高速切削刀具材料及其合理选用

论
著
高速切削刀具材料及其合理选用
宋炎荣
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熊建武
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周
进
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（１．湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 ４１２００１；２．湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 ４１０２０８） 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。 关键词：高速切削；刀具材料；要求 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．０９．００１ The Material of High Speed Cutting-tools and Its Reasonable Application 1 2 2 SONG Yan-rong ，XIONG Jian-wu ，ZHOU Jin (1.Hunan Railway Professional-Technology College,Zhuzhou,Hunan 412001;2.Hunan Industry Polytechnic,Changsha,Hunan 410208) Abstract:Cutting-tools is the key to carry out the high speed cutting process.This paper elaborated the request for the material of cutting-tools,category of cutting-tools and its reasonable application in high speed cutting process. Key words:High speed cutting;Material of cutting-tools;Request
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高速切削刀具材料的要求
高温力学性能以及高的可靠性。 ２ 高速切削刀具材料的种类 目前国内外广泛用于高速切削的刀具材料主要有：聚晶
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
金刚石（ＰＣＤ）刀具、聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）刀具、陶瓷刀 具、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金、超细晶粒硬质合金、涂层刀具、粉 末冶金高速钢刀具等。 以上刀具材料各有特点，适应的工件材料和切削速度范 围 不 同 。 一 般 而 言 ， ＰＣＢＮ、 陶 瓷 刀 具 、 涂 层 硬 质 合 金 及 ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金刀具适合于钢铁等黑色金属的高速切削 加工，而ＰＣＤ刀具适合于对有色金属及其合金和非金属材料 的高速切削加工。 ３ 高速切削刀具材料的选用 应用高速切削加工技术时，应根据工件材料、毛坯状态
和加工要求，在数控机床和加工中心上，首先要正确选择刀 具材料、刀具结构和几何参数以及切削用量等。不同加工方 式和不同工件材料对应不同的刀具材料，并且有不同的高速 切削速度范围。 ３．１ 高速切削有色金属及其合金的刀具材料的选用 铝及其合金是现代工业中用途最广泛的轻金属材料，广 泛应用于飞机、仪表、发动机、交通运输设备和其他机械等 行业。纯铝的机械强度不高，不宜做受力结构零件，在铝中 加入合金元素Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ等后形成铝合金，提高了强 度。铝及其合金具有极好的易切特性，可采用很高的切削速 度和进给速度进行加工，可以是铣削，也可以是车、镗、钻 等加工方式，选用的刀具材料主要是ＰＣＤ、涂层硬质合金或 超细晶粒硬质合金刀具，为避免由于铝与陶瓷的化学亲和力 而产生粘接，一般不宜采用Ａｌ２Ｏ３基陶瓷刀具。选择切削用量 时，应先说明铝合金的含硅量，随含硅量的增加，所选择的 切削速度降低。
收稿日期：２０１１－０１－１７ 修回日期：２０１１－０２－１３ 基金项目：２００６年湖南省高等学校研究项目（编号０６Ｄ０６２）和湖南铁道职业技术学院课题（编号Ｋ２００６０１６）资助。 作者简介：宋炎荣（１９６８－），女，湖南株洲籍，本科，高级工程师，研究方向为机械设计与制造。 本文通讯作者：熊建武（１９６４－），男，湖南安化籍，工学硕士，副教授、高级工程师，研究方向为机械设计与制造。
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中国西部科技
２０１１年０３月（下旬）第１０卷第０９期总 第２４２期
（２）陶瓷刀具的组分不同，适于加工的钢和铸铁的种 类各异，根据加工要求和工件性质选用不同组分的陶瓷刀 具及其几何角度是成功使用陶瓷刀具进行高速切削的关 键。加工未淬硬钢件，一般可在３００～８００ｍ／ｍｉｎ速度范围进 行高速切削加工；切削淬火硬度达４８～５８ＨＲＣ的钢时，切削 速度可取１５０～ｌ８０ｍ／ｍｉｎ。 （３）涂层硬质合金刀具随涂层材料不同，适宜加工的 钢的种类不同，合理使用的切削速度范围也不相同，一般 可在２００～５００ｍ／ｍｉｎ范围内加工未淬硬钢件。 ３．３ 高速切削高温镍基合金的刀具材料的选用 Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金是典型的难加工材料，具有较高 的高温强度、动态抗剪强度，热扩散系数较小，切削时易 产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加 快。ＰＣＢＮ和晶须增韧陶瓷刀具对纯镍和镍基高温合金具有 优异的切削性能，切削速度可达１００ｍ／ｍｉｎ以上。高含量 ＣＢＮ的ＰＣＢＮ刀具更适合高速切削高硬镍基合金，切削速度可 达１２０～２４０ｍ／ｍｉｎ。Ａ１２ Ｏ３ 基陶瓷刀具比Ｓｉ３ Ｎ４ 基陶瓷刀具有较 高的耐磨性，而晶须增韧陶瓷刀具的抗高温磨损性能最 好，适合于高速切削低硬度镍基合金，在１００～３００ｍ／ｍｉｎ时 可获得较长的刀具寿命。Ｓｉａｌｏｎ陶瓷刀具韧性高，适合于 高速切削加工高温硬度高的镍基合金。 ３．４ 高速切削钛及其合金的刀具材料的选用 钛及其合金强度、冲击韧度大，硬度稍低于 Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出 现温度高、刀具磨损严重的现象。 目前，钛及钛合金的切削加工选用的刀具材料，以不 含或少含ＴｉＣ的硬质合金刀具为主。大量试验证明，选用 ＹＧ（Ｋ）类硬质合金加工钛合金效果最好，ＹＴ（Ｐ）类硬质合 金加工钛合金时磨损严重，效果不好。陶瓷刀具很少被用 来加工钛合金。普通涂层刀具加工钛合金时磨损也较为严 重，精铣ＴｉＮ涂层硬质合金刀具、ＰＣＤ刀具高速切削加工钛 及钛合金的加工效果远好于普通硬质合金，切削速度可达 １８０～２２０ｍ／ｍｉｎ。天然金刚石刀具的加工效果更好，但其应 用受到加工成本的制约。加工钛及钛合金，还广泛应用车－ 铣复合加工。车－铣复合加工改善了刀具散热条件，降低了 切削温度，并可减少刀具磨损，从而可在较高速度下切削 加工钛及钛合金。 ３．５ 高速切削非金属复合材料的刀具材料的选用 非金属材料种类繁多，包括塑料、橡胶、粘接材料和 隔热耐火材料等，选用正确的刀具材料进行切削加工是非 常重要的。 纤维增强塑料是机械工业中常用的一种新型材料，分 碳纤维和玻璃纤维两大类，切削这种材料时，对刀具的刻 划十分严重，刀具磨损快。一般纤维增强塑料的高速切削 加工选用ＰＣＤ刀具，也可选用硬质合金刀具，但硬质合金刀 具高速切削塑料时的刀具寿命太短。当用ＰＣＤ刀具对这种材 料 进 行 高 速 切 削 加 工 时 （ ｖｃ＝２０００～５０００ｍ／ｍｉｎ）， 刀 具 寿 命、加工精度和效率明显提高。 石墨也是一种非金属材料，但其有良好的导电性、优 良的耐腐蚀性能，同时具有极好的自润滑性、低摩擦系数 和很高的导热系数，在机械、模具、电工等许多行业的应 （下转第３１页）
ＰＣＤ刀具是高速加工高硅铝合金的理想的刀具材料。 ＰＣＤ刀具高速切削加工高硅铝合金不但能获得良好的加工质 量，而且刀具寿命长。高速切削加工铝合金时的切削速度 为１０００～４０００ｍ／ｍｉｎ，有时高达５０００～７５００ｍ／ｍｉｎ，但受到 目前机床主轴所能达到的最高转速和功率的制约。复杂型 面铝合金的高速切削加工，可用整体超细晶粒硬质合金和 粉末高速钢及其涂层刀具。 镁合金由于具有低密度和高强度的优良特性也颇受青 睐，在汽车、电子电器、航空等众多领域中获得了广泛应 用，是２１世纪最有发展前景的材料之一。切削加工镁合金 时切削力小，切削能耗低，切削过程中发热少，切屑易 断，刀具磨损小，寿命显著延长。因此，加工镁合金可进 行高速、大切削量切削。一般选用硬质合金刀具，金刚石 刀具主要用于对表面质量要求较高的情况。由于镁合金的 燃点低（６５０℃），高速切削时其切削速度主要受限于工件材 料本身的易燃性，在加工时必须用矿物油进行强力冷却， 并把镁的切屑迅速从加工区运走。 铜、黄铜及铜合金应用于内燃机、船舶、电极、电子 仪器及通用机械等。大多数铜合金选用ＹＧ类硬质合金刀 具，一般能达到加工要求；选用ＰＣＤ刀具进行高速切削加 工，切削速度可达２００～１０００ｍ／ｍｉｎ，刀具寿命很高，而且 能获得很高的表面质量。锡磷青铜的加工也可选用ＰＣＢＮ刀 具。 ３．２ 高速切削铸铁和钢的刀具材料的选用 切 削 加 工 铸 铁 的 最 高 切 削 速 度 ， 目 前 约 为 ５００～ １５００ｍ／ｍｉｎ，精铣灰铸铁可达２０００ｍ／ｍｉｎ。切削速度的选择 取决于选用的刀具材料，而刀具材料要根据工件的加工方 式及工件材料的成分、金相组织和力学性能进行合理选 用。高速切削加工铸铁零件时所用的刀具材料，主要有 ＰＣＢＮ、陶瓷刀具、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金、涂层刀具、超细晶 粒硬质合金刀具等。当切削速度低于５００ｍ／ｍｉｎ时，可选用 涂层硬质合金、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金和超细晶粒硬质合金； 切削速度高于５００～１０００ｍ／ｍｉｎ时，可选用ＰＣＢＮ和Ｓｉ３ Ｎ４ 陶瓷 刀具；当切削速度高于１０００ｍ／ｍｉｎ时，ＰＣＢＮ是最佳刀具材 料。 目前，对钢进行高速切削加工的最高转速能达到加工 铝合金的１／５～１／３，高速精加工钢时切削速度约为３００～ ８００ｍ／ｍｉｎ。切削速度的进一步提高受限于刀具材料的耐热 性、抗热震性能和化学稳定性，主要是切削热促使切削刃 发生粘接磨损、化学磨损和热震破损，造成刀具损坏。 钢高速切削主要选用ＰＣＢＮ刀具、陶瓷刀具、涂层刀 具、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金刀具等。淬硬钢（４５～６５ＨＲＣ）的 高速切削，主要选用ＰＣＢＮ刀具和陶瓷刀具，工件材料硬度 越高，越能体现出它们高速切削加工的优越性，可实现以 车代磨，大幅度提高加工效率。 目前已有多个品种不同ＣＢＮ含量的ＰＣＢＮ刀具已用于车 刀、镗刀、铣刀等，主要用于高速加工淬硬钢和高硬铸铁 以及某些难加工材料，但是选用时应该注意： （１）ＰＣＢＮ刀具中ＣＢＮ含量、ＣＢＮ粒径和结合剂不同，其 性能和应用范围各异，要正确选用，ＰＣＢＮ主要适合于加工 ４５ＨＲＣ以上的淬硬钢。
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