刀具材料在机械加工中的应用

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[摘 要]在机械加工中，切削加工是最基本而又可靠的精加工手段。21世纪机械制造业的竞争，其实质是精密切削技术的竞争，这种竞争是全方位的。目前，随着高刚度整体铸造床身、高速运算数控系统和主轴动平衡等新技术的使用，以及刀具材料的不断发展，现代切削技术正朝着高速、高精度和高强力切削方向发展。刀具材料的性能、质量和可靠性，直接影响到我国制造业数百万台昂贵的新型机床生产效率和加工，也直接影响到整个机械制造工业的生产技术水平和经济效益。

[关键词]新型刀具材料 新型硬质合金材料 复合聚晶立方氮化硼刀具材料 陶瓷刀具材料

中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0049-01

引言

随着制造业的发展，刀具材料的发展经历了：高碳钢-高速钢―-般硬质合金材料到现在的陶瓷材料、复合聚晶立方氮化硼材料、新型硬质合金及涂层硬质合金。由于新型刀具材料的应用，从而使机械制造加工业得到了飞速的发展。随着科学技术的进步、加工效率的提高和数控机床的发展，对刀具材料的性能也提出了愈来愈高的要求。因此，在改善刀具材料性能方面需要做大量研究工作，先后对刀具冲击性能、抗弯强度、粘结剂和组织等方面进行了探讨、研究。

1 新型硬质合金材料

1.1 稀土硬质合金

稀土硬质合金就是一种很有发展前途的新型硬质合金。稀土元素有独特的物化性能，是用途极广的合金添加剂，其氧化物是优良的弥散强化剂，将某些稀土元素以一定方式微量添加到传统的硬质合金中，既可有效地优化组织和提高机械性能，具体可表现为能够强化硬质相、强化粘结相，使合金具有较高的强度，同时能提高塑性相比例、净化晶界且细化晶粒从而提高韧性。因此，这种强度与韧性兼备的稀土硬质合金不仅可以用于制造刀具、还可用于模具、矿山工具和石油钻采工具等。用该类稀土硬质合金刀具精加工TA6钦合金及不锈钢零件，与原用YG8.YG6X合金刀具相比，寿命提高4-6倍，生产效率提高2倍以上，被加工工件表面光洁度及精度有显著提高，是用于钦合金和低磁不锈钢精加工的比较理想的刀具材料。

1.2 涂层硬质合金

随着数控机床的快速发展和难加工材料的出现，传统刀具材料已无法满足现代制造业对提高效率和降低成本的要求。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层硬质合金刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3～5倍以上，提高切削速度20%～70%，提高加工精度0.5～1级，降低刀具消耗费用20%～50%，推动着数控刀具的快速发展。

涂层硬质合金材料主要包括涂层和硬质合金基体两部分。涂层的过程是物理化学反应并生成薄膜的过程，基体的性能和表面状态应满足涂层条件，涂层与合适的基体配合才能实现预期的性能。因此，涂层刀具材料的使用已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。

实践证明，在韧性较好的硬质合金表面沉积一层极薄的耐磨层，即涂层硬质合金，它能较好地解决硬质合金的耐磨性与韧性之间的矛盾。

2 陶瓷刀具材料

陶瓷刀使用精密陶瓷高压研制而成，故称陶瓷刀。 陶瓷刀号称“贵族刀” ，作为现代高科技的产物，具有传统金白色陶瓷刀具无法比拟的优点，采用高科技纳米氧化锆为原料，因此陶瓷刀又叫“锆宝石” 。它的材料是人工合成的，如氮化硅粉，纯度高。陶瓷材料主要是离子键和共价键结合，其结合力是比较强的正负离子间的静电引力或共用电子对，所以熔点高、硬度高、具有好的绝缘性、化学稳定性还有氧化性。这就是陶瓷材料能成为切削刀具的原因。

市面上的陶瓷刀大多是用一种纳米材料“氧化锆”加工而成。 用氧化锆粉末在2000度高温下用300吨的重压配上模具压制成刀坯，然后用金刚石打磨之后配上刀柄 就做成了成品陶瓷刀。陶瓷材料的成本低于PCBN（复合聚晶立方氮化硼），具有良好的热化学稳定性，却没有PCBN材料的韧性和硬度高。对于加工硬度小于50HRC的工件，陶瓷材料刀具是较好的选择。

陶瓷刀具材料的特点有：1）耐磨性好，可加工传统刀具难以加工或有些根本不能加工的高硬材料，因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，延长设备的使用寿命；2）不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；3）陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小，切削不易粘接在刀片上.不易产生积屑瘤，所以可以进行高速切削，因此在条件相同时，工件表面粗糙度比较低；4）刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；5）耐高温，红硬性好。可在1200℃下连续切削，所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数的30%-70%或更高的效果；6）氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很丰富的氮和硅，用它代替硬质合金，可节约大量W、Co、Ta和Nb等重要的金属。

3 复合聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料

立方氮化硼是继人工合成金刚石后出现的利用高温高压技术获得的第二种超硬材料。用它来制作刀具，可以获得高的切削速度、高的刀具耐磨性和耐热性。用它切削一般刀具很难切削的难切削材料，而受到国内外的重视和较为广泛的应用。根据统计，世界工具市场中，立方氮化硼复合片刀具的费用估计为3.9亿美元，其中汽车行业占50%，重型机械行业占28%。我国早在60年代后就成功研制成立方氮化硼和以它为基础的聚晶复合片。尽管我国对超硬刀具材料开发较早，但由于种种原因，至今应用面还很窄。其主要原因是对它的特点、性能应用范围，宣传与推广的不够，对它的应用后其经济效益宣传不够而不被重视。所以加强对超硬刀具材料的推广与用，促进金属切削技术水平的提高与发展，以适应科学技术发展的需要，适应现代化生产的需要。

由于PCBN具有很高的硬度和耐磨性，且价格低、刃磨方便、与铁族金属无亲合反应，因而在硬车削加工中有独特的地位，在加工硬度低于50HRC的工件时，通常会产生长条形切屑，会使PCBN刀具表面产生牙洼磨损，从而缩短刀具寿命，增加刀具成本。因此，加工硬度为55～56HRC的材料几乎都采用PCBN刀具。

4 新型刀具材料在现代制造业中的应用

工件与刀具双方交替进展、相互促进，成为切削技术不断向前发展的历史规律。新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种、新牌号的推出将越来越快。在刀具材料发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾还是主要矛盾。有可能在21世纪中研制出既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各种涂层刀具和复合结构都能在一定程序上克服上述矛盾，故极有发展远景。在未来，刀具材料将接受工件一方及制造系统更新、更严重的挑战。新品种的出现、各自所占比重的变化以及它们相互竞争和相互补充的局面，将成为未来刀具材料发展的特点。

在现代的制造业中由于对加工效率要求的不断提高，即为了实现大功率、高速度、较宽硬度范围工件的切削，相应的也就对加工刀具的性能及对加工工件适应的范围提出了更高的要求。新型刀具材料的应用，为数控机床的高速度、高精度加工提供了有利的保障。

参考文献

[1] 韩荣第，于启勋・难加工材料切削加工・北京：机械产业出版社，1996.

[2] 李炜新・金属材料与热处理・北京：机械工业出版社，2008

[3] 郑文虎・刀具材料和刀具的选用・北京：国防工业出版社，2012