新型刀具的发展与前景

新型刀具的发展与前景专业年级:16农机

姓名：郑子豪

学号：3166103028

指导教师：郑书河

一、新型刀具材料的基本要求

刀具材料性能的优劣是影响切削加工能否正常运作的直接原因。

为了适应当今社会更高的要求，新型刀具必须在保证提高加工效率和加工质量的同时，降低加工费用。材料、结构和几何形状是决定刀具加工性能的三个重要因素。其中，刀具材料最为重要。刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工成本、加工质量以及刀具使用寿命等都影响很大。性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。造成刀具损坏最主

要的原因是切削力和切削温度作用下的机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损和破损。因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、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)和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。

二、陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料是以人造化合物（主要成分为氧化铝和氮化硅）为原料，加微量添加剂，在高压高温下烧结而成，是一种廉价的非金属刀具材料。它有很高的硬度、耐磨性和耐热性，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3—5倍。但是陶瓷刀具材料的抗弯强度低，冲击韧性差，因此主要用于钢、铸铁、有色金属等材料的精加工和半精加工。

陶瓷刀具一般有以下几种：

1.氮化硅基陶瓷刀具

1.1单一Si3N4陶瓷刀

此类陶瓷刀具主要是以氧化镁（Mgo）为添加剂的热压陶瓷。其硬度为9l一93HRA，耐磨性与抗弯强度均高于一般陶瓷，冲击韧度相当于Y130，耐热性可达1300—1400℃，具有良好的抗氧化性。此外，Si3N4陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。能加工出良好的表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤的工件材料。

1.2复台Si3N4陶瓷刀具Si3N4陶瓷以共价键结合，晶粒是长柱状的，有着较高的硬度、强度和断裂韧性，同时它的热膨胀系数小，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。Si3N4刀具特别适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬质合金刀具高几倍至十几倍。在汽车发动机铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。

1.3

SiMon陶瓷刀具

该类合金以Si3N4为硬质相Al203为耐磨相，并添加少量助烧剂Y203，经热压烧结而成。该合金不仅强度韧性高，而且具有有良好的抗热冲击性能，化学性能稳定，耐高温。其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具，巳成功应用于铸铁和高温合金等难加工材料的加工。

1.4

Si3N4晶须增韧陶瓷刀具晶须增韧陶瓷是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成，从而可提高陶瓷刀具的断裂韧性。

超硬刀具材料

超硬刀具是现代工程材料的加工在硬度方面提出的更高要求而应运而生，

20世纪的后40年中有了较大的发展。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同，立方氮化硼是非金属的硼化物，晶体结构为面心立方体；而金刚石由碳元素转化而成，其晶体结构与立方氮化硼相似。它们的硬度大大高于其他物质。

三、

1.金刚石类超硬刀具材料

1.1

天然单晶金刚石

这是一种各向异性的单晶体。硬度达9000~10000HV，是自然界中最硬的物质。它耐磨性极好，有很长的刀具寿命。但在不同晶面上硬度和耐磨性有较大差异，材料韧性很差，抗弯强度很低，热稳定性差（700~800℃时就会失去硬度），温度再高就会碳化。另外，它与铁有很强的亲和力，不适于加工钢铁。

1.2

人造单晶金刚石

该材料除硬度比天然金刚石稍差外，其它性能都与天然金刚石接近。由于是人工制造，其解理方向和尺寸变得可控和统一，材料中晶体有相对较好的一致性，且成本较低，作为替代天然金刚石的新材料，人造单晶金刚石必将会有广阔的应用前景。

1.3

人造聚晶金刚石

人造聚晶金刚石是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末溶剂混合

后在高温（1400℃）高压（6000Mpa）下烧结而成的聚晶体。它的硬度达6000HV 左右，耐磨性好，抗弯强度、抗冲击和抗震性能比天然金刚石高很多；高导热性和低热膨胀系数，切削时散热快，切削温度低，热变形小；摩擦系数小，切削效率高、加工精度稳定，表面质量好。

1.4

金刚石烧结体

在硬质合金基体上烧结一层0.5~0.7μm厚的聚晶金刚石（PCD）可得到金刚石烧结体，它兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性。能进行断续切削，可多次刃磨。但刃磨相当困难，主要体现为材料磨除率小、效率低、砂轮损耗大、刃口呈锯齿状。

1.5

CVD金刚石膜

CVD金刚石膜是一种化学气相沉积法制成的金刚石材料。其硬度高，不含金属结合剂，有很高的热传导率和抗高温氧化性能。但韧性比较差，刃口极难磨出像天然金刚石和人造单晶金刚石一样锋利。

四、

结语

无疑在21世纪的未来的一段岁月里，切削加工依然是机械加工的最主要的加工方法。而作为其中起重要作用的刀具，其性能也十分重要。近年来，随着科技的发达，对切削技术的要求也越来越高。高速切削、硬态切削、微雾润滑切削、干式切削、复合切削等领域在迅速发展。为了满足这些技术的要求，刀具材料也进入了飞速发展的时代。为实现以最小限度生产设备高效率、低成本加工零件的生产方式的核心，越来越多的新型刀具材料被研发出来。相应的，这些性能优秀的材料也是工业的发展进入了一个新的篇章。

面对这些新型的材料，我们所要做的是充分地去了解这些材料的性能也特征，研究出各种材料的优异。才能在越来越多的材料中选出最符合条件的材料，制作出满意的刀具。同时，新型刀具材料的需求推动了对于新型材料的研发。近年来，人们在新型刀具材料的应用、刀具涂层技术以及新型刀具切削性能方面进行了大量的研究与应用工作。在未来刀具材料主要的发展趋势是“细晶粒的基体材料+复合涂层”，以适应高速切削、干式切削、高精度加工的基本需求。