刀具材料的發(fā)展對切削技術的進步起著決定性的作用绪痘。本文介紹了切削中所使用的金剛石吊违、聚晶立方氮化硼、陶瓷味廊、硬質合金蒸甜、高速鋼等刀具材料的性能及適用范圍。刀具損壞機理是刀具材料合理選用的理論基礎余佛，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鍵依據柠新，要根據刀具材料與工件材料的力學、物理和化學性能選擇刀具材料辉巡，才能獲得良好的切削效果恨憎。就活塞在切削加工時的刀具材料選用作了闡述。

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

　　硬質合金：YG痢甘、YD系列硬質合金刀具被廣泛應用于鋁活塞加工的各個工序中喇嘱，特別是活塞粗加工和半精加工工序茉贡。

　　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。同時也應用于活塞立體靠模的加工中者铜。

　　金剛石：金剛石刀具可利用金剛石材料的高硬度腔丧、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度绵颅、高效率曹胚、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。在切削鋁合金時忙体，PCD刀具的壽命是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍(暫不可見)济谢，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具，已經應用于精車活塞環(huán)槽怨级、精鏜活塞銷孔情腥、精車活塞外圓、精車活塞頂面及精車活塞燃燒室等精加工工序中钮核。

　　刀具材料性能的優(yōu)劣是影響加工表面質量辰张、切削加工效率、刀具壽命的基本因素新掸。切削加工時欢巡，直接擔負切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好壞大多取決于構成刀具切削部分的材料教九、切削部分的幾何參數及刀具結構的選擇和設計是否合理致驶。切削加工生產率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少潭千、加工精度和表面質量的優(yōu)劣等等谱姓，在很大程度上都取決于刀具材料的合理選擇。正確選擇刀具材料是設計和選用刀具的重要內容之一刨晴。

　　每一品種刀具材料都有其特定的加工范圍屉来，只能適用于一定的工件材料和切削速度范圍。不同的刀具材料和同種刀具加工不同的工件材料時刀具壽命往往存在很大的差別狈癞，例如：加工鋁活塞時茄靠，金剛石刀具的壽命是YG類硬質合金刀具壽命的幾倍到幾十倍；YG類硬質合金刀具加工含硅量高蝶桶、中慨绳、低的鋁合金時其壽命也有很大的差別。所以真竖，合理選用刀具是成功進行切削加工的關鍵脐雪。每一種刀具材料都有其最佳的加工對象，即存在切削刀具與加工對象的合理匹配問題。

　　1刀具材料應具備的性能

　　1.1高的硬度和耐磨性

　　硬度是刀具材料應具備的基本特性战秋。刀具要從工件上切下切屑璧亚，其硬度必須比工件材料的硬度大。切削金屬所用刀具的切削刃硬度辟堡，一般都在60HRC以上价岭。耐磨性是材料抵抗磨損的能力。一般來說触晃，刀具材料的硬度越高冗吟，其耐磨性就越好。組織中的硬質點(碳化物皂计、氮化物等)的硬度越高演侍，數量越多，顆粒越小鳖路，分布越均勻殊蜓，則耐磨性越好。耐磨性還與材料的化學成分盏萝、強度、顯微組織及摩擦區(qū)的溫度有關褒堆≡韬簦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)。硬度愈高厉碟，耐磨性愈好喊巍。

　　KIC——材料的斷裂韌性(MPa·m?)。KIC愈大箍鼓，則材料受應力引起的斷裂愈小崭参，耐磨性愈好。

　　E——材料的彈性模量(GPa)款咖。E很小時何暮，由于磨粒引起的顯微應變，有助于產生較低的應力铐殃，耐磨性提高海洼。

　　1.2足夠的強度和韌性

　　要使刀具在承受很大壓力，以及在切削過程經常出現的沖擊和振動條件下工作富腊，而不產生崩刃和折斷坏逢，刀具材料就必須具有足夠的強度和韌性。

　　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志赘被。它是指刀具材料在高溫條件下保持一定的硬度是整、耐磨性、強度和韌性的性能砍篇。

　　刀具材料還應具有在高溫下抗氧化的能力以及良好的抗粘結和抗擴散的能力以叛，即刀具材料應具有良好的化學穩(wěn)定性谁班。

　　1.4良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能

　　刀具材料的導熱性愈好，切削熱愈容易從切削區(qū)散走竹俱，有利于降低切削溫度景捅。

　　刀具在斷續(xù)切削或使用切削液時，常常受到很大的熱沖擊(溫度變化劇烈)摊房，因而刀具內部會產生裂紋而導致斷裂赚懊。刀具材料抵抗熱沖擊的能力可用耐熱沖擊系數R表示，R的定義是為：

　　R=λσb(1-μ)/Eα

　　式中：λ——導熱系數昨哑；

　　σb——抗拉強度你朝；

　　μ——泊松比；

　　E——彈性模量域毡；

　　α——熱膨脹系數爪只。

　　導熱系數大，使熱量容易散走考余，降低刀具表面的溫度梯度先嬉；熱膨脹系數小，可減少熱變形楚堤；彈性模量小疫蔓，可以降低因熱變形而產生的交變應力的幅度；有利于材料耐熱沖擊性能的提高身冬。

　　耐熱沖擊性能好的刀具材料衅胀，在切削加工時可以使用切削液。

　　1.5良好的工藝性能

　　為了便于刀具的制造酥筝，要求刀具材料具有良好的工藝性能滚躯，如鍛造性能、熱處理性能嘿歌、高溫塑性變形性能掸掏、磨削加工性能等。

　　1.6經濟性

　　經濟性是刀具材料的重要指標之一搅幅，優(yōu)質刀具材料雖然單件刀具成本很高阅束，但因其使用壽命長，分攤到每個零件的成本則不一定很高茄唐。因此在選用刀具材料時要綜合考慮其經濟效果伴严。

　　2刀具材料

　　2.1高速鋼

　　高速鋼是一種加入了較多的鎢、鉬辐芍、鉻贡垃、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的強度和韌性，并且具有一定的硬度和耐磨性令久。適合各類刀具的要求肥册。高速鋼刀具制造工藝簡單，容易磨成鋒利切削刃沧唧，因此盡管各種新型刀具材料不斷出現严荷，高速鋼刀具在金屬切削中仍占較大的比例〗醒猓可以加工有色金屬和高溫合金啼康。由于高速鋼具有以上性能，活塞加工中的銑澆冒口铡涣、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀凑逗、鉆油孔用鉆頭等刀具都為高速鋼材料。

　　2.2硬質合金

　　硬質合金是由難熔金屬碳化物(如WC否淤、TiC悄但、TaC、NbC等)和金屬粘結劑(如Co石抡、Ni等)粉末經粉末冶金的方法制成檐嚣。

　　由于硬質合金中都含有大量的金屬碳化物，這些碳化物都有熔點高啰扛、硬度高净嘀、化學穩(wěn)定好、熱穩(wěn)定性好等特點侠讯，因此，硬質合金材料的硬度暑刃、耐磨性厢漩、耐熱性都很高。常用硬質合金的硬度為89～93HRA岩臣，比高速鋼的硬度(83～86.6HRA)高溜嗜，在800～1000℃時尚能進行切削。在540℃時庇启，硬質合金的硬度為82～87HRA丢墅，在760℃時，硬度仍能保持77～85HRA盛媚。因此莽简，硬質合金的切削性能比高速鋼高得多，刀具耐用度可提高幾倍到幾十倍撤忆，在耐用度相同時淹宽，切削速度可提高4～10倍。

　　2.3金剛石

　　金剛石是目前已知礦物材料中硬度最高、熱傳導性最好的物質劫丧，與各種金屬遣株、非金屬材料配對摩擦的磨損量僅為硬質合金的1/50～1/800，是制作切削刀具最理想的材料浊待。然而革哄，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。

　　金剛石刀具的切削刃非常鋒利(這對切下極小斷面的切屑是很重要的)缔类，刃部粗糙度很小庭叙，摩擦系數又低，切削時不易產生積屑瘤秃臣，加工表面質量高涧衙。加工有色金屬時，表面粗糙度可達到Ra0.012μm奥此，加工精度可達到IT5級以上弧哎。

　　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稚虎、金剛石復合刀具撤嫩。天然金剛石刀具由于成本較高等原因，在實際生產中應用較少蠢终。人造金剛石是通過合金觸媒的作用序攘，在高溫高壓下由石墨轉化而成。金剛石復合刀片是在硬質合金基體上經過高溫寻拂、高壓等先進工藝燒結一層約0.5～1μm厚的金剛石程奠，這種材料是以硬質合金做基體，其機械性能祭钉、熱傳導性和膨脹系數都近似于硬質合金瞄沙，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方向都是均勻的危晕。

　　聚晶金剛石(簡稱PCD)是由經過篩選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結而成坟荤。在燒結過程中，由于添加劑的加入饼尾，使金剛石晶體間形成以TiC挽沧、SiC、Fe谐昌、Co和Ni等為主要成分的結合橋糙官。金剛石晶體以共價鍵的結合形成牢固地嵌于結構橋構成的堅強骨架中，使PCD的強度和韌性都大大提高粘榕，其硬度約為9000HV互愚，抗彎強度為O.21～0.48GPa羞喻，導熱系數為20.9J/cm·sμ℃，熱膨脹系數為3.1×10-6/℃∏Ц玻現在使用的聚晶金剛石刀具大多是PCD與硬質合金基體燒結形成的復合體区膨，即在硬質合金基體上燒結上一層PCD。PCD的厚度一般為0.5mm和0.8mm姑裂，由于底層為硬質合金馋袜，焊接方便；又由于PCD結合橋的導電性舶斧，使得PCD便于切割加工成各種形狀欣鳖，制成各種刀具，成本遠遠低于天然金剛石茴厉。

　　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泽台，如鋁、銅矾缓、鎂及其合金怀酷，硬質合金，纖維增強塑料嗜闻，金屬基復合材料蜕依，木材復合材料等。PCD刀具材料中金剛石晶粒平均尺寸不同琉雳，對性能產生的影響也不同样眠，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高翠肘。在相近的刃口加工量下肩蹬，晶粒尺寸越小，則刃口質量越好档广。選用晶粒尺寸為10～25μm的PCD刀具携侮，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%的鋁合金榛瞪。超精密加工，則應選用晶粒尺寸小的PCD刀具赊蚁。PCD的耐磨性在超過700℃時會減弱窟诈，因其結構中含有金屬Co，會促進“逆向反應”即由金剛石向石墨轉變某尘。PCD有較好的斷裂韌性掏手，可以進行斷續(xù)切削，可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金厦鸠。

　　可利用金剛石材料的高硬度丑凛、高耐磨性颁吭、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率苗膝、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工殃恒。在切削加工有色金屬時，PCD刀具的壽命是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍辱揭，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具离唐。例如：精車活塞環(huán)槽、精鏜活塞銷孔问窃、精車活塞外圓亥鬓、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微粉與少量粘結相(Co域庇，Ni或TiC嵌戈、TiN、Al203)在高溫高壓下加入催化劑燒結而成的听皿。它具有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)熟呛，優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、比金剛石刀具高得多的熱穩(wěn)定性(達1400℃)和導熱性写穴，低的摩擦系數惰拱，但其強度較低。

　　2.5陶瓷

　　陶瓷刀具材料的主要優(yōu)點是：

　　有很高的硬度與耐磨性星肤，常溫硬度達91～95HRC搜栽；

　　有很高的耐熱性，在1200℃高溫下硬度為80HRC溢牡；而且高溫條件下抗彎強度贱供、韌性降低極少；

　　有很高的化學穩(wěn)定性粉怯，陶瓷與金屬親和力小犁鹤，高溫抗氧化性能好，即使在熔化溫度下也不與鋼相互作用险朴。因而刀具的粘結舞轧、擴散、氧化磨損較少使宽；

　　有較低的摩擦系數羞菊，切屑不易粘刀，不易產生積屑瘤厦嘹。

　　陶瓷刀的缺點是：

　　脆性大隐户，強度與韌性低，抗彎強度只有硬質合金的1/2～1/5姐赡，因此使用時必須選擇合適的幾何參數與切削用量莱预；避免承受沖擊負荷柠掂，以防崩刃與破損；此外依沮，陶瓷刀導熱率低涯贞，僅為硬質合金的1/2～1/5，熱膨脹系數卻比硬質合金高10～30%悉抵，抗熱沖擊性較差肩狂。

　　目前，陶瓷刀具還沒有應用于鋁活塞加工過程中姥饰。

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