高速切削加工中的刀具材料要求及选用*

徐嘉琦， 王 冬

(佳木斯大学,黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

在当今机械制造业高新技术发展带动下，机械加工得到了快速发展，而刀具对于机械加工的精度、柔性等都有着直接影响，对刀具材料进行合理的选择，能够将机械加工设备的性能最大限度的发挥出来。因此，在进行高速切削加工的过程中，技术人员需要依照不同的加工材料和切削条件，选择不同的刀具材料，以实现最佳的切削效果。

1 高速切削加工概述

高速切削是利用数控机床进行金属加工的一种方式，与传统切削加工相同，但是因为采用了数控控制的方式，刀具速度和进给率更快，不过也会导致切削厚度降低。高速切削加工具有非常明显的优点，进给速率可以达到传统切削加工的5-10倍，能够节约30%左右的时间，可以实现对于薄壁零件的有效加工，而且较高的表面精度避免了后续精磨作业。高速切削加工中，切削的速度甚至会超过热传导速度，这也使得大部分产生的热量都会停留在切屑上，避免了工件的受热翘曲问题。当然，高速切削加工也存在一定的缺陷，一是产生的切屑飞行速度快，安全隐患较大，需要做好相应的防护工作；二是刀具磨损严重，使用寿命会有所降低；三是如果刀具缺乏平衡，将会产生严重的负面影响，因此需要对主轴和刀具进行定期更换。

2 高速切削加工中的刀具材料要求

刀具是切削加工中最为重要的工具，在很大程度上影响着加工技术的发展。刀具材料的性能指标会对其加工性能、加工能力和加工质量产生直接作用。而从目前来看，高速切削加工中使用的刀具材料类型众多，包括高速钢、陶瓷、硬质合金等材料，需要依照工件的加工强度和性能要求，确定好对刀具材料的要求。

2.1 高硬度、高韧性

高速切削加工会产生较大的振动和冲击，如果刀具材料的硬度和韧性不足，会引发刀具本身的损坏，较高的硬度可以确保刃口锋利，有助于提高工件的表面加工质量，较高的韧性则能够帮助刀具很好的承受高速切削加工过程中产生的切削力。

图1 高速切削

2.2 高耐热性

耐热性是对刀具材料切削性能进行衡量的一个核心指标，主要是表示材料在高温下能够保持自身硬度的能力。在进行高速切削加工的过程中，摩擦产生的温度极高，如果刀具的材料无法承受这样的问题，就必然会对加工的质量产生负面影响。

2.3 高耐磨性

耐磨性表示的是材料对于磨损的抵抗能力，一般来讲，当一种材料具备较高的硬度时，其也会有着良好的耐磨性，在进行高速切削加工时，刀具材料的耐磨性越高，刀具的使用寿命也就越长。

2.4 高工艺性

从方便刀具制造的角度，刀具材料必须具备较高的工艺性，可以自由进行加工和热处理，具备良好的淬透性以及较小的淬火变形。对于一些硬度较大的刀具材料，如天然金刚石刀具，因为本身的加工工艺性能较差，无法用于粗加工，只能进行精密或者超精密加工。

2.5 高经济性

如果刀具材料的成本过高，将会对其广泛应用造成限制，以天然金刚石材料为例，虽然有着极高的硬度，但是因为材料获取难度较大，成本很好，一般只能被用在精密加工和超精密加工中。当然，伴随着技术的发展，在部分领域已经出现了天然金刚石的替代品，如人工合成金刚石刀具，虽然相比较天然金刚石材料在硬度上略有不足，但是因为成本低廉，材料获取简单，因此在很多行业中都得到了应用。

2.6 高环保性

可持续发展理念的提出，使得技术人员在对高速切削加工刀具的材料进行选择时，不仅需要强调其加工性能，还要求材料具备相应的环境友好性，必须分析在使用这种刀具材料制成的刀具进行加工时，是否会产生相应的环境污染和生态破坏。

3 高速切削加工中的刀具材料选择

3.1 硬质合金刀具

硬质合金刀具如果依照碳化物钨基进行分类，可以分为三种不同的类型，分别是钨钴类、钨钴钛类和添加稀有碳化物类。从满足高速切削加工要求的角度，可以通过在刀具表面镀膜的方式来对其力学性能进行改善，而依照是否镀膜，又可以将硬质合金刀具划分为镀膜硬质合金刀具和未镀膜硬质合金刀具。在相关研究文献中，就钨钴类硬质合金刀具的性能进行分析和试验，从酸蚀速度方面，针对刀具材料钴所能够达到的渗透深度进行了分析和对比。有研究人员基于最小微量润滑条件，就钛合金材料高速切削加工过程中，硬质合金刀具的磨损机理和磨损形貌进行了研究和分析，并且将其与干切削的情况进行了全面对比分析，结果显示，当处于最小微量润滑条件时，硬质合金刀具本身的磨损程度有所减轻，使用寿命也有了一定的延长。针对钛合金材料进行加工的过程中，通过在硬质合金刀具上镀膜的方式，同样能够提升刀具的耐磨性，促进使用寿命的延长。也有相关文献研究了硬质合金刀具的磨损形式，提出硬质合金刀具在高速切削加工中失效的主要形式，是前刀面的崩刃、剥落以及塌陷，后刀面的磨损则表现为沟槽磨损、崩刃等。硬质合金刀具本身的磨损形式主要是粘结磨损，因此相比存在有切削液的情况，干切削反而能够在一定程度上延长刀具的使用寿命。

3.2 金刚石刀具

金刚石是自然界已知的硬度最大的物体，属于单一碳原子晶体结构，晶体之间可以通过sp3杂化键连接。金刚石本身有着极强的方向性和稳定性，这也使得由金刚石材料制作的刀具在硬度、耐磨性、热导性以及抗腐蚀性方面几乎都达到了顶峰，高速切削加工过程中，使用金刚石刀具进行加工，产生的温升较小，加工的精度也有着比较明显的提升。一般情况下，金刚石刀具在铝和硅铝合金加工中有着较为广泛的应用。

金刚石刀具可以分为两种，第一种是单晶金刚石刀具，可以用于超精密切削加工，可供加工的对象包括紫铜、铜合金以及各种贵重金属，其本身具备无晶界的特点，刀具刃口在理论上能够达到原子级别的平滑度和锋利度，切削精度高。同时，天然气安单晶金刚石的硬度大、稳定性强，刀具的耐久性和使用寿命也可以得到保障。与之相比，人造单晶金刚石刀具的性能相对较差，不过对比绝大多数材料的都，依然有着更好的综合性能，而且成本较低，材料获取难度小，因此得到了广泛的应用。第二种是多晶金刚石刀具，可以将其细分为聚晶金刚石刀具和化学气相沉积金刚石刀具，前者一般用于有色金属、陶瓷、硬质合金以及复合材料的切削加工，有着比硬质合金刀具更好的性能，虽然硬度赶不上单晶金刚石刀具，但是有效克服了单晶金刚石本身各向异性的缺陷，具备各向同性和导电性，加工简单，在使用时也不需要考虑工件的方向问题；后者在材料性能方面接近天然单晶金刚石，一般都是作为其替代品，能够在一定程度上降低成本。

图2 金刚石刀具

3.3 立方氮化硼刀具

立方氮化硼在材料性质上石墨类似，作为原料的六方氮硼有着仅次于金刚石的硬度，而热稳定性和化学稳定性还要高于金刚石，能够对淬火钢、高温合金等材料进行加工，可以保持正常的切削加工速度。立方氮化硼刀具有着很多的优点，如加工效率高、产品表面粗糙度好等，在加工过程中不需要用到冷却液，因此具备良好的环境友好性。聚晶立方氮化硼是立方氮化硼微粉在高温高压环境下，加入结合剂煅烧得到，常用的结合近包括金属结合剂、陶瓷结合剂和金属陶瓷结合剂等。立方氮化硼刀具与硬质合金刀具相比，有着更快的切削速度，可以有效缩短工件加工所需的时间，在对化学活性材料以及高硬度材料进行切削加工时，不会产生积屑瘤，耐用性可以达到硬质合金刀具的10倍甚至更高。对比金刚石刀具，立方氮化硼刀具的耐磨性较低，不过因为次啊考本身与铁元素的亲和性较差，在加工黑色金属方面有着良好的适用性。

3.4 陶瓷刀具

依照具体的成分，可以加工陶瓷刀具分为氧化铝基陶瓷刀具和氮化硅基陶瓷刀具，对比硬质合金刀具，陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐热性、抗弯强度、弹性模量等都要优秀很多，而且其材料本身与金属的亲和力若，即便是在熔融状态下，也不会与金属发生反应，高速切削加工环节基本不会出现磨损、氧化、粘结等问题。氧化铝基陶瓷刀具本身具备高耐磨性、高硬度、高温稳定性的优点，可以用于钢材、铸铁、石墨、铜合金等的加工，刀具材料和氯元素有着很强的化学亲和性，因此不能将氧化铝基陶瓷刀具用于钛合金和铝合金的加工。同时，氧化铝基陶瓷刀具的脆性较大，强度低，在遭遇振动和热冲击时，比较容易出现崩刃等问题，因此在应用中，通常会在刀具的表面使用气相沉积法镀上涂层来对刀具的切削性能进行强化。氮化硅基陶瓷刀具一般是通过烧结的方式制备，加工范围与氧化铝基陶瓷刀具基本一致，不过不能用于灰铸铁以及有长屑产生的钢材的加工。

图3 陶瓷刀具

4 结 语

总而言之，最近几年，伴随着高速切削加工的普及，刀具材料也在不断丰富，能够为高速切削加工技术的发展提供助力，对于技术人员而言，应该充分考虑加工材料的性质以及高速切削加工的要求，做好刀具材料的合理选择和使用，同时也应该加快对于新的刀具材料的研发速度，例如，可以借助土层材料来对刀具的性能进行改善，延长其使用寿命，也可以对现有的技术进行整合，以现代计算机辅助工程技术，对高速切削加工刀具进行仿真分析，推动刀具材料研究进程的加快。