高速切削刀具材料及其合理选用

论
著
高速切削刀具材料及其合理选用
宋炎荣
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熊建武
２
周
进
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（１．湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 ４１２００１；２．湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 ４１０２０８） 摘 要：刀具是实现高速切削加工的关键，本文阐述了高速切削刀具材料的要求、高速切削加工刀具材料的种类，以及 高速切削不同材料时刀具材料的合理选用。 关键词：高速切削；刀具材料；要求 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．０９．００１ The Material of High Speed Cutting-tools and Its Reasonable Application 1 2 2 SONG Yan-rong ，XIONG Jian-wu ，ZHOU Jin (1.Hunan Railway Professional-Technology College,Zhuzhou,Hunan 412001;2.Hunan Industry Polytechnic,Changsha,Hunan 410208) Abstract:Cutting-tools is the key to carry out the high speed cutting process.This paper elaborated the request for the material of cutting-tools,category of cutting-tools and its reasonable application in high speed cutting process. Key words:High speed cutting;Material of cutting-tools;Request
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高速切削刀具材料的要求
高温力学性能以及高的可靠性。 ２ 高速切削刀具材料的种类 目前国内外广泛用于高速切削的刀具材料主要有：聚晶
１．１ 刀具材料的基本性能要求 刀具材料对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成 本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、 冲击和振动等作用，因此，刀具材料应具备如下一些基本 性能：（１）硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工 件材料的硬度，一般要求在ＨＲＣ６０以上。一般来说，刀具 材料的硬度越高，耐磨性就越好。（２）强度和韧性：刀 具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击 和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。（３）耐热性：刀具 材料的耐热性要好，能承受高的温度，具备良好的抗氧化 能力。（４）工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻 造或者其他成型性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工 性能等，并具有较高的性能价格比。 １．２ 高速切削加工对刀具材料的要求 刀具技术是实现高速切削加工的关键技术之一。高速 切削加工时切削温度很高，因此，高速切削刀具的失效主 要取决于刀具材料的热性能（包括刀具的熔点、耐热性、 抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）。高速干切 削、高速硬切削和高速切削黑色金属时，最高切削速度主 要受刀具材料耐热性的限制。例如，高速加工钢、铸铁等 黑色金属时，最高切削速度只能达到加工铝合金的１／５～ １／３，其原因是切削热使刀尖发生热破损。在高速切削加 工低导热性和高硬度材料（如耐热镍基合金及高硬度合金 钢等）时，易于形成锯齿状切屑，而高速铣削过程中则会 产生厚度变化的断续切屑，它们都会导致刀具内热应力高 频率地周期变化，加速刀具磨损。因此，高速切削加工除 了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外， 还特别要求刀具材料具备高的耐热性、热冲击性、良好的
金刚石（ＰＣＤ）刀具、聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）刀具、陶瓷刀 具、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金、超细晶粒硬质合金、涂层刀具、粉 末冶金高速钢刀具等。 以上刀具材料各有特点，适应的工件材料和切削速度范 围 不 同 。 一 般 而 言 ， ＰＣＢＮ、 陶 瓷 刀 具 、 涂 层 硬 质 合 金 及 ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金刀具适合于钢铁等黑色金属的高速切削 加工，而ＰＣＤ刀具适合于对有色金属及其合金和非金属材料 的高速切削加工。 ３ 高速切削刀具材料的选用 应用高速切削加工技术时，应根据工件材料、毛坯状态
和加工要求，在数控机床和加工中心上，首先要正确选择刀 具材料、刀具结构和几何参数以及切削用量等。不同加工方 式和不同工件材料对应不同的刀具材料，并且有不同的高速 切削速度范围。 ３．１ 高速切削有色金属及其合金的刀具材料的选用 铝及其合金是现代工业中用途最广泛的轻金属材料，广 泛应用于飞机、仪表、发动机、交通运输设备和其他机械等 行业。纯铝的机械强度不高，不宜做受力结构零件，在铝中 加入合金元素Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ等后形成铝合金，提高了强 度。铝及其合金具有极好的易切特性，可采用很高的切削速 度和进给速度进行加工，可以是铣削，也可以是车、镗、钻 等加工方式，选用的刀具材料主要是ＰＣＤ、涂层硬质合金或 超细晶粒硬质合金刀具，为避免由于铝与陶瓷的化学亲和力 而产生粘接，一般不宜采用Ａｌ２Ｏ３基陶瓷刀具。选择切削用量 时，应先说明铝合金的含硅量，随含硅量的增加，所选择的 切削速度降低。
收稿日期：２０１１－０１－１７ 修回日期：２０１１－０２－１３ 基金项目：２００６年湖南省高等学校研究项目（编号０６Ｄ０６２）和湖南铁道职业技术学院课题（编号Ｋ２００６０１６）资助。 作者简介：宋炎荣（１９６８－），女，湖南株洲籍，本科，高级工程师，研究方向为机械设计与制造。 本文通讯作者：熊建武（１９６４－），男，湖南安化籍，工学硕士，副教授、高级工程师，研究方向为机械设计与制造。
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中国西部科技
２０１１年０３月（下旬）第１０卷第０９期总 第２４２期
（２）陶瓷刀具的组分不同，适于加工的钢和铸铁的种 类各异，根据加工要求和工件性质选用不同组分的陶瓷刀 具及其几何角度是成功使用陶瓷刀具进行高速切削的关 键。加工未淬硬钢件，一般可在３００～８００ｍ／ｍｉｎ速度范围进 行高速切削加工；切削淬火硬度达４８～５８ＨＲＣ的钢时，切削 速度可取１５０～ｌ８０ｍ／ｍｉｎ。 （３）涂层硬质合金刀具随涂层材料不同，适宜加工的 钢的种类不同，合理使用的切削速度范围也不相同，一般 可在２００～５００ｍ／ｍｉｎ范围内加工未淬硬钢件。 ３．３ 高速切削高温镍基合金的刀具材料的选用 Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金是典型的难加工材料，具有较高 的高温强度、动态抗剪强度，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。ＰＣＢＮ和晶须增韧陶瓷刀具对纯镍和镍基高温合金具有 优异的切削性能，切削速度可达１００ｍ／ｍｉｎ以上。高含量 ＣＢＮ的ＰＣＢＮ刀具更适合高速切削高硬镍基合金，切削速度可 达１２０～２４０ｍ／ｍｉｎ。Ａ１２ Ｏ３ 基陶瓷刀具比Ｓｉ３ Ｎ４ 基陶瓷刀具有较 高的耐磨性，而晶须增韧陶瓷刀具的抗高温磨损性能最 好，适合于高速切削低硬度镍基合金，在１００～３００ｍ／ｍｉｎ时 可获得较长的刀具寿命。Ｓｉａｌｏｎ陶瓷刀具韧性高，适合于 高速切削加工高温硬度高的镍基合金。 ３．４ 高速切削钛及其合金的刀具材料的选用 钛及其合金强度、冲击韧度大，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。 目前，钛及钛合金的切削加工选用的刀具材料，以不 含或少含ＴｉＣ的硬质合金刀具为主。大量试验证明，选用 ＹＧ（Ｋ）类硬质合金加工钛合金效果最好，ＹＴ（Ｐ）类硬质合 金加工钛合金时磨损严重，效果不好。陶瓷刀具很少被用 来加工钛合金。普通涂层刀具加工钛合金时磨损也较为严 重，精铣ＴｉＮ涂层硬质合金刀具、ＰＣＤ刀具高速切削加工钛 及钛合金的加工效果远好于普通硬质合金，切削速度可达 １８０～２２０ｍ／ｍｉｎ。天然金刚石刀具的加工效果更好，但其应 用受到加工成本的制约。加工钛及钛合金，还广泛应用车－ 铣复合加工。车－铣复合加工改善了刀具散热条件，降低了 切削温度，并可减少刀具磨损，从而可在较高速度下切削 加工钛及钛合金。 ３．５ 高速切削非金属复合材料的刀具材料的选用 非金属材料种类繁多，包括塑料、橡胶、粘接材料和 隔热耐火材料等，选用正确的刀具材料进行切削加工是非 常重要的。 纤维增强塑料是机械工业中常用的一种新型材料，分 碳纤维和玻璃纤维两大类，切削这种材料时，对刀具的刻 划十分严重，刀具磨损快。一般纤维增强塑料的高速切削 加工选用ＰＣＤ刀具，也可选用硬质合金刀具，但硬质合金刀 具高速切削塑料时的刀具寿命太短。当用ＰＣＤ刀具对这种材 料 进 行 高 速 切 削 加 工 时 （ ｖｃ＝２０００～５０００ｍ／ｍｉｎ）， 刀 具 寿 命、加工精度和效率明显提高。 石墨也是一种非金属材料，但其有良好的导电性、优 良的耐腐蚀性能，同时具有极好的自润滑性、低摩擦系数 和很高的导热系数，在机械、模具、电工等许多行业的应 （下转第３１页）
ＰＣＤ刀具是高速加工高硅铝合金的理想的刀具材料。 ＰＣＤ刀具高速切削加工高硅铝合金不但能获得良好的加工质 量，而且刀具寿命长。高速切削加工铝合金时的切削速度 为１０００～４０００ｍ／ｍｉｎ，有时高达５０００～７５００ｍ／ｍｉｎ，但受到 目前机床主轴所能达到的最高转速和功率的制约。复杂型 面铝合金的高速切削加工，可用整体超细晶粒硬质合金和 粉末高速钢及其涂层刀具。 镁合金由于具有低密度和高强度的优良特性也颇受青 睐，在汽车、电子电器、航空等众多领域中获得了广泛应 用，是２１世纪最有发展前景的材料之一。切削加工镁合金 时切削力小，切削能耗低，切削过程中发热少，切屑易 断，刀具磨损小，寿命显著延长。因此，加工镁合金可进 行高速、大切削量切削。一般选用硬质合金刀具，金刚石 刀具主要用于对表面质量要求较高的情况。由于镁合金的 燃点低（６５０℃），高速切削时其切削速度主要受限于工件材 料本身的易燃性，在加工时必须用矿物油进行强力冷却， 并把镁的切屑迅速从加工区运走。 铜、黄铜及铜合金应用于内燃机、船舶、电极、电子 仪器及通用机械等。大多数铜合金选用ＹＧ类硬质合金刀 具，一般能达到加工要求；选用ＰＣＤ刀具进行高速切削加 工，切削速度可达２００～１０００ｍ／ｍｉｎ，刀具寿命很高，而且 能获得很高的表面质量。锡磷青铜的加工也可选用ＰＣＢＮ刀 具。 ３．２ 高速切削铸铁和钢的刀具材料的选用 切 削 加 工 铸 铁 的 最 高 切 削 速 度 ， 目 前 约 为 ５００～ １５００ｍ／ｍｉｎ，精铣灰铸铁可达２０００ｍ／ｍｉｎ。切削速度的选择 取决于选用的刀具材料，而刀具材料要根据工件的加工方 式及工件材料的成分、金相组织和力学性能进行合理选 用。高速切削加工铸铁零件时所用的刀具材料，主要有 ＰＣＢＮ、陶瓷刀具、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金、涂层刀具、超细晶 粒硬质合金刀具等。当切削速度低于５００ｍ／ｍｉｎ时，可选用 涂层硬质合金、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金和超细晶粒硬质合金； 切削速度高于５００～１０００ｍ／ｍｉｎ时，可选用ＰＣＢＮ和Ｓｉ３ Ｎ４ 陶瓷 刀具；当切削速度高于１０００ｍ／ｍｉｎ时，ＰＣＢＮ是最佳刀具材 料。 目前，对钢进行高速切削加工的最高转速能达到加工 铝合金的１／５～１／３，高速精加工钢时切削速度约为３００～ ８００ｍ／ｍｉｎ。切削速度的进一步提高受限于刀具材料的耐热 性、抗热震性能和化学稳定性，主要是切削热促使切削刃 发生粘接磨损、化学磨损和热震破损，造成刀具损坏。 钢高速切削主要选用ＰＣＢＮ刀具、陶瓷刀具、涂层刀 具、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金刀具等。淬硬钢（４５～６５ＨＲＣ）的 高速切削，主要选用ＰＣＢＮ刀具和陶瓷刀具，工件材料硬度 越高，越能体现出它们高速切削加工的优越性，可实现以 车代磨，大幅度提高加工效率。 目前已有多个品种不同ＣＢＮ含量的ＰＣＢＮ刀具已用于车 刀、镗刀、铣刀等，主要用于高速加工淬硬钢和高硬铸铁 以及某些难加工材料，但是选用时应该注意： （１）ＰＣＢＮ刀具中ＣＢＮ含量、ＣＢＮ粒径和结合剂不同，其 性能和应用范围各异，要正确选用，ＰＣＢＮ主要适合于加工 ４５ＨＲＣ以上的淬硬钢。
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开 发 应 用
２００２）第５．１．１１条的条文解释可知，竖向灰缝砂浆的饱满 度对砌体的抗压强度影响不大，但是对砌体的抗剪强度影 响明显。根据四川建筑科学研究院南京新宇砖瓦厂等单位 的实验结果得到：当竖缝 砂 浆很不饱满甚至完全无 砂 浆 时，起砌体的抗剪强度降低４０％～５０％。抗剪强度一般代表 砌体的抗震强度，竖缝的砂 浆饱满度直接影响墙体的抗震 强度。（２）在水平荷载作用下，当立缝中的条缝不饱满 时，引起应力集中，当条缝无砂浆时，在荷载ｇ的作用下， 受力面积变成了１／２，引起局部应力集中，承载力变为原来 的１／２。（３）矸石砖砌体立缝不饱满，隔声效果差，影响 生活质量。本人就在洛阳某小区１６层买了一套住房，晚上 睡觉，特别是夜深人静时，隔壁说话，看电视的声音听得 一清二楚，说不出有多烦恼。 由原来的粘土砖的“三一”工艺改为二抹一挤工艺。 通过现场观察，粘土砖的“三一”砌法，一时难以被工人 运用。我们在现场摸索的一铲灰，一块砖，一挂抹的工艺 较易被工人接受。只要劳动保护到位，一般都能满足立缝 中条缝的饱满度，见下图工人抹灰，挂灰的矸石砖。
图４
抹灰挂灰的矸石砖
图３ 工人戴手套砌筑的砌体立缝砂浆较饱满
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处理办法
３．１ 加强劳动保护 工人砌墙必须戴手套。根据现场检查可知，不戴手 套，很难保证砌筑的质量，若砌墙时戴上手套，矸石砖立 缝中的竖缝砂浆饱满度基本能达到８０％以上。 ３．２ 调整矸石砖的模数 多孔矸石砖的规格为２４０×９０×１１５ｍｍ，允许误差为± ５ｍｍ，若两块砖模数均为正误差，２４０砌体中间的条缝几乎为 零，立缝砂浆难有保证。若将矸石砖规格调整为２４０×９０× １１２ｍｍ，灰缝调整为１５ｍｍ左右时，两矸石砖立缝的条缝较易保 证（见图３），若矸缝为１０ｍｍ时，条缝内很少进入砂浆。 ３．３ 改变砌砖工艺
图５ 采用挂灰工艺砌筑的砌体
３．４ 改变砌筑计量办法 原来包工头为了激发工人的积极性，按砌筑的砖块数 支付工资，即每砌一块多少钱；现在矸石砖由于工人砌筑 不熟练，包工头按天给工资；运用这种方法，工人既熟悉 砌筑方法，又保证了砌筑质量；经过现场检查发现，这也 确实是一个不错的选择。
参考文献：（略）
（上接第０２页） 用不断扩大，如电火花加工使用的电极、轴 承、机械密封环、电刷等。用常规的车削、铣削、磨削方 法可以满足加工简单形状电极的要求，但近年来对电极几 何形状复杂性的要求持续增加。采用高速加工方式可提高 表面质量和精度，减小石墨电极的后续加工，降低加工成 本。可选择刀具有金刚石涂层刀具、ＰＣＤ、ＰＣＢＮ或ＴｉＮ涂层 硬质合金刀具，精加工时，一般选用ＰＣＤ刀具较合理，陶瓷 刀具不适合切削石墨材料。 橡胶是重要的工业材料，广泛用于制造轮胎、软管、 板材和棒料，以及多种零件。由于其具有显著的高弹性和 粘弹性，传统切削加工方法很难保证加工尺寸，也难以得 到良好的加工表面。采用高速铣削时可产生粉末状的切
屑，不需要冷却即可得到很好的加工质量。橡胶的高速刀 具可选用硬质合金刀具。
参考文献： ［１］ 邓建新，赵 军 ．数控刀具材料选用手册［Ｍ］．机械工业出版
社，２００５． ［２］ 艾 兴．高速切削加工技术［Ｍ］．国防工业出版社，２００３． ［３］ 刘杰华，任昭蓉．金属切削与刀具实用技术［Ｍ］．国防工业出版 社，２００６． ［４］ 陆 剑 中 ， 孙 家 宁 ． 金 属 切 削 原 理 与 刀 具 ［Ｍ］．机 械 工 业 出 版 社，２００６． ［５］ 陆 剑 中 ， 周 志 明 ． 金 属 切 削 原 理 与 刀 具 ［Ｍ］．机 械 工 业 出 版 社，２００６．
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