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    在傳統的機械加工中,刀具材料、刀具結構和刀具幾何形狀是決定刀具切削性能的三大要求,其中刀具材料起著關鍵作用。在計算機集成先進制造系統出現后,在刀具使用中還應考慮"刀具系統"。刀具切削性能的好壞,取決于構成刀具切削部分的材料、幾何形狀和刀具結構。刀具材料對刀具使用壽命、加工效率、加工質量和加工成本等都有很大影響,因此要重視刀具材料的正確選擇與合理的選用。那么我們如何正確的選擇刀具材料 ?

    刀具材料具備的基本性能

    刀具切削技術專題
    硬度和耐磨性

    刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度,一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高,耐磨性就越好。

    強度和韌性

    刀具材料應具備較高的強度和韌性,以便承受切削力、沖擊和振動,防止刀具脆性斷裂和崩刃。

    性能和經濟性

    刀具材料應具備好的鍛造性能、熱處理性能、焊接性能;磨削加工性能等,而且要追求高的性能價格比。

    耐熱性

    刀具材料的耐熱性要好,能承受高的切削溫度,具備良好的抗氧化能力。

    刀具材料的種類

    刀具材料選擇刀具材料選擇
    金剛石刀具

    ①天然金剛石刀具,是公認的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。②PCD金剛石刀具,適用于有色金屬和非金屬的精切,很難達到超精密鏡面切削。 ③CVD金剛石刀具,CVD金剛石的性能與天然金剛石相比十分接近,在一定程度上又克服了它們的不足。

    PCBN刀具

    PCBN刀具可分為整體PCBN刀片和與硬質合金復合燒結的PCBN復合刀片。PCBN復合刀片是在強度和韌性較好的硬質合金上燒結一層O.5~1.0mm厚的PCBN而成的,其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性,它解決了CBN刀片抗彎強度低和焊接困難等問題。

    陶瓷刀具

    陶瓷刀具材料種類一般可分為氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、復合氮化硅一氧化鋁基陶瓷三大類。其中以氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料應用最為廣泛。氮化硅基陶瓷的性能更優越于氧化鋁基陶瓷。

    涂層刀具

    根據涂層方法不同可分為化學氣相沉積(CVD)涂層刀具和物理氣相沉積(PVD)涂層刀具。根據基體材料的不同可分為硬質合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具、以及在陶瓷和超硬材料上的涂層刀具等。根據材料的性質又可分為硬涂層刀具和軟涂層刀具。還有受歡迎的納米涂層刀具。

    硬質合金刀具

    按主要化學成分區分,硬質合金可分為碳化鎢基硬質合金和碳(氮)化鈦(TiC(N))基硬質合金。其中碳化鎢基硬質合金包括鎢鈷類(YG)、鎢鈷鈦類(YT)、添加稀有碳化物類(YW)三類,它們各有優缺點,主要成分為碳化鎢 (WC)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)等。

    高速鋼刀具

    按用途不同,高速鋼可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼。通用型高速鋼,一般可分鎢鋼、鎢鉬鋼兩類。這類高速鋼含加(C)為0.7%~0.9%。高性能高速鋼主要有以下幾大類:① 高碳高速鋼。② 高釩高速鋼。③ 鈷高速鋼。④ 鋁高速鋼。⑤ 氮超硬高速鋼。

    各種刀具材料的特點

    金剛石刀具材料

    公認的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。

    ①極高的硬度和耐磨性:天然金剛石是自然界已經發現的最硬的物質。 ②具有很低的摩擦系數:摩擦系數低,加工時變形小,可減小切削力。 ③切削刃非常鋒利:金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利。 ④具有很高的導熱性能:金剛石的導熱系數及熱擴散率高,切削熱容易散出,刀具切削部分溫度低。 ⑤具有較低的熱膨脹系數:金剛石的熱膨脹系數比硬質合金小幾倍,由切削熱引起的刀具尺寸的變化很小。

    立方氮化硼刀具材料

    具有極為穩定的化學性能,可以廣泛用于鋼鐵制品的加工。

    ① 高的硬度和耐磨性:具有與金剛石相近的硬度和強度。 ② 具有很高的熱穩定性:CBN的耐熱性可達1400~1500℃,比金剛石的耐熱性(700~800℃)幾乎高l倍。 ③ 優良的化學穩定性:與鐵系材料到1200—1300℃時也不起化學作用,可廣泛應用于鑄鐵的高速切削。 ④ 具有較好的熱導性:熱導性僅次于金剛石。 ⑤ 具有較低的摩擦系數:低的摩擦系數可導致切削時切削力減小,切削溫度降低,加工表面質量提高。

    陶瓷刀具材料

    陶瓷刀具的推廣應用對提高生產率、降低加工成本、節省戰略性貴重金屬具有十分重要的意義。

    ①硬度高、耐磨性能好:可以加工傳統刀具難以加工的高硬材料,適合于高速切削和硬切削。 ②耐高溫、耐熱性好:陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能進行切削。陶瓷刀具可以實現干切削,從而可省去切削液。 ③化學穩定性好:陶瓷刀具不易與金屬產生粘接,且耐腐蝕、化學穩定性好,可減小刀具的粘接磨損。 ④摩擦系數低:陶瓷刀具與金屬的親合力小,摩擦系數低,可降低切削力和切削溫度。

    涂層刀具材料

    涂層刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本。

    ①力學和切削性能好:涂層刀具的切削速度比未涂層刀具可提高2倍以上,并允許有較高的進給量。涂層刀具的壽命也得到提高。 ②通用性強:一種涂層刀具可以代替數種非涂層刀具使用。 ③涂層厚度:隨涂層厚度的增加刀具壽命也會增加,但當涂層厚度達到飽和,刀具壽命不再明顯增加。 ④重磨性:涂層刀片重磨性差、涂層設備復雜、工藝要求高、涂層時間長。 ⑤涂層材料:不同涂層材料的刀具,切削性能不一樣。

    硬質合金刀具材料

    可轉位硬質合金刀具,是數控加工刀具的主導產品。

    ①高硬度:硬質合金刀具是由硬度和熔點很高的碳化物(稱硬質相)和金屬粘結劑(稱粘接相)經粉末冶金方法而制成的,其硬度達89~93HRA,遠高于高速鋼,在5400C時,硬度仍可達82~87HRA,與高速鋼常溫時硬度(83~86HRA)相同。 ②抗彎強度和韌性:常用硬質合金的抗彎強度在900~1500MPa范圍內。金屬粘接相含量越高,則抗彎強度也就越高。

    高速鋼刀具

    高速鋼刀具在強度、韌性及工藝性等方面具有優良的綜合性能。

    高速鋼(High Speed Steel,簡稱HSS)是一種加入了較多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼刀具在強度、韌性及工藝性等方面具有優良的綜合性能,在復雜刀具,尤其是制造孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具、拉刀、切齒刀具等一些刃形復雜刀具,高速鋼仍占據主要地位。高速鋼刀具易于磨出鋒利的切削刃。

    各種刀具材料的應用

    金剛石刀具材料

    公認的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。

    金剛石刀具多用于在高速下對有色金屬及非金屬材料進行精細切削及鏜孔。適合加工各種耐磨非金屬,如玻璃鋼粉末冶金毛坯,陶瓷材料等;各種耐磨有色金屬,如各種硅鋁合金;各種有色金屬光整加工。 金剛石刀具的不足之處是熱穩定性較差,切削溫度超過700℃~800℃時,就會完全失去其硬度;此外,它不適于切削黑色金屬,因為金剛石(碳)在高溫下容易與鐵原子作用,使碳原子轉化為石墨結構,刀具極易損壞。

    立方氮化硼刀具材料

    具有極為穩定的化學性能,可以廣泛用于鋼鐵制品的加工。

    立方氮化硼適于用來精加工各種淬火鋼、硬鑄鐵、高溫合金、硬質合金、表面噴涂材料等難切削材料。加工精度可達IT5(孔為IT6),表面粗糙度值可小至Ra1.25~0.20μm。 立方氮化硼刀具材料韌性和抗彎強度較差。因此,立方氮化硼車刀不宜用于低速、沖擊載荷大的粗加工;同時不適合切削塑性大的材料(如鋁合金、銅合金、鎳基合金、塑性大的鋼等),因為切削這些金屬時會產生嚴重的積屑瘤,而使加工表面惡化。

    陶瓷刀具材料

    陶瓷刀具的推廣應用對提高生產率、降低加工成本、節省戰略性貴重金屬具有十分重要的意義。

    陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具適用于切削加工各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵)和鋼材(碳素結構鋼、合金結構鋼、高強度鋼、高錳鋼、淬火鋼等),也可用來切削銅合金、石墨、工程塑料和復合材料。 陶瓷刀具材料性能上存在著抗彎強度低、沖擊韌性差問題,不適于在低速、沖擊負荷下切削。

    涂層刀具材料

    涂層刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本。

    涂層刀具在數控加工領域有巨大潛力,將是今后數控加工領域中最重要的刀具品種。涂層技術已應用于立銑刀、鉸刀、鉆頭、復合孔加工刀具、齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機夾可轉位刀片,滿足高速切削加工各種鋼和鑄鐵、耐熱合金和有色金屬等材料的需要。隨涂層厚度的增加刀具壽命也會增加,但當涂層厚度達到飽和,刀具壽命不再明顯增加。涂層太厚時,易引起剝離;涂層太薄時,則耐磨性能差。

    硬質合金刀具材料

    可轉位硬質合金刀具,是數控加工刀具的主導產品。

    YG類合金主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。細晶粒硬質合金(如YG3X、YG6X)在含鈷量相同時比中晶粒的硬度和耐磨性要高些,適用于加工一些特殊的硬鑄鐵、奧氏體不銹鋼、耐熱合金、鈦合金、硬青銅和耐磨的絕緣材料等。 YT類硬質合金的突出優點是硬度高、耐熱性好、高溫時的硬度和抗壓強度比YG類高、抗氧化性能好。YW類合金兼具YG、YT類合金的性能,綜合性能好。

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