新型刀具材料与切削工艺的变革策略探讨

郭成程

（大连恒瑞精机有限公司，辽宁 大连 116600）

新型刀具材料应用全面更新，促使刀具材料以及相关切削工艺逐步更新，过去传统化的生产流程开始进一步变革。通过新刀具应用能全面替代传统材料，应用铣削替代原有的磨削，通过车削替代磨削等，能有效采取全新的切削技术工艺优化传统旧的技术工艺，能有效提高零件加工工艺。刀具材料创新与各项机械技术、控制技术发展有效结合，推动进给速度、切削速度、加工精度全面发展。

1 涂层刀具

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢（HSS）基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物（也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而制备的。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，从而减少了基体的磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具寿命提高3倍～5倍以上，提高切削速度20%～70%，提高加工精度0.5级～1级，降低刀具消耗费用20%～50%。多涂层刀具是现阶段涂层刀具发展重点，多涂层刀具具备良好的耐磨性，能对多种材质工件进行加工。针对各类多种工件材料混合加工方法，多涂层刀具属于理想状态的刀具应用材料[1]。

2 陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料应用主要有晶须强化陶瓷、氧化铝基陶瓷、氧化硅陶瓷。陶瓷刀具材料运行中自身要具备较好的温度条件，在加工生产中可以允许应用比硬质合金较高的切削速度以及进给速度。选取氮化硅陶瓷中，实际切削功率要高于混合陶瓷，也高出硬质合金。在过去氮化硅陶瓷材料开发成功之后陶瓷刀具材料发展较快，除了具备良好的硬度值以及耐磨性之外，其韧度与抗冲击性能突出，能全面提升切削加工操作运行稳定性。所以，此类陶瓷材料应用能融入到铣削片状石墨结构的材质中。多数工业技术发展较快的国家，在工业加工生产中会选取氧化硅陶瓷刀具对缸体、铣削铸铁曲轴箱体、缸盖平面进行高速加工。有较多区域汽车生产厂通过此类刀具材料进行加工生产，在组合机床中的运行切削速度全面加快，能有效降低铣削时间，与传统硬质合金铣刀运行相比加工效率大大提升[2]。

3 碳化钛基硬质合金

碳化钛基硬质合金是灰铸铁件以及钢的精加工应用刀具材料，此项技术受到社会各界重视，是应用发展较快的材料。有部分国家将此类新刀具材料定义为金属陶瓷硬质合金，判定其是由陶瓷材料、粘结金属组成的新型刀具材料。从材料成分层面来看，组成元素主要是氮化钛以及碳化钛，粘结金属为Mo以及Ni，其中TiC为主要成分，镍钼为粘结相制成的硬质合金。与过去WC基硬质合金应用对比能得出，此类刀具属于不含钨钴的硬质合金。从WC及硬质合金以及Ti（N）C基硬质合金应用对比能得出，后者应用具有更多优势，诸如具备良好的高温硬度、化学稳定性、刀刃强度值较高、摩擦系数较小，但是韧度相对前者较差。综上上述各项基本特征，促使此类硬质合金在加工生产中要投入较快的切削速度以及较小的切削深度，对各类工件进行精加工，能有效提升加工面质量，对尺寸精度进行控制，促使刀具应用寿命延长。在切削加工操作中，通过此类新型刀具材料应用实际产生的切削力偏小，工件应用中发热情况减少，针对工业生产精加工操作，此类新型硬质合金属于理想状态刀具[3]。

4 立方氮化硼

立方氮化硼自身具备较高的硬度值，具备良好的耐磨性、韧度、化学稳定性以及导热性，适合加工其硬度在HRC45以上的淬火钢、耐磨铸铁、HRC35以上的耐热合金以及HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。在机床制造业生产加工中，通过立方氮化硼铣刀加工淬硬钢质或是铸钢导轨，能对磨削进行替换，能有效降低工艺设备应用量，提高加工效率且对加工费用合理控制。通过铣削在导轨表层剥露相应的石墨层，能建立分布较为均匀的孔隙，此类孔隙有助于对导轨表层滑动性能有效优化。立方氮化硼还能用于灰铸件高速切削加工生产，在汽车工业生产加工中通过立方氮化硼镗刀镗缸孔，切削速度与进给速度为800m/min以及1500mm/min，针对长度以及孔径为146mm、92.92mm缸孔加工消耗时间为3.8s。在设定自动线工位过程中能有效调节较长的加工时间，通过镗孔工位设定来平衡节拍。近年来逐步开发利用立方氮化硼以及六方复合刀具材料，主要是通过精细晶粒组成六方密集排列的氮化硼、立方氮化硼。此类刀具应用具备良好的断裂性，还具备较高硬度值以及良好的导热性能，此类刀具能用于断续切削条件下淬硬零件[4]。

5 聚晶金刚石

聚晶金钢石具备良好的硬度值以及耐磨性，在有色金属、铝合金、纤维增强塑料以及石墨制品中占据良好位置。聚晶金钢石对于温度具有良好敏感性，此类材料不能对铁质材料进行加工，难以在较高温度状态下实施切削。目前飞机与汽车工业是聚晶金刚石应用的重要领域，近年来通过各类轻型材料应用能对汽车重量合理调控，也能降低燃料整体消耗。近年来各类铝合金制品应用量逐步增多，有较多西方工业生产企业在加工中铝合金材料应用量进一步增加。例如汽车加工厂选取聚晶金钢石对铝合金缸盖进行铣削，和硬质合金应用相比，铣刀应用周期能有效延长。通过聚晶金钢石应用，对铝合金法兰进行铣削，切削速度能达到3770m/min，刀具寿命能有效提高。从生产操作过程中能得出，规范化选取聚晶金刚石刀具，用刀次数以及消耗费用会降低，能有效提升生产效率以及加工质量，创造的经济效益较高。

6 高速切削工艺

轻型工件材料、高韧性、高硬度刀具材料，加上控制技术高效化应用能有效加速机床技术快速发展，其中刀具材料具备重要决定作用。当前高速发展的切削采取的切削速度要高出常规切削较多倍，比如在铝材高速铣削中，最快切削速度可以达到2500m/min～4500m/min，铸件加工为800m/min～2000m/min，纤维增强速度加工为3000m/min～5000m/min，实际进给速度为2m/min～25m/min。从实践操作中能得出，通过此类高效化切削工艺技术，能有效提升切削效率。

7 结语

各类新型刀具材料全面发展与应用推广，能有效提升切削效率以及加工精度，促使切削加工技术工艺全面发展。刀具材料、加工方法以及工件材料有效结合，能全面推动机床技术发展。为了突出新型刀具应用性能，机床要注重提高进给速度、主轴转速、静动态刚度等，强化刀具材料开发和应用。