隨著CNC加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機床的普遍使用尽舱，刀具材料也不斷更新和發(fā)展，高速切削加工已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段光樱。高速切削加工的切削速度是常規(guī)切削的5～10倍，對刀具材料以及刀具結(jié)構(gòu)咧饭、幾何參數(shù)等都提出了新的要求尿愿，尤其是對刀具的材料有更高的要求，高速切削刀具的材料要具有高的強度栏渺、韌性和硬度呛梆，良好的熱穩(wěn)定性和熱硬性、良好的高溫力學(xué)性能磕诊、較小的化學(xué)親合力和耐磨性填物。這里就針對高速切削的刀具材料和性能及其合理選擇措施進行探討。

高速切削的刀具分類和性能

涂層刀具

涂層刀具是在刀具基體上涂覆硬質(zhì)耐磨金屬化合物薄膜霎终，以達到提高刀具表面的硬度和耐磨性的目的滞磺。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金莱褒、金屬陶瓷和陶瓷等击困。涂層刀具可以分成硬涂層刀具和軟涂層刀具。硬涂層刀具的涂層材料主要有氮化鈦（TiN）广凸、碳化鈦（TiC）阅茶、氧化鋁（Al2O3）、碳氮化鈦（TiCN）谅海、氮化鋁鈦（TiAlN）脸哀，碳氮化鋁鈦（TiAlCN）等。硬涂層刀具的主要特點是硬度高扭吁、耐磨性能好摧垄。軟涂層刀具是以 MoS2和 WS2作為涂層材料的高速鋼刀具，軟涂層刀具可以減少磨擦欠杀，降低切削力和切削溫度厦湘。涂層可以是單涂層，也可以是雙涂層或多涂層，甚至是幾種涂層材料復(fù)合而成的復(fù)合涂層哺里。復(fù)合涂層可以是TiC-Al2O3-TiN荤勤，TiCN和 TiAlN多元復(fù)合涂層，最新又發(fā)展了TiN/NbN骄鸽，TiN/CN等多元復(fù)合薄膜鹉陪。TiN 涂層的硬度高、耐磨性好铅粉，TiC涂層與金屬的親合力小戴悔，抗氧化性強，TiAlN具有良好的高速切削性能蓄盘，Al2O3涂層有良好的熱穩(wěn)定性俏汇。TiAlN層在高速切削中性能優(yōu)異，最高切削溫度可達800℃羡微。

陶瓷刀具

陶瓷刀具的材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類谷饿，陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強度(抗彎強度為750~1000MPa)妈倔，耐磨性好博投，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗粘結(jié)性能良好盯蝴，摩擦系數(shù)低且價格低廉等優(yōu)點毅哗。不僅如此，陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度捧挺，1200℃時硬度達到HRA80虑绵。正常切削時，陶瓷刀具耐用度極高松忍，切削速度可比硬質(zhì)合金提高2~5倍蒸殿，。近幾年來鸣峭，由于控制了原料純度和顆粒尺寸細化宏所，添加各種碳化物、氮化物音虹、硼化物和氧化物等改善其性能穴示，還可通過顆粒、晶須次新、相變爽步、微裂紋和幾種增韌機理的協(xié)同作用提高其斷裂韌性，不僅使抗彎強度提高到0.9~1.0GPa(高的可達1.3-1.5GPa)傲枕，而且斷裂韌度和抗沖擊性能都有很大提高沪峰，應(yīng)用範(fàn)圍日益擴大衙文，除可用于一般的精加工和半精加工外，也可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工嘀拂，在國際上公認(rèn)為是提高生產(chǎn)效率最有潛質(zhì)的刀具浆菇。目前，陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工鋼袱蔓、鑄鐵及其合金等材料竣伍，刀具壽命比硬質(zhì)合金高幾倍、甚至幾十倍偏序。與金剛石和CBN（立方氮化硼）等超硬刀具相比页畦，陶瓷的價格相對較低。

金屬陶瓷刀具

金屬陶瓷具有較高的室溫硬度研儒、高溫硬度及良好的耐磨性豫缨、抗氧化能力強和化學(xué)穩(wěn)定性好。金屬陶瓷刀具的材料主要包括高耐磨性能的TiC基硬質(zhì)合金(TiC+Ni或Mo)殉摔、高韌性的TiC基硬質(zhì)合金( TiC+TaC+WC)州胳、強韌的TiN基硬質(zhì)合金和高強韌性的TiCN基硬質(zhì)合金(TiCN＋NbC)等。這些合金做成的刀具可在υc=300m/min～500m/min范圍內(nèi)高速加工鋼和合金鋼逸月，精加工鑄鐵。金屬陶瓷可制成鉆頭遍膜、銑刀與滾刀碗硬。如日本研制的金屬陶瓷滾刀，υc=600m/min瓢颅，約是硬質(zhì)合金滾刀的10～20倍恩尾，加工表面粗糙度值Rmax為2μm。

立方氮化硼（CBN）刀具

立方氮化硼（CBN）刀具具有較高的硬度挽懦，僅次于金剛石（可達8000HV～9000HV）翰意，并且熱穩(wěn)定性高（達1250℃～1350℃），對鐵族元素化學(xué)惰性大这旋，抗粘結(jié)能力強集蛛，而且用金剛石砂輪即可磨削開刃，故適于加工各種淬硬鋼忌舔、熱噴涂材料挟酗、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難切削材料。由于立方氮化硼（CBN）刀具加工高硬度零件時可獲得良好的加工表面粗糙度同肆，因此采用立方氮化硼（CBN）刀具可以實現(xiàn)以車代磨虏斤、以銑代磨，大幅度地提高加工效率末尤。

聚晶金剛石（PCD）刀具

聚晶金剛石（PCD）刀具PCD刀具可實現(xiàn)有色金屬脊距、非金屬耐磨材料的高速加工露惑。據(jù)報導(dǎo)，鑲PCD的鉆頭加工Si-Al則合金的切削速度隊達300m/min～400m/min种诫，PCD與硬質(zhì)合金的復(fù)合片鉆頭加工用Al合金钢老、Mg合金、復(fù)合材料FRP唧取、石墨铅鲤、粉末冶金坯料，與硬質(zhì)合金刀具相比枫弟，刀具壽命提高了65～145倍邢享；采用高強度Al合金刀體的PCD面銑刀加工用合金的速度υc達 3000m/min～4000m/min，有的達到7000m/min淡诗。近年來國外研制開發(fā)了金剛石薄膜刀具(車銑刀片骇塘、麻花鉆、立銑刀韩容、絲錐等)款违，壽命是硬質(zhì)合合金刀具的10～140倍。

性能優(yōu)異的高速鋼和硬質(zhì)合金復(fù)雜刀具

用高性能鈷高速鋼群凶、粉末冶金高速鋼和硬質(zhì)合金制造的齒輪刀具插爹，可用于齒輪的高速切削。用硬質(zhì)合金粉末和高速鋼粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齒輪滾刀请梢，滾切速度可達150m/min～180m/min赠尾。進行對TiAlN涂層處理后，可用于高速干切齒輪笋棵。用細顆粒硬質(zhì)合金制造并涂復(fù)耐磨耐熱及潤滑涂層的麻花鉆加冷卻液加工碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼時次翩，切削速度可達200m/min，干切時切削速度也可達150m/min蛾岳。用細顆粒硬質(zhì)合金制成的絲錐加工灰鑄鐵時鹿吴，切削速度可達100m/min。

根據(jù)加工材料合理選擇刀具

如何正確地選擇刀具來加工相應(yīng)工件材料簿睦，進而提高加工生產(chǎn)率干策，降低生產(chǎn)成本，是一個十分重要的問題菱戒。每一種刀具材料都有其特定的加工范圍拒徐，一般而言，CBN慧跋、金屬陶瓷刀具莽每、陶瓷刀具、涂層刀具適合加工鋼鐵等黑色金屬材料械兽。而PCD刀具適合加工鋁辖备、鎂咸唇、銅等有色金屬及其合金和非金屬材料的高速加工。

根據(jù)上表可以合理地選擇合適的刀具材料拷泽。陶瓷刀具適用于加工各種鑄鐵疫鹊、鋼件和鎳基高溫合金，不同品種和陶瓷刀具有不同的加工范圍司致，Al2O3基陶瓷刀具有良好的耐磨性拆吆、耐熱性且高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，可用于對鑄鐵脂矫、鋼及其合金的加工枣耀。Si3N4基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱振性好，適于斷續(xù)加工鑄鐵和合金鑄鐵庭再。

金屬陶瓷刀具不僅具有陶瓷的硬度捞奕，還具有硬質(zhì)合金的高強度，抗粘結(jié)性和耐磨性好拄轻，與鋼的親合力小颅围，適合中高速切削模具鋼，當(dāng)切削速度低度于750 m/min時恨搓，可對鑄鐵件進行加工院促。

金鋼石刀具適合加工非金屬材料、有色金屬及其合金雳犹。由于金剛石的熱穩(wěn)定性比較差椅砸，與鐵有很強的化學(xué)親合力，所以PCD不適合加工鋼鐵類材料揍久，金剛石摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無親和力桌偎，切屑易流出迁耘，熱導(dǎo)率高，切削時不易產(chǎn)生積屑瘤徊岂，加工表面質(zhì)量好粤未。最適合用于超精密加工非鐵金屬材料、有色金屬和非金屬材料田漓，如銅缚袒、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷歧胃、粉末燒結(jié)的硬質(zhì)合金绢贵、各種纖維和顆粒加強的復(fù)合材料、塑料坏瞄、橡膠桂对、石墨甩卓、玻璃和各種耐磨的木材（尤其是實心木和膠合板等復(fù)合材料）。

立方氮化硼刀具適于加工各種淬硬鋼蕉斜、熱噴涂材料逾柿、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難切削材料，被加工材料硬度越高越能體現(xiàn)立方氮化硼刀具的優(yōu)勢宅此。國外還研制了CBN含量不同的CBN刀具机错，以充分發(fā)揮CBN刀具的切削性能。據(jù)報導(dǎo)父腕， BN-10加工灰鑄鐵的速度可達2000m/min弱匪。

刀具材料的不斷更新，使切削加工向著高速和超高速的方面發(fā)展侣诵，各種刀具材料都與相應(yīng)的工件材料相匹配痢法，并有著不同的切削速度范圍，涂層刀具將會在高速切削領(lǐng)域占主導(dǎo)地位杜顺；陶瓷刀具的自身優(yōu)勢將會得到更廣泛的發(fā)展财搁；CBN和PCD將會在高速切削中占有重要地位，且應(yīng)用將會越來越廣泛卿才。加強高速切削刀具材料的研究和開發(fā)蝉丧，將會對高速切削技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有重大的意義。

從高速切削機理的研究中我們看到本博，隨著切削速度的提高就留，金屬切除率得到極大的提高，材料的高應(yīng)變率（在切削速度500m/min時約為1.67×105/s何大，切削溫度達到1400℃）使切屑成形過程以及刀具與工件之間接觸面上發(fā)生的各種現(xiàn)象都與傳統(tǒng)切削條件下的情況不一樣拭奖。刀具的熱硬性和刀具磨損問題成為關(guān)鍵。為了實現(xiàn)高速切削摇蝗，必須有適合于高速切削的刀具材料和刀具制造技術(shù)來支持萧状。

現(xiàn)在使用的金屬切削刀具材料可分為九種，包括從切削速度最低裆蛆、耐磨性能最差的高速鋼到高速性能最好的聚晶金剛石刀具捣兄。高速切削還需要同時具有韌性好、抗沖擊能力強和耐磨性好的刀具材料啼术。

一般來說稍浆，性能較低的刀具，如高速鋼和非涂層硬質(zhì)合金猜嘱，在普通切削加工中應(yīng)用面廣衅枫，但高速性能不好。而高性能的刀具泉坐，例如聚晶金剛石刀具为鳄，是所有刀具材料中最硬的裳仆，具有非常高的耐磨性和速度能力，切削熱對它幾乎沒有什么影響孤钦，在高速加工有色金屬和非金屬材料時充分體現(xiàn)出了它的優(yōu)越性歧斟。但是它的抗沖擊能力差，在切削鋼和鑄鐵類材料時的熱性能很差偏形。因為在高速切削鐵質(zhì)金屬時静袖，刀具材料中的碳原子會向工件擴散，引起刀具磨損加劇俊扭。

硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用量最大队橙，占各種刀具銷售額總量的80％。普通速度的金屬切削90%采用硬質(zhì)合金刀具贝泞。硬質(zhì)合金具有比較好的抗沖擊韌度淮辕，但是高速性能不好。另外牡罚，高速切削刀具還要具有極高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性俯炮，這方面硬質(zhì)合金也不能滿足要求。

CBN刀具耐熱性極好缰伶，可以在高溫下切削硬材料敦浅，但是價格昂貴，而且不能加工軟金屬材料壮煎。而化學(xué)穩(wěn)定性好的鋁基陶瓷材料赛琢，正好適合于這種加工，但是缺乏熱硬性触迄，不能用于高速加工悴碳。

集中不同特性刀具材料的優(yōu)點，開發(fā)新的刀具材料惦参，使之同時具有抗沖擊韌度和高的耐磨性瞻窗，是高速切削刀具研究中要解決的主要問題之一。在具有比較好的杭沖擊韌度的刀具基體材料上悼做，用熱硬性和耐磨性好的材料進行表面涂層，產(chǎn)生新的刀具哗魂，常常具有兩種材料的優(yōu)點肛走，這類刀具在高速切削中具有很大的適用范圍。

在這種思想指導(dǎo)下录别，先后出現(xiàn)了硬質(zhì)合金涂層刀具朽色、CBN涂層刀具和PCD涂層刀具等復(fù)合材料新刀具，以適用于高速切削不同的金屬材料组题。

適用于高速切削的涂層硬質(zhì)合金刀具葫男，由于使用了耐熱性好抱冷、硬度高的涂層材料以及多層涂層技術(shù)，使涂層硬質(zhì)合金刀具的切削范圍大梢褐、壽命長旺遮，其切削性能大大優(yōu)于非涂層硬質(zhì)合金。因此盈咳，涂層硬質(zhì)合金大有取代普通非涂層硬質(zhì)合金的趨勢耿眉。

刀具涂層技術(shù)不僅可用存硬后合金刀具上，而且在其他刀具材料上也得到很好的效果淳某，如金屬陶瓷溅鞠、陶瓷等。

陶瓷刀具也是可以用于高速切削的刀具馍上，是近年來刀具材料研究發(fā)展的一個重要組成部分仙茴。晶須增強陶瓷刀具是一種特殊材料的刀具，由于它具有抗沖擊韌度好哑暮、抗熱沖擊性能強的特點签梭，很適合于高速加工。

高速切削刀具要解決的另一個問題是在刀片上磨出或壓出一定幾何形狀的斷屑槽掘鱼，以便實現(xiàn)斷屑和控制切屑方向翠蓄，這也是提高加工效率和提高刀具耐用度的重要技術(shù)。

高速切削刀具應(yīng)該具有優(yōu)良的抗沖擊韌度和抗熱沖擊性能鸣拦，更好的耐熱性抢纹、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及更好的斷屑效果葱妒，并適應(yīng)于更大的金屬切削范圍谚剿。

高速切削發(fā)展趨勢

高速切削的發(fā)展趨勢主要有：

(1)開發(fā)和研制新一代高速大功率機床，進一步改善和提高主軸性能连锯。

(2)新型高耐磨归苍、耐熱刀具材料有待開發(fā)，高速刀具結(jié)構(gòu)有待進一步完善运怖。因為高速切削刀具直接決定高速切削的效益拼弃、質(zhì)量和安全，是推廣和實施高速切削技術(shù)的基礎(chǔ)摇展。

(3)開發(fā)推廣干切削和硬切削新工藝吻氧。近幾年，國外在發(fā)展高速切削的過程中已開發(fā)和應(yīng)用了干切削和硬切削(即切削淬硬工件)新工藝咏连。由于千切削有保護環(huán)境的作用盯孙，硬切削能代替磨削提高工效的作用，而得到了新的發(fā)展、但這兩種切削都要求高性能的刀具材料振惰。

因此歌溉，不難而知，高速切削刀具材料骑晶，將在我國的社會主義事業(yè)建設(shè)中痛垛，占有不可替代的作用。

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