刀具材料的發(fā)展對(duì)切削技術(shù)的進(jìn)步起著決定性的作用。本文介紹了切削中所使用的金剛石掐暮、聚晶立方氮化硼、陶瓷宽剪、硬質(zhì)合金、高速鋼等刀具材料的性能及適用范圍灌笙。刀具損壞機(jī)理是刀具材料合理選用的理論基礎(chǔ)葵张，刀具材料與工件材料的性能匹配合理是切削刀具材料選擇的關(guān)鍵依據(jù)，要根據(jù)刀具材料與工件材料的力學(xué)汗绰、物理和化學(xué)性能選擇刀具材料哀擒，才能獲得良好的切削效果。就活塞在切削加工時(shí)的刀具材料選用作了闡述琴坏。

　　高速鋼：活塞加工中銑澆冒口讳董、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀，鉆油孔用鉆頭等都為高速鋼材料束澄。

　　硬質(zhì)合金：YG豺章、YD系列硬質(zhì)合金刀具被廣泛應(yīng)用于鋁活塞加工的各個(gè)工序中，特別是活塞粗加工和半精加工工序妇张。

　　立方氮化硼：立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環(huán)活塞的車削鑄鐵環(huán)槽工序中搅厕。同時(shí)也應(yīng)用于活塞立體靠模的加工中。

　　金剛石：金剛石刀具可利用金剛石材料的高硬度氏仗、高耐磨性吉捶、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率廓鞠、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工帚稠。在切削鋁合金時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍床佳，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具滋早，已經(jīng)應(yīng)用于精車活塞環(huán)槽、精鏜活塞銷孔砌们、精車活塞外圓杆麸、精車活塞頂面及精車活塞燃燒室等精加工工序中。

    刀具材料性能的優(yōu)劣是影響加工表面質(zhì)量浪感、切削加工效率昔头、刀具壽命的基本因素。切削加工時(shí)影兽，直接擔(dān)負(fù)切削工作的是刀具的切削部分揭斧。刀具切削性能的好壞大多取決于構(gòu)成刀具切削部分的材料、切削部分的幾何參數(shù)及刀具結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)是否合理掂篷。切削加工生產(chǎn)率和刀具耐用度的高低焊握、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等鳖弱，在很大程度上都取決于刀具材料的合理選擇园赴。正確選擇刀具材料是設(shè)計(jì)和選用刀具的重要內(nèi)容之一铭轩。

    每一品種刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適用于一定的工件材料和切削速度范圍宴凌。不同的刀具材料和同種刀具加工不同的工件材料時(shí)刀具壽命往往存在很大的差別薯摩，例如：加工鋁活塞時(shí)，金剛石刀具的壽命是YG類硬質(zhì)合金刀具壽命的幾倍到幾十倍凉灯；YG類硬質(zhì)合金刀具加工含硅量高猪破、中、低的鋁合金時(shí)其壽命也有很大的差別尸粒。所以块透，合理選用刀具是成功進(jìn)行切削加工的關(guān)鍵。每一種刀具材料都有其最佳的加工對(duì)象事矾，即存在切削刀具與加工對(duì)象的合理匹配問(wèn)題巍碍。

1刀具材料應(yīng)具備的性能

1.1高的硬度和耐磨性

    硬度是刀具材料應(yīng)具備的基本特性。刀具要從工件上切下切屑甥材，其硬度必須比工件材料的硬度大盯另。切削金屬所用刀具的切削刃硬度，一般都在60HRC以上洲赵。耐磨性是材料抵抗磨損的能力鸳惯。一般來(lái)說(shuō)，刀具材料的硬度越高叠萍，其耐磨性就越好芝发。組織中的硬質(zhì)點(diǎn)(碳化物、氮化物等)的硬度越高苛谷，數(shù)量越多辅鲸，顆粒越小，分布越均勻腹殿，則耐磨性越好独悴。耐磨性還與材料的化學(xué)成分、強(qiáng)度锣尉、顯微組織及摩擦區(qū)的溫度有關(guān)刻炒。可用公式表示材料的耐磨性WR：WR=KIC0.5E-0.8H1.43式中：H——材料硬度(GPa)箫朽。硬度愈高里捌，耐磨性愈好。

    KIC——材料的斷裂韌性(MPa·m?)蜓盯。KIC愈大型吃，則材料受應(yīng)力引起的斷裂愈小，耐磨性愈好。

    E——材料的彈性模量(GPa)施司。E很小時(shí)，由于磨粒引起的顯微應(yīng)變探娇，有助于產(chǎn)生較低的應(yīng)力衍周，耐磨性提高。

1.2足夠的強(qiáng)度和韌性

    要使刀具在承受很大壓力撒沦，以及在切削過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)的沖擊和振動(dòng)條件下工作窍绸，而不產(chǎn)生崩刃和折斷，刀具材料就必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性租藻。

1.3高的耐熱性(熱穩(wěn)定性)

    耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要標(biāo)志叮姑。它是指刀具材料在高溫條件下保持一定的硬度、耐磨性据悔、強(qiáng)度和韌性的性能传透。

    刀具材料還應(yīng)具有在高溫下抗氧化的能力以及良好的抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力，即刀具材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性极颓。

1.4良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能

    刀具材料的導(dǎo)熱性愈好朱盐，切削熱愈容易從切削區(qū)散走，有利于降低切削溫度菠隆。

    刀具在斷續(xù)切削或使用切削液時(shí)兵琳，常常受到很大的熱沖擊(溫度變化劇烈)，因而刀具內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致斷裂骇径。刀具材料抵抗熱沖擊的能力可用耐熱沖擊系數(shù)R表示躯肌，R的定義是為：

    R=λσb(1-μ)/Eα

    式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

    σb——抗拉強(qiáng)度破衔；

    μ——泊松比清女；

    E——彈性模量；

    α——熱膨脹系數(shù)运敢。

    導(dǎo)熱系數(shù)大校仑，使熱量容易散走，降低刀具表面的溫度梯度斯身；熱膨脹系數(shù)小捻仁，可減少熱變形；彈性模量小遍考，可以降低因熱變形而產(chǎn)生的交變應(yīng)力的幅度但紫；有利于材料耐熱沖擊性能的提高。

    耐熱沖擊性能好的刀具材料橡宪，在切削加工時(shí)可以使用切削液吊任。

1.5良好的工藝性能

    為了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的工藝性能，如鍛造性能揣交、熱處理性能树聪、高溫塑性變形性能、磨削加工性能等殷靖。

1.6經(jīng)濟(jì)性

    經(jīng)濟(jì)性是刀具材料的重要指標(biāo)之一胡电，優(yōu)質(zhì)刀具材料雖然單件刀具成本很高，但因其使用壽命長(zhǎng)介劫，分?jǐn)偟矫總€(gè)零件的成本則不一定很高徽惋。因此在選用刀具材料時(shí)要綜合考慮其經(jīng)濟(jì)效果。

2刀具材料

2.1高速鋼

    高速鋼是一種加入了較多的鎢座韵、鉬险绘、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼誉碴。高速鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性宦棺，并且具有一定的硬度和耐磨性。適合各類刀具的要求黔帕。高速鋼刀具制造工藝簡(jiǎn)單渺氧，容易磨成鋒利切削刃，因此盡管各種新型刀具材料不斷出現(xiàn)蹬屹，高速鋼刀具在金屬切削中仍占較大的比例侣背。可以加工有色金屬和高溫合金慨默。由于高速鋼具有以上性能贩耐，活塞加工中的銑澆冒口、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀锥酌、鉆油孔用鉆頭等刀具都為高速鋼材料春佑。

2.2硬質(zhì)合金

    硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物(如WC、TiC连载、TaC栽不、NbC等)和金屬粘結(jié)劑(如Co、Ni等)粉末經(jīng)粉末冶金的方法制成异浸。

    由于硬質(zhì)合金中都含有大量的金屬碳化物哲童，這些碳化物都有熔點(diǎn)高、硬度高锐洞、化學(xué)穩(wěn)定好堡酗、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此窜交，硬質(zhì)合金材料的硬度斜兽、耐磨性、耐熱性都很高。常用硬質(zhì)合金的硬度為89～93HRA帕恩，比高速鋼的硬度(83～86.6HRA)高谋旦，在800～1000℃時(shí)尚能進(jìn)行切削。在540℃時(shí)屈尼，硬質(zhì)合金的硬度為82～87HRA蛤织，在760℃時(shí)，硬度仍能保持77～85HRA鸿染。因此，硬質(zhì)合金的切削性能比高速鋼高得多乞巧，刀具耐用度可提高幾倍到幾十倍涨椒，在耐用度相同時(shí)，切削速度可提高4～10倍绽媒。

    目前我公司使用的硬質(zhì)合金刀具主要是YG類(WC-TiC-Co)中的YG6和YGX蚕冬。YT類(WC-TiC-Co)中的YT15等硬質(zhì)合金用于活塞粗加工、半精加工和部分精加工工序是辕。

2.3金剛石

    金剛石是目前已知礦物材料中硬度最高囤热、熱傳導(dǎo)性最好的物質(zhì)，與各種金屬获三、非金屬材料配對(duì)摩擦的磨損量?jī)H為硬質(zhì)合金的1/50～1/800旁蔼，是制作切削刀具最理想的材料。然而豁登，天然單晶金剛石僅用于制作首飾及某些有色金屬的超精密加工容厦。刀具用人造大顆粒單晶金剛石盡管目前De Beers公司、住友電工等均已工業(yè)化生產(chǎn)嗦府，但還沒(méi)有進(jìn)入大量應(yīng)用階段牙茅。

    金剛石刀具的切削刃非常鋒利(這對(duì)切下極小斷面的切屑是很重要的)，刃部粗糙度很小肺致，摩擦系數(shù)又低指锉，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量高哈涣。加工有色金屬時(shí)吹对，表面粗糙度可達(dá)到Ra0.012μm憋址，加工精度可達(dá)到IT5級(jí)以上京甫。

    金剛石刀具有三種：天然單晶金剛石刀具、整體人造聚晶金剛石刀具几睛、金剛石復(fù)合刀具。天然金剛石刀具由于成本較高等原因囱持，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少焕济。人造金剛石是通過(guò)合金觸媒的作用，在高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成掩幢。金剛石復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上經(jīng)過(guò)高溫上鞠、高壓等先進(jìn)工藝燒結(jié)一層約0.5～1μm厚的金剛石芍阎，這種材料是以硬質(zhì)合金做基體，其機(jī)械性能踏旷、熱傳導(dǎo)性和膨脹系數(shù)都近似于硬質(zhì)合金找仙，基體上的人造多晶金剛石磨料中的金剛石晶體呈不規(guī)則排列，其硬度和耐磨性在各個(gè)方向都是均勻的刮诅。

    聚晶金剛石(簡(jiǎn)稱PCD)是由經(jīng)過(guò)篩選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成契叔。在燒結(jié)過(guò)程中麸应，由于添加劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC损侄、SiC财饥、Fe折晦、Co和Ni等為主要成分的結(jié)合橋沾瓦。金剛石晶體以共價(jià)鍵的結(jié)合形成牢固地嵌于結(jié)構(gòu)橋構(gòu)成的堅(jiān)強(qiáng)骨架中，使PCD的強(qiáng)度和韌性都大大提高风喇，其硬度約為9000HV缕探，抗彎強(qiáng)度為O.21～0.48GPa爹耗，導(dǎo)熱系數(shù)為20.9J/cm·sμ℃，熱膨脹系數(shù)為3.1×10-6/℃。現(xiàn)在使用的聚晶金剛石刀具大多是PCD與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)形成的復(fù)合體低案，即在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)上一層PCD辕憋。PCD的厚度一般為0.5mm和0.8mm，由于底層為硬質(zhì)合金并淳，焊接方便鞭玩；又由于PCD結(jié)合橋的導(dǎo)電性，使得PCD便于切割加工成各種形狀鸡焰，制成各種刀具限番，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然金剛石。

    聚晶金剛石(PCD)可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料扩灯，如鋁珠插、銅、鎂及其合金豺妓，硬質(zhì)合金布讹，纖維增強(qiáng)塑料，金屬基復(fù)合材料白嘁，木材復(fù)合材料等帘染。PCD刀具材料中金剛石晶粒平均尺寸不同，對(duì)性能產(chǎn)生的影響也不同淮晓，晶粒尺寸越大睹揍，其耐磨性越高匀冈。在相近的刃口加工量下郁秦，晶粒尺寸越小，則刃口質(zhì)量越好丈轻。選用晶粒尺寸為10～25μm的PCD刀具绎谦，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的硅鋁合金，晶粒尺寸8～9μm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金渐北。超精密加工，則應(yīng)選用晶粒尺寸小的PCD刀具赃蛛。PCD的耐磨性在超過(guò)700℃時(shí)會(huì)減弱呕臂，因其結(jié)構(gòu)中含有金屬Co破托，會(huì)促進(jìn)“逆向反應(yīng)”即由金剛石向石墨轉(zhuǎn)變。PCD有較好的斷裂韌性歧蒋，可以進(jìn)行斷續(xù)切削，可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金谜洽。

    可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性囱叼、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度沟乘、高效率伟铸、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工厘沉。在切削加工有色金屬時(shí)蕉殴，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍判阀，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具孔庭。例如：精車活塞環(huán)槽圆到、精鏜活塞銷孔芽淡、精車活塞外圓挣菲、精車活塞頂面等工序。

2.4立方氮化硼

    聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co抚岗，Ni或TiC哪怔、TiN夷硅、Al203)在高溫高壓下加入催化劑燒結(jié)而成的绎编。它具有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)演穗，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性垛墙、比金剛石刀具高得多的熱穩(wěn)定性(達(dá)1400℃)和導(dǎo)熱性携喳，低的摩擦系數(shù)，但其強(qiáng)度較低啸驯。與金剛石相比罚斗，PCBN的突出優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性高得多针姿，可達(dá)1200℃(金剛石為700～800℃)距淫，可承受較高的切削速度榕暇；另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)惰性大彤枢，與鐵族金屬在1200～1300℃下也不起化學(xué)反應(yīng)愧陈，可用于加工鋼鐵煮啡。因此馁祈，PCBN刀具主要用于高效加工黑色難加工材料银薪。

    PCBN刀具除了具有以上的特點(diǎn)外，還有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：①硬度高伪睬，特別適合于加工從前只能磨削的HRC50以上的淬硬鋼口溃、HRC35以上的耐熱合金和HRC30以下而其它刀具很難加工的灰口鑄鐵旷偿。②與硬質(zhì)合金刀具相比萍程，切削速度高茫负，可實(shí)現(xiàn)高速高效切削朽褪。③耐磨性好缔赠，刀具耐用度高(為硬質(zhì)合金刀具的10～100倍)嗤堰，能獲得較好的工件表面質(zhì)量面镣，實(shí)現(xiàn)以車代磨。不足之處在于PCBN刀具的抗沖擊性能較硬質(zhì)合金差栏葬，因此抚言，使用時(shí)應(yīng)注意提高工藝系統(tǒng)的剛性芦槽，盡量避免沖擊切削棋少。

    PCBN可制成整體的刀片儡特，也可與硬質(zhì)合金結(jié)合制成復(fù)合刀片。PCBN復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層0.5～1.0mm厚的PCBN荸实，其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性准给。

    PCBN的性能主要與CBN的粒度、CBN的含量及結(jié)合劑種類有關(guān)畔规，按其組織大致可分為兩大類：一類是由CBN晶粒直接結(jié)合而成叁扫，CBN含量高(70%以上)，硬度高妆浅，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工晚饰；另一類是以CBN晶粒為主體窃橄，通過(guò)陶瓷結(jié)合劑(主要有TiN禀舰、TiC握联、TiCN、AlN、Al203等)燒結(jié)而成挤庇，這類PCBN中CBN含量低(70%以下)苹威，硬度低鉴梦，適用于切削加工淬硬鋼。

    在我公司蹲京，立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環(huán)活塞的車削鑄鐵環(huán)槽工序中，同時(shí)也應(yīng)用于活塞立體靠模的加工中诀虹。

2.5陶瓷

陶瓷刀具材料的主要優(yōu)點(diǎn)是：

    有很高的硬度與耐磨性，常溫硬度達(dá)91～95HRC；

    有很高的耐熱性秸应，在1200℃高溫下硬度為80HRC延柠；而且高溫條件下抗彎強(qiáng)度贿条、韌性降低極少邪胳；

    有很高的化學(xué)穩(wěn)定性肪尾，陶瓷與金屬親合力小鹅甚，高溫抗氧化性能好催蓄，即使在熔化溫度下也不與鋼相互作用夸截。因而刀具的粘結(jié)、擴(kuò)散乱来、氧化磨損較少儒淌；

    有較低的摩擦系數(shù)，切屑不易粘刀荡担，不易產(chǎn)生積屑瘤品客。

陶瓷刀的缺點(diǎn)是：

    脆性大，強(qiáng)度與韌性低，抗彎強(qiáng)度只有硬質(zhì)合金的1/2～1/5粟翔，因此使用時(shí)必須選擇合適的幾何參數(shù)與切削用量桅狠；避免承受沖擊負(fù)荷，以防崩刃與破損轿秧；此外中跌，陶瓷刀導(dǎo)熱率低，僅為硬質(zhì)合金的1/2～1/5菇篡，熱膨脹系數(shù)卻比硬質(zhì)合金高10～30%漩符，抗熱沖擊性較差。

    目前驱还，陶瓷刀具還沒(méi)有應(yīng)用于鋁活塞加工過(guò)程中陨仅。

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