切削刀具與加工對象的匹配研究

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1．引言

　　刀具材料的進步極大地推動著切削加工技術(shù)的發(fā)展症概。從碳素工具鋼刀具咒吐、高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具逆航、陶瓷刀具到金剛石和立方氮化硼刀具鼎文，刀具材料的每一次革新幾乎都給切削加工業(yè)帶來一次革命渔肩。特別是近三十年來，作為切削加工最基本要素的刀具材料得到了迅速發(fā)展拇惋，采用各種高純超細(xì)的氧化物周偎、氮化物、碳化物撑帖、硼化物和合金元素制造的新型刀具材料不斷涌現(xiàn)蓉坎，材料的物理機械性能和切削加工性能都有了很大的提高，應(yīng)用范圍也不斷擴大胡嘿。開發(fā)的新型刀具材料如納米復(fù)合刀具蛉艾、納米涂層刀具、晶須增韌陶瓷刀具衷敌、梯度功能刀具材料等為現(xiàn)代切削加工業(yè)提供了新的選擇勿侯。目前國際上廣泛應(yīng)用的刀具材料主要有：高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具移履、超硬刀具等诫痹，刀具材料的牌號多達上千種。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展权扭，對工程材料也提出了愈來愈高的要求寨今。各種輕質(zhì)強韌材料、新型航空航天材料某澡、核能材料叼榄、復(fù)合材料、生物材料份览、功能材料硼货、納米材料、稀土材料臂葫、新型金屬或非金屬材料等的應(yīng)用日益廣泛踢臀。面對如此種類繁多的工件材料，如何正確選擇刀具材料進行切削加工豆蚀，以提高切削加工生產(chǎn)率媚曾、降低加工成本和減小資源消耗，是一個需要高度重視的問題抬闷。

　　長期以來妇蛀，國內(nèi)外機械加工企業(yè)選擇刀具材料的方式以傳統(tǒng)的試切法和參照以往經(jīng)驗為主。在加工某一新型材料時笤成，往往需要使用多種刀具材料進行重復(fù)切削試驗评架，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，通過比較從中選擇最佳的刀具材料纵诞。這種方法盲目性大上祈，造成人力、財力和資源的大量浪費浙芙。而許多企業(yè)根據(jù)經(jīng)驗來選擇刀具登刺，往往不能選擇到最佳刀具材料，造成切削加工生產(chǎn)率低下嗡呼、切削加工成本增加纸俭、刀具材料資源（尤其是一些貴重的合金元素）浪費嚴(yán)重。

　　每一品種的刀具材料都有其特定的加工范圍南窗，只能適應(yīng)一定的工件材料和切削速度范圍终睦。不同的刀具或同種刀具加工不同的工件材料時刀具壽命往往會存在很大的差別，因此所謂的萬能刀具是不存在的谨跌》衽祝“工欲善其事，必先利其器”這句中國名言已成為國內(nèi)外的共識全头。所以肛巫，合理選用刀具是成功進行切削加工的關(guān)鍵。每一品種的刀具材料都有其最佳加工對象咽露，即存在切削刀具與加工對象的合理匹配問題。切削刀具與加工對象的匹配主要是指二者的力學(xué)性能婉孙、物理性能和化學(xué)性能的匹配者只，以獲得最長的刀具壽命和最大的切削加工生產(chǎn)率。結(jié)合筆者已進行的研究抓许，本文將對切削刀具與加工對象的合理匹配進行綜合評述蔑懈。

2．切削刀具與加工對象的力學(xué)性能匹配

　　切削刀具與加工對象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的強度、韌性毛底、硬度等力學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配拐迁。不同力學(xué)性能的刀具（如高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具疗绣、超硬刀具等）所適合加工的工件材料有所不同线召。通常，刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度多矮，刀具硬度一般要求在60HRC以上缓淹。高硬度的工件材料必須用更高硬度的刀具來加工，如立方氮化硼和陶瓷刀具能勝任淬硬鋼（45～65HRC）塔逃、軸承鋼（60～62HRC）讯壶、高速鋼（HRC>62）、工具鋼（57～60HRC）和冷硬鑄鐵等材料的精車加工，并可實現(xiàn)以車代磨伏蚊。此外立轧，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好躏吊。

　　具有優(yōu)良高溫力學(xué)性能的刀具特別適合高速切削加工氛改。高速切削采用的切削速度比常規(guī)切削高出幾倍甚至十幾倍，因此切削溫度很高颜阐。為此盘塘，高速切削時要求刀具材料不僅要有良好的室溫力學(xué)性能，還應(yīng)具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能攘霞，且其高溫力學(xué)性能比室溫力學(xué)性能更為重要告傻。盡管陶瓷刀具的室溫強度較低，但當(dāng)溫度升高時虽捺，其抗彎強度降低很少蝠题。如切削溫度達1000℃左右時，其抗彎強度值僅比室溫時略低蝎蚣。陶瓷刀具優(yōu)良的高溫性能使其適于高速切削殷宴，允許的切削速度比硬質(zhì)合金高2～10倍。高溫高硬度的Sialon陶瓷刀具也可作為高溫切削刀具淹误。硬質(zhì)合金在溫度高于500℃時因粘結(jié)相變軟而硬度急劇下降窜货，所以不適于用作高溫切削刀具。

　　決定硬脆刀具（如硬質(zhì)合金和陶瓷）磨損的主要因素是其力學(xué)性能湘发。Evans等人的研究表明末雪，硬脆材料固有的脆性是導(dǎo)致其磨損的主要原因。因此宰僧，他建立了陶瓷刀具材料的硬度材彪、斷裂韌性等力學(xué)性能與其磨損特性的關(guān)系式。

　　Wayne等人對Al2O3琴儿、Al2O3/TiC和Al2O3/TiB2等陶瓷刀具的磨料磨損特性進行了試驗段化，結(jié)果表明：陶瓷材料硬度、斷裂韌性等力學(xué)性能與其磨損特性的關(guān)系式能定性反映刀具材料的磨損與其力學(xué)性能的關(guān)系造成，但理論計算結(jié)果與實際測量值有一定差異显熏，主要原因是沒有考慮陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。

3．切削刀具與加工對象的物理性能匹配

　　切削刀具與加工對象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點谜疤、彈性模量佃延、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)夷磕、抗熱沖擊性能等物理性能參數(shù)應(yīng)相互匹配履肃。具有不同物理性能的刀具（如高導(dǎo)熱和低熔點的高速鋼刀具仔沿、高熔點和低熱脹的陶瓷刀具、高導(dǎo)熱和低熱脹的金剛石刀具等）所適合加工的工件材料有所不同尺棋。加工導(dǎo)熱性差的工件時封锉，應(yīng)采用導(dǎo)熱性較好的刀具，以使切削熱可迅速傳出而降低切削溫度嗽绑。

　　金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5～9倍假凿，為銅的2～6倍，由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴散率高萤野，切削熱容易散出赫赊，故刀具切削部分溫度低。金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍杜诲，約為高速鋼的1/10剧胚，因此金剛石刀具不會產(chǎn)生很大的熱變形，這對尺寸精度要求很高的精密加工刀具來說尤為重要茵软。立方氮化硼的導(dǎo)熱性雖不及金剛石落六，但卻大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。隨切削溫度的提高枷瀑，CBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加民氏，可使刀尖處切削溫度降低，減少刀具的擴散磨損并有利于高速精加工時加工精度的提高常枢。CBN的耐熱性可達到1400～1500℃久规，比金剛石的耐熱性（700～800℃）幾乎高一倍。

　　由于高速切削所采用的切削速度比常規(guī)切削時高幾倍甚至十幾倍旗扑，切削溫度很高衍菱，因此高速切削刀具的失效主要取決于刀具材料的熱性能（包括刀具的熔點、耐熱性肩豁、抗氧化性、高溫力學(xué)性能辫呻、抗熱沖擊性能等）清钥。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金屬的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐熱性放闺，因此要求刀具材料的熔點高祟昭、導(dǎo)熱性好、氧化溫度高怖侦、耐熱性好篡悟、抗熱沖擊性強。如高速加工鋼匾寝、鑄鐵等黑色金屬時搬葬，最高切削速度只能達到加工鋁合金時的1/3~1/5荷腊，其原因是切削熱易使刀尖發(fā)生熱破損。在高速切削低導(dǎo)熱性及高硬度材料（如鈦合金芜监、耐熱鎳基合金拾拄、高硬度合金鋼等）時，易形成鋸齒狀切屑锦售，而高速銑削過程中則會產(chǎn)生厚度變化的斷續(xù)切屑莺肘，它們都會導(dǎo)致刀具內(nèi)的熱應(yīng)力發(fā)生高頻率的周期變化，從而加速刀具的磨損茉蔗。

4.切削刀具與加工對象的化學(xué)性能匹配

　　刀具的磨損是機械磨損和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果峭跺。機械磨損主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損锚躺、塑性磨損和微觀斷裂等新罗。化學(xué)磨損主要是指在高溫下刀具材料的組分與工件材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)先赛、化學(xué)溶解以及刀具與工件間元素的擴散等贸卦。已有的研究表明：刀具切削加工時的磨損與所加工的工件材料和切削條件密切相關(guān)，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時挪确，占主導(dǎo)地位的磨損機制有所不同诊胞。如在低速切削時，由于溫度較低锹杈，其磨損機制往往表現(xiàn)為磨料磨損撵孤；而在高速切削時高溫引起的化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴散磨損則占主導(dǎo)地位竭望。由于在高溫下工件材料硬度有所下降邪码，因而磨料磨損逐漸減小∫澹化學(xué)磨損與切削溫度密切相關(guān)闭专。

　　切削刀具與加工對象的化學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)旧烧、擴散影钉、粘結(jié)和溶解等化學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。具有不同組分的刀具（如高速鋼刀具掘剪、硬質(zhì)合金刀具平委、超硬刀具等）所適合加工的工件材料有所不同。當(dāng)?shù)毒吲c工件中的元素化學(xué)親和性強（易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)夺谁、相互粘結(jié)或擴散）時廉赔，應(yīng)設(shè)法回避。如含有SiC顆凉毯桑或SiC晶須的刀具材料在加工鎳基合金時表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能祥怖，但在加工鋼件時刀具材料卻發(fā)生急劇磨損兴题。這是因為SiC很容易在切削高溫作用下與工件材料中的Fe產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式為4Fe+SiC→FeSi+Fe3C

　　Al2O3陶瓷的化學(xué)惰性大于TiC和WC洋虫。即使在熔化溫度時蜀短，Al2O3與鋼也不起化學(xué)反應(yīng)；其次权疾，Al2O3在鐵中的溶解率比WC要低4～5倍趋奸。因此，切削加工鋼件時满律，Al2O3陶瓷刀具的擴散磨損很小群鞭。另外，Al2O3陶瓷中含有鋁元素咖迄，因此Al2O3陶瓷刀具在加工鋁及鋁合金時存在較大化學(xué)親和力刃纽，很容易出現(xiàn)較大的粘結(jié)磨損和擴散磨損。Al2O3/TiC和Al2O3（/W溉浙，Ti）C等陶瓷刀具中均含有鋁及鈦元素烫止，用這類陶瓷刀具加工鈦及鈦合金、鋁及鋁合金時也存在較大的化學(xué)親和力戳稽，因此應(yīng)避免用此類刀具加工鋁馆蠕、鈦及其合金。

　　Si3N4基陶瓷刀具在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛應(yīng)用惊奇。Si3N4基陶瓷高速切削鑄鐵時主要發(fā)生磨料磨損互躬，而高速切削碳鋼時主要發(fā)生化學(xué)磨損∷汤桑化學(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大吼渡，但化學(xué)磨損的重要作用在于它能大大加劇機械磨損，如化學(xué)溶解及擴散作用會引起陶瓷表面強度減弱乓序，加劇刀具與工件間的粘結(jié)寺酪，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI1045鋼時刀具的磨損比切削灰鑄鐵時高得多替劈。切削鑄鐵時工件與刀具之間的Fe房维、Si等元素的相互擴散作用要比切削鋼件時小得多。由于Si3N4跳蚓、Fe之間存在較大化學(xué)親和力以及Si和Fe之間的相互擴散，因此Si3N4刀具不適于高速切削純鐵和碳鋼等材料房包，因為高速切削時產(chǎn)生的高溫會大大加劇Si3N4與此類工件間的化學(xué)作用及元素的擴散抠建，導(dǎo)致Si3N4刀具磨損的加劇。因此他案，在加工鋼時盛己，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)船酗。

　　金剛石刀具適合于加工非金屬材料、有色金屬及其合金弊肢。在切削有色金屬時收泥，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍。在加工含硅量較高（10%以上）的鋁合金時蠕为，金剛石刀具的耐用度是硬質(zhì)合金的10～50倍琐店。金剛石的熱穩(wěn)定性比較差，切削溫度達到800℃時就會失去其硬度艘珊；金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料俊势，因為金剛石與鐵族元素之間有很強的化學(xué)親合力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)绷旗，刀具極易損壞喜鼓。
　　立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，并且具有很高的熱穩(wěn)定性衔肢，可承受1200℃以上的切削溫度庄岖。其最大優(yōu)點是在高溫下（1200～1300℃）不會與鐵族金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。CBN的化學(xué)惰性大角骤，在中性隅忿、還原性氣體介質(zhì)中對酸和堿具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，與鐵族元素在1200～1300℃時也不起化學(xué)作用启搂。研究表明：CBN與各種材料的粘結(jié)和擴散作用比硬質(zhì)合金小得多硼控。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也不會發(fā)生氧化現(xiàn)象胳赌。由于CBN 具有超硬特性牢撼、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性而引起廣泛關(guān)注疑苫。在高速切削鑄鐵件時熏版，可使用CBN刀具。但鑄件的金相組織對CBN刀具的選用有一定影響恒建，在以大于500m/min 的切削速度加工以珠光體為主的鑄件時系亭，可使用CBN刀具；當(dāng)鑄件以鐵素體為主時差赂，由于擴散磨損的原因晋合，不宜使用CBN刀具，而應(yīng)采用陶瓷刀具加工拨俏。

5．結(jié)論

　　綜上所述掐腕，每一品種的刀具都有其特定的加工范圍。切削刀具與加工對象的匹配主要指二者的力學(xué)智复、物理和化學(xué)性能相互匹配捺再，以獲得最長的刀具壽命和最大的切削加工生產(chǎn)率萌琉。

　　切削刀具與加工對象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的強度、韌性和硬度等力學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配糜隶。切削刀具與加工對象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點咧饭、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)会激、熱膨脹系數(shù)栏渺、抗熱沖擊性能等物理性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。切削刀具與加工對象的化學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料化學(xué)親和性膀捷、化學(xué)反應(yīng)迈嘹、擴散、粘結(jié)和溶解等化學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配全庸。在實際應(yīng)用中秀仲，應(yīng)根據(jù)所加工的工件材料選擇相互匹配的刀具材料。

　　建立切削刀具和加工對象的力學(xué)壶笼、物理和化學(xué)性能數(shù)據(jù)庫神僵，建立切削刀具和加工對象的力學(xué)、物理和化學(xué)性能匹配關(guān)系模型覆劈，并借助計算機繪制出用不同材料刀具切削不同材料工件時刀具與工件材料的匹配關(guān)系圖譜保礼，實現(xiàn)刀具材料選擇的規(guī)范化和合理化，是今后切削加工研究的一個重要課題责语。

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