高速切削刀具探析

孫　哲

高速加工通常是指在高于常規加工速度5～10倍的條件下進行的切削加工。高速切削時，隨著切削速度的提高，切削力逐漸減小，切削溫升逐漸趨緩，加工表面質量提高，加工成本降低。對于高速切削加工，刀具材料更具有舉足輕重的影響。當切削速度提高時，工具鋼材料的刀尖往往會因無法承受切削高溫而發生燒蝕或急劇磨損。

近三四十年來，刀具材料所取得的突破使高速切削中出現的問題得到了較好解決。一些新型刀具材料(如氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具和CBN等)具有良好的耐熱性：用聚晶方法得到的聚晶金剛石(PCD)刀片，其硬度可達6000～10000HV，用PCD材料制作的車刀、銑刀、鉆頭等可對有色金屬進行高速切削，有時也應用于黑色金屬的切削加工。目前適用于高速切削的刀具主要有以下幾種。

一、涂層刀具

涂層刀具是利用氣相沉積方法在高強度的硬質合金或高速鋼(HSS)基體表面涂覆幾個微米的高硬度、高耐磨性的難熔金屬或非金屬化合物涂層而獲得的。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦系數小和熱導率低等特性。涂層材料作為化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了月牙洼磨損，切削時可比未涂層刀具提高刀具壽命3～5倍以上，提高切削速度20％～70％，提高加工精度0.5～1級，降低刀具消耗費用20％～50％。

二、金屬陶瓷刀具

金屬陶瓷是20世紀70年代開發的一類具有優良機械力學性能和高溫性能的新型工具材料。與傳統的硬質合金刀具相比，它的耐熱性、耐磨性、抗月牙洼磨損能力等均有明顯提高，但韌性和導熱性相對較差。近年來，在陶瓷基體中加入少量納米粒子以形成納米陶瓷復合材料的研究取得了不少進展和成果。金屬陶瓷刀具可應用于300～500m／min切削速度范圍內的高速精車鋼和鑄鐵。

三、陶瓷刀具

陶瓷刀具與硬質合金刀具相比，其硬度高、耐磨性好，在相同切削條件加工鋼料時，磨損僅為硬質合金刀具的1/15，刀具壽命長；在1200℃時仍能保持80HRA的高硬度，所以在高溫下仍能進行高速切削；它與鋼鐵金屬的親和力小，摩擦因數低，抗粘結和抗擴散能力強，切削時不易粘刀及產生積屑瘤，加工表面質量好，可在200～1000m/min的切削速度范圍內高速切削軟鋼(如A3鋼)、淬硬鋼、鑄鐵及其合金等。另一方面，陶瓷刀具的缺點是脆性大，抗彎強度和抗熱沖擊性能較差，當切削溫度發生顯著變化時，容易產生裂紋。

四、CBN刀具

CBN是一種僅次于金剛石的硬度極高的刀具材料，通常材料硬度大于48HRC時工作效果最好(加工軟材料時CBN磨損很快)，溫度高到2000℃時有極佳的紅硬性，是高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等的理想刀具材料。雖然和硬質合金相比，CBN更脆且導熱性和化學穩定性低于陶瓷，但它具有比陶瓷刀具更高的沖擊強度和抗破裂性，而且對于剛性較低的機床也能切削硬金屬。由于CBN刀具加工高硬度零件時可獲得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬硬鋼可實現“以切代磨”。

五、PCD刀具

PCD刀具的硬度為硬質合金的80～120倍；導熱系數為硬質合金的1.5～9倍，甚至高于PCI3N和銅，熱量傳遞迅速：PCD的摩擦系數一般僅為0.1～0.3(硬質合金的摩擦系數為0.4～1)，可顯著減小切削力：PCD的熱膨脹系數僅為硬質合金的1／5，熱變形小，加工精度高，PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結，在刀尖上形成積屑瘤。PCD可實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高速、高精度、高穩定性加工。

六、高速鋼、硬質合金刀具

高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銑刀等。但是，高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現代切削加工對刀具材料越來越高的要求。

硬質合金是用高硬度、難熔的金屬碳化物和金屬粘結劑在高溫條件下燒結而成的粉末冶金制品。硬質合金的常溫硬度達89～93HRA，760℃時其硬度為77～85HRA，在800℃～1000℃時硬質合金還能進行切削，刀具壽命比高速鋼刀具高幾倍到幾十倍，可加工包括淬硬鋼在內的多種材料。但是，硬質合金的強度和韌性比高速鋼差，常溫下的沖擊韌性僅為高速鋼的1／8～1／30。因此，硬質合金承受切削振動和沖擊的能力較差。

(作者單位：山東省濟寧市技術學院)