高速切削刀具材料如何选择

切削技术发展应用决定于机床刀具技术进步，其刀具材料进步起决定性作用。研究表明，高速切削时，随着切削速度提高，切削力减小，切削温度上升很高，达到一定值后上升逐渐趋缓。造成刀具损坏最主要原因切削力切削温度作用下机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损破损，因此高速切削刀具材料最主要要求高温时力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性(氧化性、扩散性、溶解度等)抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。

基于这一要求，近20多年来，发展了一批适于高速切削刀具材料，可不同切削条件下，切削加工各种工件材料。

虽然我们总希望得到既有高硬度以保证刀具耐磨性，又有高韧性来防止刀具碎裂，但目前技术发展还没有找到如此优越性能刀具材料，鱼于熊掌无法兼得。因此，我们会实际按照需要选用更合适刀具材科：粗加工时优先考虑刀具材料韧性，精加工时优先考虑刀具材料硬度。当然人们还期待着以超高切削速度进行加工而获得更好效果。下面仅就常见工件材料及刀具相关情况做如下简单介绍。

一、铝合金：

1、易切削铝合金

该材料在航空航天工业应用较多，适用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在2000～4000m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°。

2、铸铝合金

铸铝合金根据其Si含量的不同，选用的刀具也不同，对Si含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si3N4刀具，当Si含量大于12%时，可采用PKD(人造金刚石)、PCD(聚晶金刚石)及CVD金刚石涂层刀具。对于Si含量达16%～18%的过硅铝合金，最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm/r。

二、铸铁：

对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷;切削速度在510～2000m/min时，可选用Si3N4陶瓷刀具;切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN刀具。

铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN或Si3N4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，不宜使用CBN，而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属Co，晶粒尺寸平均为3μm，CBN含量大于90%～95%的BZN6000在V=700m/min时，宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷(AlN+AlB2)、晶粒尺寸平均为10μm、CBN含量为90%～95%的Amborite刀片，在加工高珠光体含量的灰铸铁时，在切削速度小于1100m/min时，随切削速度的增加，刀具寿命也增加。

普通钢

切削速度对钢的表面质量有较大的影响，根据德国Darmstadt大学PTW所的研究，其最佳切削速度为500～800m/min。

目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好，因为前者可很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。

金属陶瓷刀具占日本刀具市场的30%，以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在400～800m/min的小进给量、小切深的精加工;Carboly公司用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来，Kyocera公司用TiN来增加金属陶瓷的韧性，其加工钢或铸铁的切深可达2～3mm。CBN可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬钢。

三、高硬度钢：

高硬度钢(HRC40～70)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等。

金属陶瓷可用基本成分为TiC添加TiN的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1/10，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速(在200m/min左右)的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。

采用陶瓷刀具可切削硬度达HRC63的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。切削淬火硬度达HRC48～58的45钢时，切削速度可取150～180m/min，进给量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm。粒度在1μm，TiC含量在20%～30%的Al2O3-TiC陶瓷刀具，在切削速度为100m/min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。

当切削速度高于1000m/min时，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢(如HRC55的H13工具钢)。

四、高温镍基合金：

Inconel718镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高速切削该合金时，主要使用陶瓷和CBN刀具。

碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在100～300m/min时可获得较长的刀具寿命，切削速度高于500m/min时，添加TiC氧化铝陶瓷刀具磨损较小，而在100～300m/min时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel718合金的加工。

加拿大学者M.A.Elbestawi认为，SiC晶须增强陶瓷加工Inconel718的最佳切削条件为：切削速度700m/min，切深为1～2mm，进给量为0.1～0.18mm/z。

氮氧化硅铝(Sialon)陶瓷韧性很高，适合于切削过固溶处理的Inconel718(HRC45)合金，Al2O3-SiC晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。

五、钛合金：(Ti6Al6V2Sn)

钛合金强度、冲击韧性大，硬度稍低于Inconel718，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。日本学者T.Kitagawa等经过大量实验得出，用直径?10mm的硬质合金K10两刃螺旋铣刀(螺旋角为30°)高速铣削钛合金，可达到满意的刀具寿命，切削速度可高达628m/min，每齿进给量可取0.06～0.12mm/z，连续高速车削钛合金的切削速度不宜超过200m/min。

六、复合材料：

航天用的先进复合材料(如Kevlar和石墨类复合材料)，以往用硬质合金和PCD，硬质合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高温下PCD刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化，用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。