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躬充。本文介紹了切削中所使用的金剛石判莉、聚晶立方氮化硼坷澡、陶瓷托呕、硬質(zhì)合金、高速鋼等刀具材料的性能及適用范圍频敛。刀具損壞機(jī)理是刀具材料合理選用的理論基礎(chǔ)项郊，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)、物理和化學(xué)性能選擇刀具材料着降，才能獲得良好的切削效果差油。就活塞在切削加工時(shí)的刀具材料選用作了闡述。

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

　　硬質(zhì)合金：YG侈咕、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)工序中选浅，特別是活塞粗加工和半精加工工序。

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

　　金剛石：金剛石刀具可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性润沸、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潭耙、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工燥箍。在切削鋁合金時(shí)都宅，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍(暫不可見(jiàn))，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具朦晋，已經(jīng)應(yīng)用于精車(chē)活塞環(huán)槽愧橄、精鏜活塞銷(xiāo)孔、精車(chē)活塞外圓周狱、精車(chē)活塞頂面及精車(chē)活塞燃燒室等精加工工序中瘪期。

　　刀具材料性能的優(yōu)劣是影響加工表面質(zhì)量、切削加工效率稿辙、刀具壽命的基本因素昆码。切削加工時(shí)，直接擔(dān)負(fù)切削工作的是刀具的切削部分邻储。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赋咽、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。切削加工生產(chǎn)率和刀具耐用度的高低吨娜、刀具消耗和加工成本的多少脓匿、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等，在很大程度上都取決于刀具材料的合理選擇萌壳。正確選擇刀具材料是設(shè)計(jì)和選用刀具的重要內(nèi)容之一亦镶。

　　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袱瓮。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缤骨，例如：加工鋁活塞時(shí)，金剛石刀具的壽命是YG類(lèi)硬質(zhì)合金刀具壽命的幾倍到幾十倍；YG類(lèi)硬質(zhì)合金刀具加工含硅量高绊起、中精拟、低的鋁合金時(shí)其壽命也有很大的差別。所以箩晦，合理選用刀具是成功進(jìn)行切削加工的關(guān)鍵甫蹄。每一種刀具材料都有其最佳的加工對(duì)象，即存在切削刀具與加工對(duì)象的合理匹配問(wèn)題淀甘。

　　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)具備的基本特性缚粮。刀具要從工件上切下切屑，其硬度必須比工件材料的硬度大风镊。切削金屬所用刀具的切削刃硬度囊叛，一般都在60HRC以上。耐磨性是材料抵抗磨損的能力满颂。一般來(lái)說(shuō)学蟀，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好矛熬。組織中的硬質(zhì)點(diǎn)(碳化物户虐、氮化物等)的硬度越高，數(shù)量越多鳖群，顆粒越小紊荞，分布越均勻，則耐磨性越好灵妨。耐磨性還與材料的化學(xué)成分解阅、強(qiáng)度、顯微組織及摩擦區(qū)的溫度有關(guān)泌霍。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)述召。硬度愈高朱转，耐磨性愈好。

　　KIC——材料的斷裂韌性(MPa·m?)积暖。KIC愈大藤为，則材料受應(yīng)力引起的斷裂愈小，耐磨性愈好夺刑。

　　E——材料的彈性模量(GPa)缅疟。E很小時(shí)，由于磨粒引起的顯微應(yīng)變遍愿，有助于產(chǎn)生較低的應(yīng)力存淫，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，以及在切削過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)的沖擊和振動(dòng)條件下工作游隅，而不產(chǎn)生崩刃和折斷圈喻，刀具材料就必須具有足夠的強(qiáng)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(biāo)志腊的。它是指刀具材料在高溫條件下保持一定的硬度爸见、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的性能敷裁。

　　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)散的能力应攘，即刀具材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

　　1.4良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能

　　刀具材料的導(dǎo)熱性愈好泌景，切削熱愈容易從切削區(qū)散走杰打，有利于降低切削溫度。

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

　　R=λσb(1-μ)/Eα

　　式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)恢恼；

　　σb——抗拉強(qiáng)度；

　　μ——泊松比胰默；

　　E——彈性模量场斑；

　　α——熱膨脹系數(shù)。

　　導(dǎo)熱系數(shù)大牵署，使熱量容易散走漏隐，降低刀具表面的溫度梯度；熱膨脹系數(shù)小奴迅，可減少熱變形青责；彈性模量小，可以降低因熱變形而產(chǎn)生的交變應(yīng)力的幅度取具；有利于材料耐熱沖擊性能的提高脖隶。

　　耐熱沖擊性能好的刀具材料，在切削加工時(shí)可以使用切削液暇检。

　　1.5良好的工藝性能

　　為了便于刀具的制造产阱，要求刀具材料具有良好的工藝性能，如鍛造性能块仆、熱處理性能构蹬、高溫塑性變形性能、磨削加工性能等饶机。

　　1.6經(jīng)濟(jì)性

　　經(jīng)濟(jì)性是刀具材料的重要指標(biāo)之一祠喻，優(yōu)質(zhì)刀具材料雖然單件刀具成本很高栽乘，但因其使用壽命長(zhǎng)，分?jǐn)偟矫總€(gè)零件的成本則不一定很高克干。因此在選用刀具材料時(shí)要綜合考慮其經(jīng)濟(jì)效果反狞。

　　2．刀具材料

　　2.1高速鋼

　　高速鋼是一種加入了較多的鎢、鉬讽噪、鉻跳清、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性渠吮，并且具有一定的硬度和耐磨性客止。適合各類(lèi)刀具的要求。高速鋼刀具制造工藝簡(jiǎn)單僻绸，容易磨成鋒利切削刃巾甲，因此盡管各種新型刀具材料不斷出現(xiàn)，高速鋼刀具在金屬切削中仍占較大的比例蛀醉⌒螅可以加工有色金屬和高溫合金。由于高速鋼具有以上性能拯刁，活塞加工中的銑澆冒口脊岳、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀、鉆油孔用鉆頭等刀具都為高速鋼材料垛玻。

　　2.2硬質(zhì)合金

　　硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物(如WC割捅、TiC、TaC帚桩、NbC等)和金屬粘結(jié)劑(如Co亿驾、Ni等)粉末經(jīng)粉末冶金的方法制成。

　　由于硬質(zhì)合金中都含有大量的金屬碳化物账嚎，這些碳化物都有熔點(diǎn)高莫瞬、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定好醉锄、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)乏悄，因此，硬質(zhì)合金材料的硬度恳不、耐磨性、耐熱性都很高构鸭。常用硬質(zhì)合金的硬度為89～93HRA麸河，比高速鋼的硬度(83～86.6HRA)高，在800～1000℃時(shí)尚能進(jìn)行切削旬性。在540℃時(shí)冰枯，硬質(zhì)合金的硬度為82～87HRA认平，在760℃時(shí)，硬度仍能保持77～85HRA庵窄。因此弃净，硬質(zhì)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炉展，在耐用度相同時(shí)绩罩，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聪磁、熱傳導(dǎo)性最好的物質(zhì)咽娃，與各種金屬、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瞎暑，是制作切削刀具最理想的材料彤敛。然而，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了赌。

　　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)墨榄，刃部粗糙度很小，摩擦系數(shù)又低勿她，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤袄秩，加工表面質(zhì)量高。加工有色金屬時(shí)嫂拴，表面粗糙度可達(dá)到Ra0.012μm播揪，加工精度可達(dá)到IT5級(jí)以上。

　　金剛石刀具有三種：天然單晶金剛石刀具筒狠、整體人造聚晶金剛石刀具猪狈、金剛石復(fù)合刀具。天然金剛石刀具由于成本較高等原因辩恼，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少雇庙。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)化而成荸速。金剛石復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上經(jīng)過(guò)高溫穆惩、高壓等先進(jìn)工藝燒結(jié)一層約0.5～1μm厚的金剛石，這種材料是以硬質(zhì)合金做基體穴阱，其機(jī)械性能咖自、熱傳導(dǎo)性和膨脹系數(shù)都近似于硬質(zhì)合金，基體上的人造多晶金剛石磨料中的金剛石晶體呈不規(guī)則排列爱蚣，其硬度和耐磨性在各個(gè)方向都是均勻的逼渤。

　　聚晶金剛石(簡(jiǎn)稱(chēng)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。在燒結(jié)過(guò)程中间炮，由于添加劑的加入焙厂，使金剛石晶體間形成以TiC让多、SiC、Fe扫钝、Co和Ni等為主要成分的結(jié)合橋顶食。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刁祸，其硬度約為9000HV熄阻，抗彎強(qiáng)度為O.21～0.48GPa，導(dǎo)熱系數(shù)為20.9J/cm·sμ℃傲隶，熱膨脹系數(shù)為3.1×10-6/℃〗嚷桑現(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，即在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)上一層PCD跺株。PCD的厚度一般為0.5mm和0.8mm复濒，由于底層為硬質(zhì)合金，焊接方便乒省；又由于PCD結(jié)合橋的導(dǎo)電性巧颈，使得PCD便于切割加工成各種形狀，制成各種刀具袖扛，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然金剛石砸泛。

　　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，如鋁蛆封、銅唇礁、鎂及其合金，硬質(zhì)合金惨篱，纖維增強(qiáng)塑料盏筐，金屬基復(fù)合材料，木材復(fù)合材料等令掠。PCD刀具材料中金剛石晶粒平均尺寸不同规学，對(duì)性能產(chǎn)生的影響也不同，晶粒尺寸越大辫扯，其耐磨性越高橡周。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小侄突，則刃口質(zhì)量越好膊向。選用晶粒尺寸為10～25μm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的硅鋁合金涎狐，晶粒尺寸8～9μm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金切役。超精密加工，則應(yīng)選用晶粒尺寸小的PCD刀具但雨。PCD的耐磨性在超過(guò)700℃時(shí)會(huì)減弱蕉妇，因其結(jié)構(gòu)中含有金屬Co，會(huì)促進(jìn)“逆向反應(yīng)”即由金剛石向石墨轉(zhuǎn)變螺谅。PCD有較好的斷裂韌性腹忽，可以進(jìn)行斷續(xù)切削，可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金砚作。

　　可利用金剛石材料的高硬度窘奏、高耐磨性、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葫录、高效率着裹、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。在切削加工有色金屬時(shí)米同，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍骇扇，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具。例如：精車(chē)活塞環(huán)槽面粮、精鏜活塞銷(xiāo)孔少孝、精車(chē)活塞外圓、精車(chē)活塞頂面等工序熬苍。

　　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稍走，Ni或TiC、TiN柴底、Al203)在高溫高壓下加入催化劑燒結(jié)而成的现辰。它具有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性牺闪、比金剛石刀具高得多的熱穩(wěn)定性(達(dá)1400℃)和導(dǎo)熱性托捆，低的摩擦系數(shù)，但其強(qiáng)度較低媒邀。與金剛石相比嗜吉，PCBN的突出優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性高得多，可達(dá)1200℃(金剛石為700～800℃)滴推，可承受較高的切削速度熄自；另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)惰性大，與鐵族金屬在1200～1300℃下也不起化學(xué)反應(yīng)仪从，可用于加工鋼鐵专菠。因此，PCBN刀具主要用于高效加工黑色難加工材料潜狭。

　　PCBN刀具除了具有以上的特點(diǎn)外茄敲，還有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：①硬度高，特別適合于加工從前只能磨削的HRC50以上的淬硬鋼谭央、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狠持。②與硬質(zhì)合金刀具相比疟位，切削速度高，可實(shí)現(xiàn)高速高效切削喘垂。③耐磨性好甜刻，刀具耐用度高(為硬質(zhì)合金刀具的10～100倍)，能獲得較好的工件表面質(zhì)量正勒，實(shí)現(xiàn)以車(chē)代磨得院。不足之處在于PCBN刀具的抗沖擊性能較硬質(zhì)合金差，因此章贞，使用時(shí)應(yīng)注意提高工藝系統(tǒng)的剛性祥绞，盡量避免沖擊切削。

　　PCBN可制成整體的刀片鸭限，也可與硬質(zhì)合金結(jié)合制成復(fù)合刀片蜕径。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，其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性里覆。

　　PCBN的性能主要與CBN的粒度丧荐、CBN的含量及結(jié)合劑種類(lèi)有關(guān)，按其組織大致可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是由CBN晶粒直接結(jié)合而成哮瓦，CBN含量高(70%以上)圣辩，硬度高，適用于耐熱合金岛盗、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工匆罗；另一類(lèi)是以CBN晶粒為主體，通過(guò)陶瓷結(jié)合劑(主要有TiN萄尽、TiC记辖、TiCN、AlN倡照、Al203等)燒結(jié)而成苗圃，這類(lèi)PCBN中CBN含量低(70%以下)，硬度低声屯，適用于切削加工淬硬鋼惫饲。

　　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去园；

　　有很高的耐熱性裤础，在1200℃高溫下硬度為80HRC；而且高溫條件下抗彎強(qiáng)度蜓谋、韌性降低極少梦皮；

　　有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，陶瓷與金屬親和力小，高溫抗氧化性能好剑肯，即使在熔化溫度下也不與鋼相互作用捧毛。因而刀具的粘結(jié)、擴(kuò)散退子、氧化磨損較少岖妄；

　　有較低的摩擦系數(shù)，切屑不易粘刀寂祥，不易產(chǎn)生積屑瘤。

　　陶瓷刀的缺點(diǎn)是：

　　脆性大七兜，強(qiáng)度與韌性低丸凭，抗彎強(qiáng)度只有硬質(zhì)合金的1/2～1/5，因此使用時(shí)必須選擇合適的幾何參數(shù)與切削用量腕铸；避免承受沖擊負(fù)荷惜犀，以防崩刃與破損；此外裂体，陶瓷刀導(dǎo)熱率低势纺，僅為硬質(zhì)合金的1/2～1/5，熱膨脹系數(shù)卻比硬質(zhì)合金高10～30%息队，抗熱沖擊性較差演茂。

　　目前，陶瓷刀具還沒(méi)有應(yīng)用于鋁活塞加工過(guò)程中沿硕。

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