高速切削刀具材料应用进展.pdf

第6 0 卷第1 期 20 08 年2 月 有色金属 N o n f e I “ T O U 8M e t h o s V 0 1 ．6 0 ．N o ．1 F e b r u a r y 200 8 高速切削刀具材料应用进展 肖寿仁1 ，高呜智2 ，邓晓春1 一 ， 1 ．井冈山大学工学院，江西吉安3 4 3 0 0 0 ；2 ．上饶职业技术学院，江西上饶3 3 4 0 0 0 摘要介绍高速切削刀具材料的组成和结构特点，综述我国高速切削刀具材料应用进展，表明高速切削刀具材料技术的发 展对刀具技术的发展起着至关重要的作用。’ 关键词金属材料；刀具材料；综述；高速切削；切削加工 ’’ 中围分类号T G 7 1 1 T G S 0 6 ．1 文献标识鹤A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 1 0 0 4 8 0 3 机械加工发展的总趋势是高效率、高精度、高 柔性和强化环境意识。在机械加工领域，切 磨 削 加工是应用最广泛的加工方法，高速切削是切削加 工的发展方向，已成为切削加工的主流，是先进制造 技术的重要共性关键技术，推广应用高速切削技术 将大幅度提高生产效率和加工质量并降低成本。高 速切削技术的发展和应用决定于机床和刀具技术的 进步，其中刀具材料的进步起决定性的作用，性能优 良的刀具材料是保证刀具高效工作的基本条件。研 究表明，高速切削时，随着切削速度的提高，切削力 减少，切削温度上升很高，达到一定值后上升逐渐趋 缓。造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削温 度作用下的机械磨擦，粘结，化学磨损，崩刃，破碎以 及塑性变形等磨损和破损。因此，高速切削刀具材 料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、 抗粘结性能、化学稳定性和抗热震性能以及抗涂层 破裂性能等。 高速切削时，对不同的工件材料选用与其合理 匹配的刀具材料和允许的切削条件才能获得最佳的 切削效果。多年来发展了- ．批适用于高速切削的刀 具材料，目前国内外高速切削的刀具材料主要有金 刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和碳 氮 化 钛基硬质合金刀具 金属陶瓷 等。 1 金刚石刀具材料 金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及 耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工 精度和加工效率。金刚石刀具分为天然金刚石和人 收稿日期2 0 0 6 0 3 3 1 作者简介肖寿仁 1 9 6 9 一 ，男，江西安福县人，讲师。主要从事机 械、数控加工、C A D 等方面的研究。 ’ 造金刚石刀具。然而，由于天然金刚石价格昂贵，加 工焊接非常困难，除少数特殊用途外，很少作为切削 工具应用在工业中。近年来开发了多种化学机理研 磨金刚石刀具的方法和保护气钎焊金刚石技术，使 天然金刚石刀具的制造过程变得比较简单，因此在 超精密镜面切削的高技术应用领域，天然金刚石起 到了重要作用。 2 0 世纪5 0 年代利用高温度高压技术，人工合 成金刚石粉以后，2 0 世纪7 0 年代制造出金刚石基 的切削刀具即聚晶金刚石 P C D ，国内P C D 刀具市 场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中国 第一汽车集团已有一百多个P C D 车刀使用点，许多 人造板企业也采用P C D 刀具进行木制品加工。 P C D 刀具应用也推动了对其设计与制造技术的研 究。国内清华大学、大连理工大学、华中理工大学、 吉林工业大学等，均在积极开展这方面的研究。目 前，P C D 刀具的加工范围已从传统的金属切削加工 扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、 工程陶瓷等材料的加工。目前正在研究和开发化学 气相沉积C V D 金刚石，沉积出的是交互生产极好的 P C D ，呈柱状结构且非常致密。 2立方氮化硼刀具材料 。 ．立方氮化硼 C B N 是纯人工合成的材料，是2 0 世纪5 0 年代末用制造金刚石相似的方法合成的第 二种超材料C B N 微粉。立方氮化硼 C B N 是 硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然C B N 的硬度 低于金刚石，但其氧化温度高达1 3 6 0 ℃，且与铁磁 类材料具有较低的亲和性。因此，虽然目前C B N 还 是以烧结体形式进行制备，但仍是适合钢类材料切 削，具有高耐磨性的优良刀具材料。C B N 具有高硬 万方数据 第1 期肖寿仁等高速切削刀具材料应用进展 4 9 度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能，因此特 别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。由 于C B N 的烧结性能很差，直至2 0 世纪7 0 年代才制 成立方氮化硼烧结块 聚晶立方氮化硼P C B N ，它 是由C B N 微粉与少量粘结相 C O ，N i 或T i C ，T i N ， ～2 0 3 在高温高压下烧结而成。P C B N 刀具是能够 满足先进切削要求的主要刀具材料，也是国内外公 认的用于硬态切削，高速切削以及干式切削加工的 理想刀具材料。P C B N 刀具主要用于加工淬硬钢、 铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。国外的汽车 制造业大量使用P C B N 刀具切削铸铁材料。P C B N 刀具已为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用 的新一代刀具。 3陶瓷刀具 与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红 硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用 度为硬质合金刀具的l O ～2 0 倍，其红硬性比硬质合 金高2 - - 6 倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于 硬质合金。陶瓷刀具材料的强度低、韧性差，制约了 它的应用推广，而超微粉技术的发展和纳米复合材 料的研究为其发展增添了新的活力。 陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具，在 生产中有美好的应用前景，目前已引起世界各国的 重视。在德国约7 0 ％加工铸件的工序是用陶瓷刀 具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总 量的8 ％～1 0 ％。近几年来，中国陶瓷刀具的发展 也十分迅速，品种增多，性能提高。中国开发的陶瓷 与硬质合金的复合刀片，其工作表面既有陶瓷材料 高的硬度与耐磨性，而基体又有硬质合金较好的抗 弯强度，故能承受冲击负荷，并解决了陶瓷刀具镶焊 困难等问题，为推广使用陶瓷刀具创造了条件。尤 其是近几年国内外开发的新品种，尽管至今生产还 未形成规模。但因性能优异，有广泛的用途，今后必 将迅速发展。可以预料，随着高速切削、干式切削和 硬切削应用的增多，今后必将促进陶瓷刀具的发展 与使用。 4涂层刀具 涂层材料的发展，已由最初的单一T i N 涂层、 T i C 涂层．经历了T i C - A 1 2 0 3 ．T i N 复合涂层和 T i C N 、T i A l N 等多元复合涂层的发展阶段，现在最 新发展了T i N 刷b N 、T i N ／c N ，等多元复合薄膜材 料，使刀具涂层的性能有了很大提高。硬质涂层材 料中，工艺最成熟、应用最广泛的是T i N 。目前，工 业发达国家T i N 涂层高速钢刀具的使用率已占高 速钢刀具的5 0 ％～7 0 ％，有的不可重磨的复杂刀具 的使用率已超过9 0 ％。由于现代金属切削对刀具 有很高的技术要求，T i N 涂层日益不能适应。T i N 涂层的耐氧化性较差，使用温度达5 0 0 ℃时，膜层明 显氧化而被烧蚀，而且它的硬度也满足不了需要。 T i C 有较高的显微硬度，因而该材料的耐磨性能较 好。同时它与基体的附着牢固，在制备多层耐磨涂 层时，常将T i C 作为与基体接触的底层膜，在涂层 刀具中它是十分常用的涂层材料。T i C N 和T i 趾N 的开发，又使涂层刀具的性能上了一个台阶。T i C N 可降低涂层的内应力，提高涂层的韧性，增加涂层的 厚度，阻止裂纹的扩散，减少刀具崩刃。将T i C N 设 置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高刀具的寿命。 T i A I N 化学稳定性好，抗氧化磨损，加工高合金钢、 不锈钢、钦合金、镍合金时，比T i N 涂层刀具提高寿 命3 ～4 倍。在T 成N 涂层中如果有较高的越浓 度，在切削时涂层表面会生成一层很薄的非品态 ～0 3 ，形成一层硬质惰性保护膜，该涂层刀具可更 有效地用于高速切削加工。掺氧的氮碳化钛T i C N O 具有很高的显微硬度和化学稳定性，可以产生 相当于T i C ～2 0 3 复合涂层的作用。一些过渡金 属氮化物、碳化物、硼化物以及它们的多元复合化合 物，有的具有相当高的硬度，这些材料都可以开发出 来应用于涂层刀具，将会使涂层刀具的性能有新的 突破。 当前世界涂层技术的发展具有以下趋势由于 单一涂层材料难以满足提高刀具综合机械性能的要 求，因此涂层成分将趋于多元化、复合化；为满足不 同的切削加工要求，涂层成分将更为复杂、更具针对 性；在复合涂层中，各单一成分涂层的厚度将越来越 薄，并逐步趋于纳米化；涂层工艺温度将越来越低， 刀具涂层工艺将向更合理的方向发展，预计p v d 、m t c v d 工艺将成为主流技术。 5 氮 化钛基硬质合金 金属陶瓷 金属陶瓷与由W C 构成的硬质合金不同，主要 由陶瓷颗粒、T i C 和T i N 、粘结剂N i 、C o 、M o 等构 成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金而低于 陶瓷材料，横向断裂强度大于陶瓷材料而小于硬质 合金，化学稳定性和抗氧化性好，耐剥离磨损，耐氧 化和扩散，具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。 金属陶瓷刀具的切削效率和工作寿命高于硬质合 万方数据 5 0 有色金属第6 0 卷 金、涂层硬质合金刀具，加工出的工件表面粗糙度 小。由于金属陶瓷与钢的粘结性较低，因此用金属 陶瓷刀具取代涂层硬质合金刀具加工钢制工件时， 切屑形成较稳定，在自动化加工中不易发生长切屑 缠绕现象，零件棱边基本无毛刺。然而，金属陶瓷的 抗热震性较差，易碎裂，这不仅限制了金属陶瓷材料 的应用范围，也限制了其优良性能的发挥。因此进 一步提高陶瓷刀具材料的断裂韧性和抗弯强度仍然 是目前研究的热点问题。 6结语 刀具材料已从2 0 世纪初的高速钢、硬质合金发 参考文献 展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，允许切削速度 已超过1 0 0 0 m ／m i n ，使切削加工生产率在不到1 0 0 年时间内提高了1 0 0 多倍。刀具材料技术的发展对 刀具技术的发展起着至关重要的作用，开发新型刀 具材料和强化现有的刀材，如硬质合金、陶瓷等的性 能，研发适应硬切削、干式切削和高速切削的高性能 刀具材料是当前研究的热点。 [ 1 ] 吴道全，万光珉，林树兴，等．金属切削原理及刀具[ M ] ．重庆重庆大学出版社，2 0 0 3 2 5 2 7 ． [ 2 ] 李华，李焕峰，周先辉．机械制造技术[ M ] ．北京高等教育出版社，2 0 0 0 4 0 一4 2 ． [ 3 ] 方文琳，．A h 0 3 陶瓷刀具材料的研究和发展[ J ] ．机械工程材料，1 9 9 5 ，1 9 2 1 3 ． [ 4 ] 丁培道．工具材料的研究现状[ J ] ．材料导报，1 9 9 3 ， 1 4 6 ． [ 5 ] 陈维喜．刀具涂层技术的现状与展望[ J ] ．工具技术，2 0 0 0 ，3 4 3 3 6 ． [ 6 ] 初犁．高速切削加工现状[ J ] ．工具技术，1 9 9 4 ，2 8 1 2 2 1 2 2 ． S t a t u so fM a t e r i a l sf o rH i g h - s p e e dC u t t i n gT o o l s X I A OS h o u 。枷1 ，G A OM i n g - z h i 2 ，D E N GX i a o - c h u n 1 1 ．M e c h a n i c sD e p a r t m e n to f J i n g g a n g s h a nU n i v e r s i t y y ，J i ’口行3 4 3 0 0 0 ，J i a n g x i ，C h i n ； 2 ．A u t o m a t i o nC o l l e g eo fS h a n g r a oU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，S h a n g r a o3 3 4 0 0 0 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r ef e a t u r e s o fh i g h ．s p e e dc u t t i n gt o o lm a t e r i a l sa r ed e s c r i b e da n dt h ep r o g r e s so f h i g h s p e e dc u t t i n gt o o lm a t e r i a la p p l i c a t i o ni nC h i n ai sr e v i e w e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dc u t t i n gt o o lm a t e r i a lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nd e v e l o p m e n to ft h ec u t t i n gt o o l st e c h n o l o g y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c u t t i n gt o o l sm a t e r i a l ；r e v i e w ；h i g h s p e e dc u t t i n g ；c u t t i n gp r o c e s s i n g 万方数据