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切削刀具材料性能分析及其选用原则探讨 臧文海

发布者: 凌霄敛影 | 发布时间: 2019-1-27 13:27| 查看数: 238| 评论数: 0|帖子模式

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金属切削刀具材料性能分析及其选用原则探讨
臧文海
(厦门金鹭特种合金有限公司,福建厦门 361000)
摘 要:设计刀具最重要的要素是正确选择刀具材料。刀具材料不仅能使刀具在高速及高温切削条件下保持稳定性,并且容易被制造成不同形状的刀具,用于不同的加工工况。文中主要探讨目前常用刀具材料的种类、特点及其选择要素,以期为高效切削刀具的应用提供借鉴。
关键词:刀具材料;高效加工;抗高温性能;抗磨损性能;金属切削
0 引言

[size=1em]刀具材料的发展,可以说是和NC机床的发展同时进行的[1]。NC机床为提高生产效率,其结构被设计成高刚性以利于高效切削环境下使用[2]。因此,刀具材料发展的目标是在高温条件下保持切削所需硬度,并具备优良的抗冲击和抗磨损性能[3]。

[size=1em]切削过程中,刀具不但要承受高温和高压载荷作用,而且切屑与刀具接触间的摩擦易引起刀具前刀面产生磨损[4-6]。同时刀具和工件间的摩擦也会引起刀具后刀面产生磨损。这两方面的磨损问题不仅会对工件的加工精度和表面粗糙度产生影响,而且易引起刀具过早失效问题的产生。因此,对刀具材料性能进行合理分析,对零部件的高品质加工具有十分积极的现实意义。

1 刀具材料应当具备的性能

[size=1em]1)常温硬度。常温硬度是指常温条件下刀具的硬度。硬度是刀具抗磨性能的判定标准之一,即:硬度越高,刀具的抗磨损性能越好,但韧性越低[7]。刀具材料的硬度通常以洛氏硬度方法测定,其中:HRA(60 kg)测量的是硬质合金类的硬度;HRC(150 kg)测量的是次硬刀具材料,如铸造合金和高速钢等。

[size=1em]2)韧性。断续切削过程中,交变载荷对刀具使用性能有较大的影响,因此,刀具材料必须具备优良的抗冲击性能[8]。刀具材料的韧性是其抗冲击性能的度量标准。通常情况下,刀具材料的韧性是采用横向冲击法测量,其横向抗冲击强度越大,韧性越好。

[size=1em]3)高温硬度。所谓高温硬度是指刀具在高温条件下仍能保持切削所需的硬度。通常情况下,高速钢在537℃时刀具硬度仍能保持在50~58 HRC;硬质合金在600℃时,其硬度仍能保持在80 HRA以上。图1为不同刀具材料硬度随温度变化的关系曲线。

2 常用的刀具材料

[size=1em]要使金属切削工序获得满意的效果,切削刀具材料的选择是重要的考虑因素[9-10]。因此必须基本了解每种切削刀具材料及其性能,以便为每一切削应用做出正确选择。当然,需要考虑的因素还包括待加工工件材料、零件类型和形状、切削工况和每一工序表面质量要求等等。

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[size=0.8em]图1 各种刀具材料硬度与温度的关系曲线

2.1 高速钢

[size=1em]高速钢是合金工具钢的一种,含有W、Cr、V、Mo和Co等金属元素,是一种强度较高、韧性较好的刀具材料。在高速切削过程中,即便切削温度高达500~600℃,高速钢内部的W、Cr和V等金属元素能保持较高的硬度,使刀具切削刃仍能保持原有的几何形状和硬度,因此高速钢具备较好的红硬性。

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[size=0.8em]图2 磨削制成的高速钢刀具

[size=1em]高速钢经过退火处理,易制造成各种不同形状的刀具(如图2所示),其在1200~1300℃条件下淬火后的硬度可达64~65 HRC。虽然目前在高速切削时大部分选用碳化物刀具,但高速钢因具有较强的可塑性(方便用于制造形状较复杂的刀具)而未被其它刀具材料所取代。

2.2 硬质合金

[size=1em]根据国际ISO标准划分,硬质合金可分为K、M、P类硬质合金。

[size=1em]1)K类硬质合金。主要成分为WC,以Co为黏结剂烧结形成WC-Co系硬质合金。该系列硬质合金用于切削形成不连续切屑的工件材料,如铸铁、白铸铁和淬硬钢等。

[size=1em]2)M类硬质合金。主要成分为P类硬质合金中添加TaC,形成三元碳化物WC-TiC-TaC-Co系硬质合金,这种硬质合金不仅具有抗月牙洼磨损的性能,而且具有优良的强度和韧性。主要用于切削不锈钢、合金铸钢、锻钢等材料。

[size=1em]3)P类硬质合金。主要成分为K类硬质合金添加TiC,形成二元碳化物WC-TiC系硬质合金,这种硬质合金抗刀-屑黏结性能优良。主要用于切削铸钢、合金钢及部分不锈钢等工件材料。

2.3 涂层硬质合金

[size=1em]涂层技术是为了提升硬质合金刀具的抗磨损性能而在基体表面涂覆功能材料的一种最有效的方法(如图3所示)。目前,主要的涂层材料有:TiC、TiN、Al2O3和TiNC等。涂层能有效提升刀具的使用性能及寿命。

[size=1em]1)涂层具有优良的硬度和抗磨损性能。因此与未涂层的刀具相比,涂层刀具允许采用较高的切削速度,从而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下,提高刀具寿命[11-13]。

[size=1em]2)刀具表面涂层能有效降低刀具表面粗糙度,因此切削过程中工件-刀-切屑间的摩擦小,切削温度较低,间接提升刀具的抗高温性能。

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[size=0.8em]图3 涂层硬质合金刀片与涂层剖面图

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[size=0.8em]图4 陶瓷刀片及其材料剖面图

2.4 陶瓷刀具

[size=1em]陶瓷刀具主要成分为98%~99%的Al2O3(如图4所示)。由于Al2O3的横向断裂强度较低,因此制备陶瓷刀具时须将其研磨成粉,并添加少量的其它金属氧化物,如MgO、TiO、NiO等,再经过高温压制成型和高温煅烧制成陶瓷刀具。陶瓷刀具的主要切削性能如下:1)陶瓷刀具为结晶结构,硬度高达93 HRA以上,具有极好的抗磨损性能;2)陶瓷刀具的抗断裂韧性不好,质地较脆,无法承受较大的机械冲击载荷;3)陶瓷刀具的热传导系数较低,因此即便切削温度在1000℃以上,仍能保持切削所需硬度。

2.5 金属陶瓷

[size=1em]金属陶瓷是以钛基硬质微粒为主体的硬质合金(如图5所示)。金属陶瓷的英文名称cermet是由ceramic(陶瓷)和metal(金属)两个单词分别截取部分合并而成的。最初金属陶瓷是由TiC和镍合成的。现代金属陶瓷不含镍,通常以TiCN微粒为主要成分,少量第二硬质相(Ti,Nb,W)(C,N)和富钨钴黏合剂。TiCN增加了牌号的耐磨性,第二硬质相提高了抗塑性变形的能力,钴的含量控制韧性。与烧结硬质合金相比,金属陶瓷提高了耐磨性,弱化了与工件的黏结趋势。另一方面,其压缩强度也较低,抗热冲击性较差。金属陶瓷也可以使用PVD涂层,以提高耐磨性[14]。

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[size=0.8em]图5 金属陶瓷刀片及其材料剖面图

2.6 超硬刀具

[size=1em]1)立方氮化硼CBN(BN)。立方氮化硼CBN材料具有出色的热硬性,可以在非常高的切削速度下使用,如图6(a)所示。它还表现出良好的韧性和耐热冲击性。现代CBN牌号多为陶瓷与CBN的复合材料,CBN含量大约40%~65%。陶瓷黏合剂增加了CBN的耐磨性,但是也降低了抗化学磨损性能。另外一种为高含量CBN牌号,CBN占85%~100%。这些牌号使用金属黏合剂,以提高它们的韧性[15]。将CBN焊接到硬质合金载体上,形成刀片。厦门金鹭特种合金有限公司的GHD技术大大增强了负前角刀片上CBN切削刀尖与载体的结合强度。CBN牌号被大量用于淬硬钢(硬度超过45 HRC)的精车。对于硬度高于55 HRC的材料,CBN是唯一可替代传统磨削方法的切削刀具[16]。较软的钢(低于45 HRC),铁素体的含量较高,这对CBN的耐磨性有负面影响。

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[size=0.8em]图6 典型超硬刀具示意图

[size=1em]2)聚晶金刚石PCD(DP)。PCD是由金刚石粒子和金属黏合剂烧结而成的复合物(如图6(b)所示)。金刚石是已知所有材料中最硬的,因此也是耐磨料磨损性最强的。作为切削刀具[16],它具有良好的耐磨料磨损性,但缺乏高温下的化学稳定性,很容易溶解于铁中。PCD刀具仅限于加工非铁材料,如高硅铝、金属基复合材料(MMC)和碳纤维增强塑料(CFRP)。使用大量冷却液的PCD也可用于钛材料的超级精加工。

3 刀具选用原则

[size=1em]选择刀具材料必须考虑工件材料的可切削性能、切削条件、切削方式及机床性能等因素。

[size=1em]1)工件材料的可切削性能。工件材料被切削的难易程度称为切削性能。影响工件材料可切削性能的因素很多,其中工件材料的抗拉强度为刀具材料选择的关键因素之一。切削抗拉强度低的工件材料,刀具的选择主要考虑常温硬度即可,有时也需要考虑刀具的高温硬度,因此主要以硬质合金刀具为主。切削抗拉强度高的工件材料,刀具的抗断裂韧性和高温硬度为主要考虑因素。若低速切削,建议选用高速钢刀具,因为低速易引起硬质合金刀具的挤压崩刃;若高速切削,建议选用硬质合金刀具。

[size=1em]2)切削用量。切削用量包括:切削速度vc、进给量f和切削深度ap。选择刀具材料时,进给量f对刀具使用性能的影响较切削深度ap的要大,因此是重点考虑因素之一。在一定切削速度vc和切削深度ap的情况下,进给量f越大,刀具承受的压力越大,则要求刀具的抗断裂韧性要越好。

[size=1em]3)切削方式。切削方式分为断续切削和连续切削。连续切削为均匀切削,各个切削点的切削状态相同,刀具切削刃承受的载荷较为均匀,因此对刀具韧性要求较低,可选用硬质合金、金属陶瓷和超硬材料制成的刀具。断续切削为不均匀切削,刀具切削刃承受交变载荷,因此切削过程中刀具需要有较好的抗断裂韧性,因此可选用高速钢或涂层硬质合金制成的刀具。

[size=1em]4)机床性能。综合刀具材料属性,在机床性能满足的情况下,选用刀具的原则是:机床性能若能实现高速,则可采用高速切削,但刀具材料需要有优良的红硬性,因此可以选用涂层硬质合金、金属陶瓷和超硬刀具;若切削速度受限,刀具的韧性较红硬性更为重要,那么选择抗断裂韧性更好的刀具,如高速钢和涂层硬质合金。

4 结语

[size=1em]本文主要从目前现有的刀具材料,如高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷及超硬材料等性能特点进行分析,获得各种不同刀具材料所能适应的切削范围。最后就工件材料的切削性能、切削条件、切削方式及机床性能等方面进行探讨,为刀具的选用提出建议。

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中图分类号:TG 501
文献标志码:A
文章编号:1002-2333(2018)02-0165-03
项目支持:国产高档数控机床与数控系统在飞机筋肋梁等加工单元中的应用(2013ZX04001-021)。

(编辑 立 明)

作者简介:臧文海(1985—),男,工程师,从事高效切削及刀具技术研究工作。
收稿日期:2017-04-26

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