刀具材料及刀具適用范圍

加工中心對(duì)刀具的基本要求

⑴ 高剛度、高強(qiáng)度

為提高生產(chǎn)效率，往往采用高速、大切削用量的加工，因此加工中心采用的刀具應(yīng)具有能承受高速切削和強(qiáng)力切削所必須的高剛度、高強(qiáng)度。

⑵ 高耐用度

加工中心可以長時(shí)間連續(xù)自動(dòng)加工，但若刀具不耐用而使磨損加快，輕則影響工件的表面質(zhì)量與加工精度，增加換刀引起的調(diào)刀與對(duì)刀次數(shù)，降低效率，也會(huì)使工作表面留下因?qū)Φ墩`差而形成的接刀臺(tái)階，重則因刀具破損而發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)床乃至人身事故。除上述兩點(diǎn)之外，與普通切削一樣，加工中心刀具的切削刃的幾何角度參數(shù)的選擇及排屑性能等也非常重要，積屑瘤等弊端在數(shù)控銑削中也是十分忌諱的．

⑶ 刀具精度

隨著對(duì)零件的精度要求越來越高，對(duì)加工中心刀具的形狀精度和尺寸精度的要求也在不斷提高，如刀柄、刀體和刀片必須具有很高的精度才能滿足高精度加工的要求。

總之，根據(jù)被加工工件材料的熱處理狀態(tài)、切削性能及加工余量，選擇剛性好、耐用度高、精度高的加工中心刀具，是充分發(fā)揮加工中心的生產(chǎn)效率和獲得滿意加工質(zhì)量的前提。

3.2.2 加工中心刀具的材料

⑴ 高速鋼 （High Speed Steel）

自 1906 年 Taylor 和 White 發(fā)明高速鋼以來，通過許多改進(jìn)至今仍被大量使用著，大體上可分為W系和MO系兩大類。其主要特征有：合金元素含量多且結(jié)晶顆粒比其他工具鋼細(xì)，淬火溫度極高（12000C）而淬透性極好，可使刀具整體的硬度一致。回火時(shí)有明顯的二次硬化現(xiàn)象，甚至比淬火硬度更高且耐回火軟化性較高，在6000C仍能保持較高的硬度，較之其他工具鋼耐磨性好，且比硬質(zhì)合金韌性高，但壓延性較差，熱加工困難，耐熱沖擊較弱。因此高速鋼刀具仍是數(shù)控機(jī)床刀具的選擇對(duì)象之一。目前國內(nèi)外應(yīng)用WMO、WMOAI、WMOCO為主，其中WMOAI是我國所特有的品種。

⑵ 硬質(zhì)合金 （Cemented Carbide）

硬質(zhì)合金是將鎢鉆類WC，鎢欽鉆類WC-TiC ，鎢欽鉭（鈮）鉆類WC TiC-TaC等硬質(zhì)碳化物以CO為結(jié)合劑燒結(jié)而成的物質(zhì)，于1926年由德國的Krupp公司發(fā)明，其主體為WC-CO 系在鑄鐵、非鐵金屬和非金屬的切削中大顯身手。 1929～1931 年前后，TiC以及TaC等添加的復(fù)合碳化物系硬質(zhì)合金在鐵系金屬的切削中顯示出極好的性能，從而使硬質(zhì)合金得到了很大程度的普及。

按ISO標(biāo)準(zhǔn)，主要以硬質(zhì)合金的硬度，抗彎強(qiáng)度等指標(biāo)為依據(jù)，將硬質(zhì)合金刀片材料分為P、M、K三大類，大致如下。

1. a.        WC+Co;K類、YG類
2. b.        WC+ TiC+ Co，P類、YT類：
3. c.        WC+ TiC+TaC+Co:;M類、YW類。

K類適于加工切屑的黑色金屬、有色金屬及非金屬材料。主要成分為碳化鎢和3%～10%的鉆，有時(shí)還含有少量的碳化鈕等添加劑。P 類適于加工長切屑的黑色金屬。主要成分為碳化欽、碳化鎢和鉆（或鎳），有時(shí)還加人碳化擔(dān)等添加劑。

M類適于加工長切屑或短切屑的黑色金屬和有色金屬。成分和性能介于 K 類和 P 類之間，可用來加工鋼和鑄鐵。

以上為一般切削工具所用硬質(zhì)合金的大致分類。除此之外，環(huán)右韶微片子硬質(zhì)合金，一般地可以認(rèn)為其從屬于K類，但因其燒結(jié)性能上要求結(jié)合劑Co的含量較高，故高溫性能較差，大多只適用于鉆、鉸等低速切削工具。

在國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）中通常又分別在K、P、M三種代號(hào)之后附加01、05、10、20、30、 40、50等數(shù)字進(jìn)行更進(jìn)一步的細(xì)分。一般來講，數(shù)字越小者，硬度越高但韌性越低；而數(shù)字越大則韌性越高但硬度越低。

表3一1中列出了部分高速鋼、硬質(zhì)合金刀具材料的應(yīng)用范圍。

表3-1 部分高速鋼、硬質(zhì)合金刀具材料的應(yīng)用范圍

涂層硬質(zhì)合金刀片是在韌性較好的工具表面涂上一層耐磨損、耐溶著、耐反應(yīng)的物質(zhì)，使刀具在切削中同時(shí)具有既硬又不易破損的性能。英文稱其為Coated Tool。

⑵ 陶瓷（Ceramics)

從20世紀(jì)30年代人們就開始研究以陶瓷作為切削工具了。陶瓷刀具基本上由兩大類組成，一類為氧化鋁類（白色陶瓷），另一類為TiC添加類（黑色陶瓷），另外還有在AI2O中添加SiCw（晶須），ZrO2（青色陶瓷）來增加韌性的，以及以Si3N4為主體的陶瓷刀具。

陶瓷材料具有高硬度、高溫強(qiáng)度好（約2000OC下亦不會(huì)熔融）的特性，化學(xué)穩(wěn)定性亦很好，但韌性很低。對(duì)此，最近熱等靜壓技術(shù)的普及對(duì)改善結(jié)晶的均勻細(xì)密性、提高陶瓷的各向性能均衡乃至提高韌性都起到了很大的作用，作為切削工具用的陶瓷抗彎強(qiáng)度已經(jīng)提高到900MPa以上。

一般來說，陶瓷刀具相對(duì)于硬質(zhì)合金和高速鋼來說仍是極脆的材料，因此，多用于高速連續(xù)切削中，例如鑄鐵的高速加工。另外，陶瓷的熱導(dǎo)率相對(duì)于硬質(zhì)合金來說非常低，是現(xiàn)有工具材料中最低的一種，故在切削加工中容易積蓄加工熱，且對(duì)于熱沖擊的變化較難承受。所以，加工中陶瓷刀具很容易因熱裂紋產(chǎn)生崩刃等損傷，且切削溫度較高。

陶瓷刀具因其材質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性好、硬度高，在耐熱合金等難加工材料的加工中有廣泛的應(yīng)用。金屬切削加工所用刀具的研究開發(fā)，總是在不斷地追求硬度，從而自然遇到了韌性間題。金屬陶瓷就是為了解決陶瓷刀具的脆性大而出現(xiàn)的，其成分以TiC（陶瓷）為基體，Ni、Mo（金屬）為結(jié)合劑，故取名為金屬陶瓷。

金屬陶瓷刀具的最大優(yōu)點(diǎn)是與被加工材料的親和性極低，故不易產(chǎn)生粘刀和積屑瘤現(xiàn)象，使加工表面非常光潔平整，是良好的精加工刀具材料。但由于韌性差，大大限制了它的應(yīng)用范圍。如今人們通過添加WC、TaC、TIN、TaN等異種碳化物，使其抗彎強(qiáng)度達(dá)到了硬質(zhì)合金的水平，因而得到廣泛的應(yīng)用。日本黛杰（DUET）公司新近推出通用性更為優(yōu)良的CX系列金屬陶瓷，可以適應(yīng)各種切削狀態(tài)的加工要求。

⑷ 立方氮化硼 （CBN）

立方氮化硼是靠超高壓、高溫技術(shù)人工合成的新型刀具材料，其結(jié)構(gòu)與金剛石相似，此種工具材料由美國 GE 公司研制開發(fā)。它的硬度略低于金剛石，但熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于金剛石，并且與鐵族元素親和力小，不易產(chǎn)生“積屑瘤”。CBN粒子硬度高達(dá) 4500HV，熱導(dǎo)率高，在大氣中加熱至1300℃仍保持性能穩(wěn)定，且與鐵的反應(yīng)性很低，是迄今為止能夠加工鐵族金屬和鋼鐵材料最硬的刀具材料。它的出現(xiàn)使無法進(jìn)行正常切削加工的淬火鋼、耐熱鋼的高速切削變成了可能。淬火硬度60