摘要：高速加工是制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢，由高速加工而產(chǎn)生的高速切削已經(jīng)成為先進(jìn)制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)?；诋?dāng)今刀具材料的發(fā)展還不能滿足各領(lǐng)域需求的現(xiàn)狀，本文分析了在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配問題，介紹了刀具在高速切削中的地位、高速切削對刀具材料的要求以及現(xiàn)有高速切削刀具材料的種類，分析了在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配，闡述了如何合理選擇高速切削刀具材料。
　　
　　0 引言
　　
　　機(jī)械加工發(fā)展的總趨勢是高效率、高精度、高柔性和強(qiáng)化環(huán)境意識。在機(jī)械加工領(lǐng)域，切(磨)削加工是應(yīng)用最廣泛的加工方法。高速切削是切削加工的發(fā)展方向，已成為切削加工的主流。它是先進(jìn)制造技術(shù)的重要共性關(guān)鍵技術(shù)。推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)將大幅度提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量并降低成本。高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用決定于機(jī)床和刀具技術(shù)的進(jìn)步，其中刀具材料的進(jìn)步起決定性的作用。研究表明，高速切削時，隨著切削速度的提高，切削力減小，切削溫度上升很高，達(dá)到一定值后上升逐漸趨緩。造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機(jī)械摩擦、粘結(jié)、化學(xué)磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等磨損和破損，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時的力學(xué)性能、熱物理性能、抗粘結(jié)性能、化學(xué)穩(wěn)定性(氧化性、擴(kuò)散性、溶解度等)和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等?；谶@一要求，近20多年來，發(fā)展了一批適于高速切削的刀具材料，可在不同切削條件下，切削加工各種工件材料。
　　
　　雖然我們總是希望得到既有高的硬度以保證刀具的耐磨性，又有高的韌性來防止刀具的碎裂，但目前的技術(shù)發(fā)展還沒有找到如此優(yōu)越性能的刀具材料，魚于熊掌無法兼得。因此，我們會在實際中按照需要選用更合適的刀具材科：粗加工時優(yōu)先考慮刀具材料的韌性：精加工時優(yōu)先考慮刀具材料的硬度。當(dāng)然人們還期待著以超高切削速度進(jìn)行加工而獲得更好的效果。下面僅就常見的工件材料及刀具的相關(guān)情況做如下簡單介紹。
　　
　　1 鋁合金
　　
　　1.1 易切削鋁合金
　　
　　該材料在航空航天工業(yè)應(yīng)用較多，適用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在2000～4000m/min，進(jìn)給量在3～12m/min，刀具前角為12°～18°，后角為10°～18°，刃傾角可達(dá)25°。
　　
　　1.2 鑄鋁合金
　　
　　鑄鋁合金根據(jù)其Si含量的不同，選用的刀具也不同，對Si含量小于12%的鑄鋁合金可采用K10、Si3N4刀具，當(dāng)Si含量大于12%時，可采用PKD(人造金剛石)、PCD(聚晶金剛石)及CVD金剛石涂層刀具。對于Si含量達(dá)16%～18%的過硅鋁合金，最好采用PCD或CVD金剛石涂層刀具，其切削速度可在1100m/min，進(jìn)給量為0.125mm/r。
　　
　　2 鑄鐵
　　
　　對鑄件，切削速度大于350m/min時，稱為高速加工，切削速度對刀具的選用有較大影響。當(dāng)切削速度低于750m/min時，可選用涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷：切削速度在510～2000m/min時，可選用Si3N4陶瓷刀具；切削速度在2000～4500m/min時，可使用CBN刀具。鑄件的金相組織對高速切削刀具的選用有一定影響，加工以珠光體為主的鑄件在切削速度大于500m/min時，可使用CBN或Si3N4，當(dāng)以鐵素體為主時，由于擴(kuò)散磨損的原因，使刀具磨損嚴(yán)重，不宜使用CBN，而應(yīng)采用陶瓷刀具。如粘結(jié)相為金屬Co，晶粒尺寸平均為3µm，CBN含量大于 90%～95%的BZN6000在V=700m/min時，宜加工高鐵素體含量的灰鑄鐵。粘結(jié)相為陶瓷(AlN+AlB2)、晶粒尺寸平均為10µm、 CBN含量為90%～95%的Amborite刀片，在加工高珠光體含量的灰鑄鐵時，在切削速度小于1100m/min時，隨切削速度的增加，刀具壽命也增加。
　　
　　3 普通鋼
　　
　　切削速度對鋼的表面質(zhì)量有較大的影響，據(jù)研究，其最佳切削速度為500～800m/min。目前，涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷、 CBN刀具均可作為高速切削鋼件的刀具材料。其中涂層硬質(zhì)合金可用切削液。用PVD涂層方法生產(chǎn)的TiN涂層刀具其耐磨性能比用CVD涂層法生產(chǎn)的涂層刀具要好，因為前者可很好地保持刃口形狀，使加工零件獲得較高的精度和表面質(zhì)量。金屬陶瓷刀具目前占市場份額較大，以 TiC-Ni-Mo為基體的金屬陶瓷化學(xué)穩(wěn)定性好，但抗彎強(qiáng)度及導(dǎo)熱性差，適于切削速度在400～800m/min的小進(jìn)給量、小切深的精加工：用 TiCN作為基體、結(jié)合劑中少鉬多鎢的金屬陶瓷將強(qiáng)度和耐磨兩者結(jié)合起來，用TiN來增加金屬陶瓷的韌性，其加工鋼或鑄鐵的切深可達(dá)2～3mm。
　　
　　4 高硬度鋼
　　
　　高硬度鋼(HRC40～70)的高速切削刀具可用金屬陶瓷、陶瓷、TiC涂層硬質(zhì)合金、PCBN等。金屬陶瓷可用基本成分為TiC添加TiN 的金屬陶瓷，其硬度和斷裂韌性與硬質(zhì)合金大致相當(dāng)，而導(dǎo)熱系數(shù)不到硬質(zhì)合金的1/1O，并具有優(yōu)異的耐氧化性、抗粘結(jié)性和耐磨性。另外其高溫下機(jī)械性能好，與鋼的親和力小，適合于中高速(在200m/min左右)的模具鋼SKD加工。金屬陶瓷尤其適合于切槽加工。采用陶瓷刀具可切削硬度達(dá)63HRC的工件材料，如進(jìn)行工件淬火后再切削，實現(xiàn)“以切代磨”。切削淬火硬度達(dá)48～58HRC的45鋼時，切削速度可取150～18Om/min，進(jìn)給量在 O.3～0.4min /r，切深可取2～4mm。粒度在1µm，TiC含量在20%～30%的Al203-TiC陶瓷刀具，在切削速度為100m/min左右時，可用于加工具有較高抗剝落性能的高硬度鋼。當(dāng)切削速度高于1000m/min時，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90%的PCBN刀具適合加工淬硬工具鋼(如 55HRC的H13工具鋼)。
　　
　　5 高溫鎳基合金
　　
　　Inconel 718鎳基合金是典型的難加工材料，具有較高的高溫強(qiáng)度、動態(tài)剪切強(qiáng)度，熱擴(kuò)散系數(shù)較小，切削時易產(chǎn)生加工硬化，這將導(dǎo)致刀具切削區(qū)溫度高、磨損速度加快。高速切削該合金時，主要使用陶瓷和CBN刀具。碳化硅晶須增強(qiáng)氧化鋁陶瓷在100～300m/min時可獲得較長的刀具壽命，切削速度高于500m /min時，添加TiC氧化鋁陶瓷刀具磨損較小，而在100～300m/min時其缺口磨損較大。氮化硅陶瓷(Si3N4) 也可用于Inconel 718合金的加工。一般認(rèn)為，SiC晶須增強(qiáng)陶瓷加工Inconel 718的最佳切削條件為：切削速度700m/min，切深為1～2mm，進(jìn)給量為O.1～0.18mm/z。氦氧化硅鋁(Sialon)陶瓷韌性很高，適合于切削過固溶處理的Inconel718(45HRC)合金，Al203-SiC晶須增強(qiáng)陶瓷適合于加工硬度低的鎳基合金。
　　
　　6 鈦合金(Ti6Al6V2Sn)
　　
　　鈦合金強(qiáng)度、沖擊韌性大，硬度稍低于Inconel 718，但其加工硬化非常嚴(yán)重，故在切削加工時出現(xiàn)溫度高、刀具磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。實驗得出，用直徑10mm的硬質(zhì)合金K10兩刃螺旋銑刀(螺旋角為 30°)高速銑削鈦合金，可達(dá)到滿意的刀具壽命，切削速度可高達(dá)628m/min，每齒進(jìn)給量可取O.06～0.12mm/z，連續(xù)高速車削鈦合金的切削速度不宜超過200m/min。
　　
　　7 復(fù)合材料
　　
　　航天用的先進(jìn)復(fù)合材料，以往用硬質(zhì)合金和PCD，硬質(zhì)合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高溫下PCD刀片與硬質(zhì)合金或高速鋼刀體焊接處熔化，用陶瓷刀具則可實現(xiàn)300m/min左右的高速切削。
　　
　　高速切削技術(shù)已成為切削加工的主流，加快其推廣應(yīng)用，將會創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。高速切削刀具材料對發(fā)展和應(yīng)用高速切削技術(shù)具有決定性作用。超硬刀具材料 (PCD與CBN)、陶瓷刀具、TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具(金屬陶瓷)和涂層刀具等四大類高速切削刀具材料各有其特性和應(yīng)用范圍，它們相互配合，彼此競爭，推動高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。