浅议高速切削刀具材料现状和发展

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1、浅议高速切削刀具材料现状和发展　　摘要：高速切削是先进制造技术中最重要的加工工艺之一，而刀具材料是实现这一工艺的关键，结合国内外研究情况，对高速切削刀具材料的种类、性能、发展和应用情况进行了综合评述，并总结了高速切削刀具材料当前的研究特点及发展趋势。关键词：高速切削刀具发展趋势高速切削（HSC）是近几年发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。高速切削是指采用超硬材料刀具和能实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造技术。[1]随着科学技术的发展，对切削加工提出了越来越高的要求，如对加工效率、加工精

2、度和表面质量的要求，高速切削正是适应这种需求而发展起来的加工技术。目前，高速切削加工技术已在汽车、飞机、模具、轻工和信息等产业部门得到非常广泛的应用，并取得了巨大的技术与经济效益。高速切削加工技术为机械制造企业快速响应市场信息提供了强有力的支持，其发展与应用是现代制造业发展的必然趋势。1、高速切削对刀具材料的要求6刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具的材料、几何参数及其结构，其中刀具材料对刀具耐用度、加工效率和加工质量等的影响最大。由于高速切削所采用的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高。因此，高速切削对刀具材料提出了更高的要求。高速切削刀具的失效主要是由于刀具材料的热性能（包

3、括熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）不足所引起的。高速干切削和硬切削加工黑色金属的最高速度主要受限于刀具材料的耐热性。如：加工钢和铸铁等黑色金属时，最高速度只能达到加工铝合金的1/3-1/5，原因是切削热使刀尖发生热破损；而高速铣削中则会产生厚度变化的断续切屑，它们都会导致刀具内热应力高频率地周期变化，加速刀具的磨损。因此，高速切削除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还突出要求刀具材料具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。2、高速切削刀具材料的进展和应用高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的机械性能、热

4、稳定性、抗冲击和耐磨损。目前国内外适用于高速切削的刀具材料主要有陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼（CBN）刀具、涂层刀具等。2.1陶瓷刀具6陶瓷刀具与硬质合金刀具相比，它的硬度高、耐磨性好；刀具耐用度可比硬质合金高几倍以至十几倍。陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍能进行切削，这时陶瓷的硬度与200～600℃时硬质合金的硬度相当。国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基（Al2O3）和氮化硅基（Si3N4）两大系列，添加各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物，形成不同品种的氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具。现有40多个品种，200多个牌号，其中氧化铝基为25种多，氮化硅基的近15种。2.2金刚石

5、刀具金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外（如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工），很少作为切削工具应用在工业中。随着高技术和超精密加工日益发展，例如微型机械的微型零件，原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹或火箭中的导航陀螺，计算机硬盘芯片、加速器电子枪等超精密零件的加工，单晶天然金刚石能满足上述要求。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石技术，使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简易，因此，在超精密镜面切削的高技术应用领域，天然金刚石起到了重要作

6、用。2.3立方氮化硼（CBN）立方氮化硼（CBN）6是纯人工合成的材料。由于立方氮化硼与金刚石在晶体结构上的相似性，决定了它与金刚石相近的硬度，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁元素的高化学稳定性。立方氮化硼是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压条件下加入催化剂转变而成，其硬度高达8000～9000HV，耐磨性好，耐热性高达1400℃，与铁元素的化学惰性比金刚石大，因此可对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁进行半精加工和精加工。例如，上海通用汽车公司的发动机柔性生产线上，用立方氮化硼CBN300刀片铣削发动机缸体平面，切削速度高达2000m/min。2.4涂层刀

7、具6涂层材料的发展，已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层，经历了TiC-Al2O3-TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层的发展阶段，现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN，等多元复合薄膜材料，使刀具涂层的性能有了很大提高。硬质涂层材料中，工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。目前，工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50%～70%，有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。由于现代金属切削对刀具有