|
近幾十年來(lái)，隨著數(shù)控技術(shù)和切削刀具的不斷進(jìn)步，切削加工技術(shù)得到了極大的發(fā)展。其中，高速切削技術(shù)憑借其生產(chǎn)效率高和加工質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用在航空航天、汽車制造和高鐵船舶等高精度制造領(lǐng)域的金屬及其合金材料的切削加工過(guò)程。而刀具作為切削加工的重要工具，對(duì)加工技術(shù)的發(fā)展起著重要的作用。刀具材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)決定了刀具的加工能力、加工性能和工件的加工表面質(zhì)量。  圖1 高速切削圖片 來(lái)源：斯?fàn)栐乒倬W(wǎng)  刀具材料種類較多，主要根據(jù)加工強(qiáng)度和性能要求選擇刀具材料。目前，刀具材料主要分為硬質(zhì)合金、金剛石、陶瓷、立方氮化硼四類。  圖2 高速切削對(duì)刀具材料要求 每一種刀具材料都有特定的加工范圍，只能適應(yīng)一定的工件材料和一定的切削速度范圍，不同的刀具材料或同種刀具加工不同的工件材料時(shí)，刀具的壽命往往會(huì)存在很大的差別。合理選用刀具材料是成功進(jìn)行切削加工的關(guān)鍵。  圖3 高速切削刀具 金剛石是碳的同素異構(gòu)體，是目前已知的自然界中最硬的材料。金剛石為單一碳原子晶體結(jié)構(gòu)，屬于等軸面心立方晶系，且晶體間通過(guò)sp3雜化共價(jià)鍵連接。金剛石刀具分為單晶金剛石刀具和多晶金剛石刀具。但其不足之處是熱穩(wěn)定性較差，切削溫度超過(guò)700℃～800℃時(shí)，就會(huì)完全失去其硬度；此外，它不適于切削黑色金屬，因?yàn)榻饎偸ㄌ迹┰诟邷叵氯菀着c鐵原子作用，使碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極易損壞。  圖4 金剛石刀具  圖5 金剛石刀具 立方氮化硼是純?nèi)斯ず铣傻牟牧希怯闪降鹪诟邷亍⒏邏簵l件下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的。性質(zhì)與形狀類似于石墨，硬度僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性則強(qiáng)于金剛石。但不宜用于低速、沖擊載荷大的粗加工；同時(shí)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?yàn)榍邢鬟@些金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積屑瘤，而使加工表面惡化。  圖6 立方氮化硼刀具  圖7 立方氮化硼刀具 現(xiàn)代陶瓷刀具材料大多數(shù)為復(fù)合陶瓷，其種類及可能的組合如圖8所示。目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的、以及正在開(kāi)發(fā)的陶瓷刀具材料基本上都是根據(jù)下圖的組合，采取不同的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制來(lái)進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，其中以氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料應(yīng)用最為廣泛。氧化鋁基陶瓷刀具有20多個(gè)品種，氮化硅基陶瓷刀具有10多個(gè)品種，前者占全部量的三分之二。但陶瓷刀具材料性能上存在著抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差問(wèn)題，不適于在低速、沖擊負(fù)荷下切削。  圖8 陶瓷刀具材料的種類及組合  圖9 陶瓷刀具 圖10 陶瓷刀具 硬質(zhì)合金材料刀具可分為碳化鎢基硬質(zhì)合金和碳（氮）化鈦（TiC(N)）基硬質(zhì)合金。根據(jù)碳合物鎢基可分為鎢鈷類（YG）、鎢鈷鈦類（YT）、添加稀有碳化物類（YW）三類。碳（氮）化鈦基硬質(zhì)合金是以TiC為主要成分（有些加入了其他碳化物或氮化物）的硬質(zhì)合金，常用的金屬黏結(jié)相是Mo和Ni。 圖11 硬質(zhì)合金刀具 圖12 硬質(zhì)合金切削工具圖片 來(lái)源：東莞市鴻恩金屬材料 天然金剛石由于價(jià)格昂貴高，受到嚴(yán)重限制。但近年來(lái)，CVD法合成金剛石發(fā)展迅速，而且，由于CVD法合成金剛石在質(zhì)量、尺寸、凈度、功能等多方面的優(yōu)勢(shì)，有望異軍突起。同時(shí)開(kāi)發(fā)大尺寸金剛石單晶或多晶金剛石膜不僅可降低制造成本，還可提升合成金剛石的檔次，CVD法合成的金剛石在培育鉆石和刀具涂層的研究開(kāi)發(fā)仍需深入。 對(duì)于cBN的研究和開(kāi)發(fā)，在大顆粒的合成技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于金剛石。應(yīng)研究粗顆粒（毫米級(jí)及以上）cBN的低成本合成生產(chǎn)技術(shù)和工藝的穩(wěn)定化。cBN經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，作為超硬材料用于磨料應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但在作為功能材料方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)具有廣闊的發(fā)展空間，應(yīng)加快基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)。 近年來(lái)，由于控制了原料的純度和晶粒尺寸，添加了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和晶須等，采用多種增韌機(jī)制進(jìn)行增韌補(bǔ)強(qiáng)，使得陶瓷刀具材料性能都大幅度提高，而且現(xiàn)代陶瓷刀具材料大多數(shù)為復(fù)合陶瓷。同時(shí)，納米金屬陶瓷刀具、涂層氮化硅陶瓷刀具、陶瓷與硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片等新品也在不斷應(yīng)用中。 圖13 陶瓷材料刀具種類 一般的硬質(zhì)合金刀具在加工高比強(qiáng)度或新型材料（纖維／顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、陶瓷、有色金屬等）時(shí)難免會(huì)造成刀具的過(guò)度磨損甚至損壞。因此需要不斷提高硬質(zhì)合金刀具的性能，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)提升硬質(zhì)合金刀具性能展開(kāi)了廣泛研究，從微觀與宏觀、實(shí)驗(yàn)與模擬等方面揭示硬質(zhì)合金刀具強(qiáng)化機(jī)理和方法，并取得了創(chuàng)新性成果，今后硬質(zhì)合金刀具的性能提升依然會(huì)涉及到原材料、涂層和深冷處理方面。 總而言之，最近幾年，伴隨著高速切削加工的普及，刀具材料也在不斷豐富，能夠?yàn)楦咚偾邢骷庸ぜ夹g(shù)的發(fā)展提供助力，應(yīng)該充分考慮加工材料的性質(zhì)以及高速切削加工的要求，做好刀具材料的合理選擇和使用，同時(shí)也應(yīng)該加快對(duì)于新的刀具材料的研發(fā)速度，例如，可以借助土層材料來(lái)對(duì)刀具的性能進(jìn)行改善，延長(zhǎng)其使用壽命，也可以對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行整合，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，對(duì)高速切削加工刀具進(jìn)行仿真分析﹐推動(dòng)刀具材料研究進(jìn)程的加快。 參考文獻(xiàn)： （1）陶瓷刀具材料熱壓燒結(jié)過(guò)程的數(shù)值模擬研究郭建偉 （2）高速切削加工用刀具材料的研究 梁天 （3）高速切削加工刀具材料的性能分析及合理化選擇 丁杰等 （4）高速切削加工中的刀具材料要求及選用 徐嘉琦等 （5）陶瓷刀具材料的種類與應(yīng)用 葉毅 （6）硬質(zhì)合金刀具研究進(jìn)展 祁志旭 作者：晴天 |
|
|
