王平
（沈阳理工大学机械工程学院 110159）
摘要：刀具是实现高速切削加工的关键，本文阐述了高速切削刀具材料的要求、高速切削加工刀具材料的种类，以及高速切削不同材料时刀具材料的合理选用。 本文在分析传统BT (7∶24锥度)实心长刀柄基础上介绍国外HSK等新型工具系统, 指出高速加工工具系统中存在的主要问题及对策, 展望高速加工工具系统发展趋势和研究前景, 为选用高速工具系统提供了参考。
关键词：高速切削；刀具材料；高速加工; 工具系统。
High speed cutting tool materials
WANG ping
(College of mechanical engineering ShenYang Ligong University 110159)
Abstract:Realization of high speed cutting tool is the key, in this paper, the requirements of high speed cutting tool material of high-speed cutting tool materials in high speed cutting of different kinds, as well as the material of cutting tool material selection.Based on the analysis of traditional BT ( 7 ∶24 taper) solid knife handle based on introducing foreign HSK model tool tool system for high speed machining system, points out the main problems and countermeasures existed in high speed machining tool system, prospect of development tendency and research foreground, for selection of high speed tool system is provided for reference.
Key words:High speed cutting;Cutting tool materials;High speed machining;Tool system.
1 前言
在机械加工中，切削、磨削加工目前仍是零件最终形成的主要工艺手段。切削加工的主要发展方向之一是高速切削(包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给量切削等)。高速切削时，随着切削速度的提高，切削力逐渐减小，切削温升逐渐趋缓，加工表面质量提高，加工成本降低。为实现切削加工的高速化，必须研究及开发与高速切削相适应 的刀具材料、刀具结构及刀具监控技术。
2 高速切削刀具材料的要求
1.1 刀具材料的基本性能要求
刀具材料对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用，因此，刀具材料应具备如下一些基本性能：（1）硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在HRC60以上。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。（2）强度和韧性：刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。（3）耐热性：刀具材料的耐热性要好，能承受高的温度，具备良好的抗氧化能力。（4）工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造或者其他成型性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等，并具有较高的性能价格比。
1.2 高速切削加工对刀具材料的要求
刀具技术是实现高速切削加工的关键技术之一。高速切削加工时切削温度很高，因此，高
速切削刀具的失效主要取决于刀具材料的热性能（包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）。高速干切削、高速硬切削和高速切削黑金属时，最高切削速度主要受刀具材料耐热性的限制。例如，高速加工钢、铸铁等黑金属时，最高切削速度只能达到加工铝合金的1/5～1/3，其原因是切削热使刀尖发生热破损。在高速切削加工低导热性和高硬度材料（如耐热镍基合金及高硬度合金钢等）时，易于形成锯齿状切屑，而高速铣削过程中则会产生厚度变化的断续切屑，它们都会导致刀具内热应力高频率地周期变化，加速刀具磨损。因此，高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还特别要求刀具材料具备高的耐热性、热冲击性、良好的高温力学性能以及高的可靠性。
3 适用于切削的刀具材料种类
2.1 铝合金
2.1.1易切削铝合金
该材料在航空航天工业应用较多，适用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在2000～40
00m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°。
2.1.2 铸铝合金
铸铝合金根据其SI含量的不同，选用的刀具也不同，对SI含量小于12％的铸铝合金可采用K10、SI3N4刀具，当SI含量大于12％时，可采用PKD（人造金刚石）、PCD（聚晶金刚石）及CVD金刚石涂层刀具。对于SI含量达16％～18％的过硅铝合金，最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm／R。
2.2 铸铁
对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷：切削速度在510～2000m/min时，可选用SI3N4陶瓷刀具；切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN刀具。铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN或SI3N4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，
使刀具磨损严重，不宜使用CBN，而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属CO，晶粒尺寸平均为3μM，CBN含量大于90％～95％的BZN6000在V＝700m/min时，宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷（ALN＋ALB2）、晶粒尺寸平均为10μM、CBN含量为90％～95％的AMBORITE刀片，在加工高珠光体含量的灰铸铁时，在切削速度小于1100m/min时，随切削速度的增加，刀具寿命也增加。
2.3 普通钢
切削速度对钢的表面质量有较大的影响，据研究，其最佳切削速度为500～800m/min。目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的TIN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好，因为前者可很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。金属陶瓷刀具目前占市场份额较大，以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在400～800m/min的小进给量、小切深的精加工：用TICN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来，用TIN来增加金属陶瓷的韧性，其加工钢或铸铁的切深可达2～3mm。
2.4 高硬度钢
高硬度钢（HRC40～70）的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TIC涂层硬质合金、PCBN等。金属陶瓷可用基本成分为TIC添加TIN的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1／1O，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速（在200m/min左右）的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。采用陶瓷刀具可切削硬度达63HRC的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。切削淬火硬度达48～58HRC的45钢时，切削速度可取150～18Om/min，进给量在O.3～0.4MIN／R，切深可取2～4mm。粒度在1μM，TIC含量在20％～30％的AL203-TIC陶瓷刀具，在切削速度为100m/min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。当切削速度高于1000m/min时，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90％的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢（如55HRC的H13工具钢）。
2.5 高温镍基合金
INCONEL718镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热
扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高速切削该合金时，主要使用陶瓷和CBN刀具。碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在100～300m/min时可获得较长的刀具寿命，切削速度高于500m/min时，添加TIC氧化铝陶瓷刀具磨损较小，而在100～300m/min时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷（SI3N4）也可用于INCONEL718合金的加工。一般认为，SIC晶须增强陶瓷加工INCONEL718的最佳切削条件为：切削速度700m/min，切深为1～2mm，进给量为O。1～0.18mm／Z。氦氧化硅铝（SIALON）陶瓷韧性很高，适合于切削过固溶处理的INCONEL718（45HRC）合金，AL203－SIC晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。
2.6 钛合金（TI6AL6V2SN）
钛合金强度、冲击韧性大，硬度稍低于INCONEL718，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。实验得出，用直径10mm的硬质合金K10两刃螺旋铣刀（螺旋角为30°）高速铣削钛合金，可达到满意的刀具寿命，切削速度可高达628m/min，每齿进给量可取O.06～0.12mm／Z，连续高速车削钛合金的切削速度不宜超过200m/min。
2.7 复合材料
航天用的先进复合材料，以往用硬质合金和PCD，硬质合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高温下PCD刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化，用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。
高速切削技术已成为切削加工的主流，加快其推广应用，将会创造巨大经济效益。高速切削刀具材料对发展和应用高速切削技术具有决定性作用。
4 刀具材料的性能和合理运用
高速切削时对不同工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。
3.1刀具材料性能
硬度大小：金刚石PCD>立方氮化硼 PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC(N)基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金>高速钢HSS。
抗弯强度大小：HSS>WC基>TiC(N)基>Si3N4基>Al2O3基>PCD>PCBN。
断裂韧性大小：HSS>WC基>TiC(N)基>PCBN>PCD>Si3N4基>Al2O3基。
耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC(N)基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。
3.2高速切削刀具材料合理应用
加工铝合金：金刚石最适于高速切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。
加工钢和铸铁及其合金：Al2O3基陶瓷刀具适于软、硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；Si3N4和PCBN更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。
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