装备。高温合金广泛应用到航空航天、工业燃气轮机、汽车、化工设备、船舶、原子能等。

2.高硬脆类难加工材料这类材料主要包括光学玻璃、硅片、陶瓷等。特点主要在于硬度高、脆性大，其加工机制与高强韧类金属材料有显著差别。这些材料由于耐磨性很好，切削时起磨料作用，故刀具主要承受磨料磨损，高速切削时也同时伴随着物理、化学磨损。此外，被加工表面易产生裂纹以及边缘破损.这些缺陷将显著降低零件的强度及使用寿命。主要应用于主要应用于照相器材、仪器仪表、光学仪器、医疗仪器，教学仪器、幻灯机、投影仪、紫外分析仪、金融机具、机场灯具，军工，科研院校、公安等。硅片到应用计算机领域、和太阳能等。陶瓷广泛应用到电子、信息、航天、能源、军事和生物医学等领域。

3.兼具高强韧和高硬脆类难加工材料 这类材料主要包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。其特点主要包括具有高比强度、比模量，良好的导热性、导电性、耐磨性、高温性能，低的线膨胀系数，高的尺寸稳定性等。在复合材料的高效机械加工中会出现一些常规材料所没有的问题，如增强相硬且脆(或坚韧)，使刀具磨损大；某些基体材料韧且不导热，加工时产生的热量不易散发，钻刀具；层压复合材料在加工时极易分层等。根据这些特点，加工时应采取相应的措施，如选择合适的刀具和合理的加工余量，制定专门的加工工艺，采取适当的加工润滑和冷却措施。并设计专用的加工夹具以保证加工质量。

对以上难加工材料还是主要用机械加工来实现，下面详细介绍加工方法，实现难加工材料的有效加工，1.关键在于优选刀具材料：高性能高

速钢、新型硬质合金、涂层刀具、陶瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具；

2.选择合适的刀具几何参数；

3.采用适当的冷却润滑条件；

4.采用优化的加工参数。

高速钢High speed steel：

高速钢可以锻造，淬火前可以切削加工，强度高，所以广泛用于齿轮刀具、螺纹刀具、拉刀等复杂刀具。

高性能高速钢：增加V、Co、Al、稀土等元素，提高高速钢的性能。

高速钢M42：是当前航空航天生产中应用较广泛的高性能高速钢，

Al高速钢501：在加工高强度钢等难加工材料时也具有良好的性能。

粉末冶金高速钢：粉末冶金高速钢无碳化物偏析，晶粒粉细小均匀，杂质含量少，抗弯强度比冶炼高速钢提高2倍以上，在600℃时的高温硬度高出2～3HRC，刀具寿命提高0.5～2倍。

进口牌号ASP2060、ASP2080 ，国产牌号M42-P

硬质合金Cemented carbide：当前硬质合金刀具材料的进展主要体现在以下几个方面

涂层技术：涂层技术分为化学气相涂层（CVD）和物理气相涂层（PVD）。

涂层材料：

传统：C、N或O的二元化合物，如TiC、TiN、Al 2O3等。

新型多元化合物： TiCN、TiAlN、TiCrN、AlCrN、TiAlSiN 氮化碳（CNx）、氮化物等，

软涂层刀具：MoS2、WS2。

涂层结构：多层沉积、复合涂层、纳米涂层，涂层数达2000层，每层厚度为2.5nm。

细化晶粒：减小晶粒尺寸可以提高硬质合金的硬度、耐磨性、韧性。普通硬质合金的晶粒尺寸约10微米以下，细晶粒<1微米、超细晶粒<0.5微米。

梯度材质：采用梯度材质可以兼顾硬质合金的硬度和韧性。梯度结构硬质合金具有特殊的结构或成分梯度变化，对不同的部位赋予不同的性能，使整体制品获得优异的综合机械性能。

陶瓷刀具Ceramic

高速钢与硬质合金的主要成分钨、钴资源在全球范围内日趋枯竭，陶瓷刀具材料使用的主要成分铝、硅、氧、氮等在地壳中含量丰富；

分类：氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、氧化铝氮化硅复合陶瓷（Sialon）和晶须增韧陶瓷。优点：

很高的硬度和耐磨性，硬度达93～95HRA，适于加工50～65HRC的高硬度材料；高温性能好，在1200℃的高温下仍能进行切削；与金属的亲和力

小，具有良好的抗粘结性能；化学稳定性好，扩散磨损小，抗氧化能力好；摩擦系数也低于硬质合金。缺点：强度和断裂韧性较低，脆性较大，导热性差，抗热震性不高。发展和预测：提高陶瓷刀具的力学性能的研究：采热压和热等静压工艺，加入各种增韧补强相，如金属碳化物、氮化物、硼化物、稀土元素及金属和晶须等。一些陶瓷刀具的强度和韧性已接近硬质合金。陶瓷刀具占刀具市场的份额将增加到15%～20%，金属切削加工工业即将进入新的“石器时代”。

超硬刀具：立方氮化硼刀具和金刚石刀具CBN & Diamond

立方氮化硼刀具材质：立方氮化硼(CBN)是氮化硼(BN)的同素异构体，其结构、化学键类型晶格常数与金刚石相似，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。PCBN刀具粘结剂组分包括金属粘结剂、陶瓷粘结剂和金属－陶瓷组合粘结剂三大类，CBN含量在40%～95%之间，CBN晶粒尺寸发展到微米和亚微米级。不同的粘结剂组分、CBN含量和晶粒尺寸适应于不同的工件材料和不同的加工条件。性能：硬度：单晶的硬度为8000～9000HV，聚晶烧结体PCBN的硬度为3000～5000HV。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具的30～50倍；耐热性：达1400℃～1500℃，在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度；其它：较好的化学稳定性、较好的导热性和较低的摩擦系数，用途：硬态干式切削难加工材料，加工硬度高于50HRC 的材料，实现高硬度零件的以切代磨加工。

金刚石刀具：

特点：是最硬的刀具(8000～12000HV)，高的导热性，低的热胀系数，高的弹性模量和较低的摩擦系数。用途：加工有色金属和非金属材料效果良好。但其主要成分C，在Fe中有较高的溶解度，所以不能加工铁族金属。分类：单晶、聚晶(PCD)、CVD厚膜和CVD涂层四类单晶金刚石刀具：用单个金刚石大晶粒做刀具，各向异性，主要用于精密、超精密加工。PCD刀具：将金刚石粉末在高温高压下压制成多晶体压块作为刀片，其晶粒呈无序排列，不具方向性。CVD厚膜金刚石刀具：利用化学气相沉积（CVD）技术沉积厚度达0.5~1mm的无衬底的刚石厚层膜，将厚膜切割后钎焊在硬质合金基片上作为刀片。同PCD相比，其热稳定性更好，但脆性较高。因导电性差，不能用电加工(EDM)制造成形。其应用领域与PCD相近，由于其高

纯度以及由此带来的耐磨性和热稳定性的提高，所以更适应于高耐磨工件的加工。CVD涂层金刚石刀具：是在硬质合金基体上采用CVD技术沉积小于30μm的薄膜。目前CVD涂层金刚石产品的市场还不是很大。

钛合金及其加工技术

刀具材料及使用条件：低速加工：高钴高速钢、高钒高速钢；中速加