切削刀具與加工對(duì)象的匹配研究

1、切削刀具與加工對(duì)象的匹配研究1引言 刀具材料的進(jìn)步極大地推動(dòng)著切削加工技術(shù)的發(fā)展。從碳素工具鋼刀具、高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具到金剛石和立方氮化硼刀具，刀具材料的每一次革新幾乎都給切削加工業(yè)帶來(lái)一次革命。特別是近三十年來(lái)，作為切削加工最基本要素的刀具材料得到了迅速發(fā)展，采用各種高純超細(xì)的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和合金元素制造的新型刀具材料不斷涌現(xiàn)，材料的物理機(jī)械性能和切削加工性能都有了很大的提高，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。開發(fā)的新型刀具材料如納米復(fù)合刀具、納米涂層刀具、晶須增韌陶瓷刀具、梯度功能刀具材料等為現(xiàn)代切削加工業(yè)提供了新的選擇。目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的刀具材料主要有：高速鋼刀具、硬

2、質(zhì)合金刀具、超硬刀具等，刀具材料的牌號(hào)多達(dá)上千種。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工程材料也提出了愈來(lái)愈高的要求。各種輕質(zhì)強(qiáng)韌材料、新型航空航天材料、核能材料、復(fù)合材料、生物材料、功能材料、納米材料、稀土材料、新型金屬或非金屬材料等的應(yīng)用日益廣泛。面對(duì)如此種類繁多的工件材料，如何正確選擇刀具材料進(jìn)行切削加工，以提高切削加工生產(chǎn)率、降低加工成本和減小資源消耗，是一個(gè)需要高度重視的問題。 長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外機(jī)械加工企業(yè)選擇刀具材料的方式以傳統(tǒng)的試切法和參照以往經(jīng)驗(yàn)為主。在加工某一新型材料時(shí)，往往需要使用多種刀具材料進(jìn)行重復(fù)切削試驗(yàn)，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，通過(guò)比較從中選擇最佳的刀具材料。這種方

3、法盲目性大，造成人力、財(cái)力和資源的大量浪費(fèi)。而許多企業(yè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇刀具，往往不能選擇到最佳刀具材料，造成切削加工生產(chǎn)率低下、切削加工成本增加、刀具材料資源（尤其是一些貴重的合金元素）浪費(fèi)嚴(yán)重。 每一品種的刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應(yīng)一定的工件材料和切削速度范圍。不同的刀具或同種刀具加工不同的工件材料時(shí)刀具壽命往往會(huì)存在很大的差別，因此所謂的萬(wàn)能刀具是不存在的?！肮び破涫?，必先利其器”這句中國(guó)名言已成為國(guó)內(nèi)外的共識(shí)。所以，合理選用刀具是成功進(jìn)行切削加工的關(guān)鍵。每一品種的刀具材料都有其最佳加工對(duì)象，即存在切削刀具與加工對(duì)象的合理匹配問題。切削刀具與加工對(duì)象的匹配主要是指二者的力學(xué)性能

4、、物理性能和化學(xué)性能的匹配，以獲得最長(zhǎng)的刀具壽命和最大的切削加工生產(chǎn)率。結(jié)合筆者已進(jìn)行的研究，本文將對(duì)切削刀具與加工對(duì)象的合理匹配進(jìn)行綜合評(píng)述。 2切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配 切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性、硬度等力學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。不同力學(xué)性能的刀具（如高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、超硬刀具等）所適合加工的工件材料有所不同。通常，刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，刀具硬度一般要求在60HRC以上。高硬度的工件材料必須用更高硬度的刀具來(lái)加工，如立方氮化硼和陶瓷刀具能勝任淬硬鋼（4565HRC）、軸承鋼（6062HRC）、高速鋼（HRC>62）

5、、工具鋼（5760HRC）和冷硬鑄鐵等材料的精車加工，并可實(shí)現(xiàn)以車代磨。此外，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。 具有優(yōu)良高溫力學(xué)性能的刀具特別適合高速切削加工。高速切削采用的切削速度比常規(guī)切削高出幾倍甚至十幾倍，因此切削溫度很高。為此，高速切削時(shí)要求刀具材料不僅要有良好的室溫力學(xué)性能，還應(yīng)具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，且其高溫力學(xué)性能比室溫力學(xué)性能更為重要。盡管陶瓷刀具的室溫強(qiáng)度較低，但當(dāng)溫度升高時(shí)，其抗彎強(qiáng)度降低很少。如切削溫度達(dá)1000左右時(shí)，其抗彎強(qiáng)度值僅比室溫時(shí)略低。陶瓷刀具優(yōu)良的高溫性能使其適于高速切削，允許的切削速度比硬質(zhì)合金高210倍。高溫高硬度的Sialon陶瓷刀具也可作為高溫切

6、削刀具。硬質(zhì)合金在溫度高于500時(shí)因粘結(jié)相變軟而硬度急劇下降，所以不適于用作高溫切削刀具。 決定硬脆刀具（如硬質(zhì)合金和陶瓷）磨損的主要因素是其力學(xué)性能。Evans等人的研究表明，硬脆材料固有的脆性是導(dǎo)致其磨損的主要原因。因此，他建立了陶瓷刀具材料的硬度、斷裂韌性等力學(xué)性能與其磨損特性的關(guān)系式。 Wayne等人對(duì)Al2O3、Al2O3/TiC和Al2O3/TiB2等陶瓷刀具的磨料磨損特性進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：陶瓷材料硬度、斷裂韌性等力學(xué)性能與其磨損特性的關(guān)系式能定性反映刀具材料的磨損與其力學(xué)性能的關(guān)系，但理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值有一定差異，主要原因是沒有考慮陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。 3切削刀具與

7、加工對(duì)象的物理性能匹配 切削刀具與加工對(duì)象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、抗熱沖擊性能等物理性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。具有不同物理性能的刀具（如高導(dǎo)熱和低熔點(diǎn)的高速鋼刀具、高熔點(diǎn)和低熱脹的陶瓷刀具、高導(dǎo)熱和低熱脹的金剛石刀具等）所適合加工的工件材料有所不同。加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱性較好的刀具，以使切削熱可迅速傳出而降低切削溫度。 金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.59倍，為銅的26倍，由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易散出，故刀具切削部分溫度低。金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10，因此金剛石刀具不會(huì)產(chǎn)生很大的熱變形，這對(duì)尺寸

8、精度要求很高的精密加工刀具來(lái)說(shuō)尤為重要。立方氮化硼的導(dǎo)熱性雖不及金剛石，但卻大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。隨切削溫度的提高，CBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加，可使刀尖處切削溫度降低，減少刀具的擴(kuò)散磨損并有利于高速精加工時(shí)加工精度的提高。CBN的耐熱性可達(dá)到14001500，比金剛石的耐熱性（700800）幾乎高一倍。 由于高速切削所采用的切削速度比常規(guī)切削時(shí)高幾倍甚至十幾倍，切削溫度很高，因此高速切削刀具的失效主要取決于刀具材料的熱性能（包括刀具的熔點(diǎn)、耐熱性、抗氧化性、高溫力學(xué)性能、抗熱沖擊性能等）。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金屬的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐熱性，因此要求刀具材料的

9、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、氧化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊性強(qiáng)。如高速加工鋼、鑄鐵等黑色金屬時(shí)，最高切削速度只能達(dá)到加工鋁合金時(shí)的1/31/5，其原因是切削熱易使刀尖發(fā)生熱破損。在高速切削低導(dǎo)熱性及高硬度材料（如鈦合金、耐熱鎳基合金、高硬度合金鋼等）時(shí)，易形成鋸齒狀切屑，而高速銑削過(guò)程中則會(huì)產(chǎn)生厚度變化的斷續(xù)切屑，它們都會(huì)導(dǎo)致刀具內(nèi)的熱應(yīng)力發(fā)生高頻率的周期變化，從而加速刀具的磨損。 4.切削刀具與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配 刀具的磨損是機(jī)械磨損和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果。機(jī)械磨損主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、塑性磨損和微觀斷裂等。化學(xué)磨損主要是指在高溫下刀具材料的組分與工件材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)溶解以及刀具與

10、工件間元素的擴(kuò)散等。已有的研究表明：刀具切削加工時(shí)的磨損與所加工的工件材料和切削條件密切相關(guān)，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時(shí)，占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制有所不同。如在低速切削時(shí)，由于溫度較低，其磨損機(jī)制往往表現(xiàn)為磨料磨損；而在高速切削時(shí)高溫引起的化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴(kuò)散磨損則占主導(dǎo)地位。由于在高溫下工件材料硬度有所下降，因而磨料磨損逐漸減小?；瘜W(xué)磨損與切削溫度密切相關(guān)。 切削刀具與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、粘結(jié)和溶解等化學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。具有不同組分的刀具（如高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、超硬刀具等）所適合加工的工件材料有所不同。當(dāng)?shù)毒吲c工件中

11、的元素化學(xué)親和性強(qiáng)（易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、相互粘結(jié)或擴(kuò)散）時(shí)，應(yīng)設(shè)法回避。如含有SiC顆粒或SiC晶須的刀具材料在加工鎳基合金時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，但在加工鋼件時(shí)刀具材料卻發(fā)生急劇磨損。這是因?yàn)镾iC很容易在切削高溫作用下與工件材料中的Fe產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式為4Fe+SiCFeSi+Fe3C Al2O3陶瓷的化學(xué)惰性大于TiC和WC。即使在熔化溫度時(shí)，Al2O3與鋼也不起化學(xué)反應(yīng)；其次，Al2O3在鐵中的溶解率比WC要低45倍。因此，切削加工鋼件時(shí)，Al2O3陶瓷刀具的擴(kuò)散磨損很小。另外，Al2O3陶瓷中含有鋁元素，因此Al2O3陶瓷刀具在加工鋁及鋁合金時(shí)存在較大化學(xué)親和力，很容易出現(xiàn)較大的粘

12、結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。Al2O3/TiC和Al2O3（/W，Ti）C等陶瓷刀具中均含有鋁及鈦元素，用這類陶瓷刀具加工鈦及鈦合金、鋁及鋁合金時(shí)也存在較大的化學(xué)親和力，因此應(yīng)避免用此類刀具加工鋁、鈦及其合金。 Si3N4基陶瓷刀具在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛應(yīng)用。Si3N4基陶瓷高速切削鑄鐵時(shí)主要發(fā)生磨料磨損，而高速切削碳鋼時(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損?；瘜W(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學(xué)磨損的重要作用在于它能大大加劇機(jī)械磨損，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會(huì)引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI1045鋼時(shí)刀具

13、的磨損比切削灰鑄鐵時(shí)高得多。切削鑄鐵時(shí)工件與刀具之間的Fe、Si等元素的相互擴(kuò)散作用要比切削鋼件時(shí)小得多。由于Si3N4、Fe之間存在較大化學(xué)親和力以及Si和Fe之間的相互擴(kuò)散，因此Si3N4刀具不適于高速切削純鐵和碳鋼等材料，因?yàn)楦咚偾邢鲿r(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)大大加劇Si3N4與此類工件間的化學(xué)作用及元素的擴(kuò)散，導(dǎo)致Si3N4刀具磨損的加劇。因此，在加工鋼時(shí)，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)。 金剛石刀具適合于加工非金屬材料、有色金屬及其合金。在切削有色金屬時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍。在加工含硅量較高（10%以上）的鋁合金時(shí)，金剛石刀具的耐用度是硬質(zhì)

14、合金的1050倍。金剛石的熱穩(wěn)定性比較差，切削溫度達(dá)到800時(shí)就會(huì)失去其硬度；金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料，因?yàn)榻饎偸c鐵族元素之間有很強(qiáng)的化學(xué)親合力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極易損壞。 立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，并且具有很高的熱穩(wěn)定性，可承受1200以上的切削溫度。其最大優(yōu)點(diǎn)是在高溫下（12001300）不會(huì)與鐵族金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。CBN的化學(xué)惰性大，在中性、還原性氣體介質(zhì)中對(duì)酸和堿具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，與鐵族元素在12001300時(shí)也不起化學(xué)作用。研究表明：CBN與各種材料的粘結(jié)和擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000時(shí)也

15、不會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象。由于CBN 具有超硬特性、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性而引起廣泛關(guān)注。在高速切削鑄鐵件時(shí)，可使用CBN刀具。但鑄件的金相組織對(duì)CBN刀具的選用有一定影響，在以大于500m/min 的切削速度加工以珠光體為主的鑄件時(shí)，可使用CBN刀具；當(dāng)鑄件以鐵素體為主時(shí)，由于擴(kuò)散磨損的原因，不宜使用CBN刀具，而應(yīng)采用陶瓷刀具加工。 5結(jié)論 綜上所述，每一品種的刀具都有其特定的加工范圍。切削刀具與加工對(duì)象的匹配主要指二者的力學(xué)、物理和化學(xué)性能相互匹配，以獲得最長(zhǎng)的刀具壽命和最大的切削加工生產(chǎn)率。 切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。切削刀具與加工對(duì)象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)