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