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采用复合硬质合金牌号的高性能旋转刀具基体 |
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作者：工具展望 张宪 编译 |
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用于金属切削的旋转刀具通常采用硬质合金(WC)作为基体材料，这是由于硬质合金在强度、耐磨性、抗破裂韧性等机械性能上具有独特的综合优势。传统的整体硬质合金旋转刀具都是采用单一结构的基体材料，即整个基体都用同一种硬质合金牌号制造，这种结构的刀具在使用性能上存在较大的局限性。
一般来说，钻孔加工有一个显著特点，从钻头的钻尖中心到外线处的切削速度存在很大差异，即钻头外线处的旋转速度远远高于钻尖中心处的旋转速度。这种现象极易导致单一基材硬质合金钻头的钻尖中心切削刃过早失效，而这通常是因为硬质合金牌号硬度过高引起微崩刃所致；另一方面，钻头外缘部分的切削刃又可能因硬质合金牌号硬度过低而导致过早失效。因此，在选择单一基材钻头的硬质合金牌号时，必须对材料性能进行折衷权衡，以兼顾这两种相互冲突的失效机理。
立铣刀在加工中承受较大的侧向推力。由于立铣刀具有较大的长径比，因此在侧向推力作用下会产生一定的挠曲，挠曲程度与硬质合金基体牌号密切相关。刀具的挠曲会对铣刀的切削深度和工件的尺寸精度产生不利影响。与钻头的情况类似，在选择立铣刀的硬质合金基体牌号时，也需要在两种相互冲突的失效机理之间进行折衷权衡，即基体材料太硬时，刀具容易破损；较软时，刀具又容易过快磨损。
如果硬质合金钻头和立铣刀采用复合结构的基体材料，即在刀具的不同部位，材料的物理特性根据加工需要而有所不同，则刀具切削性能将得到显著改善，刀具使用寿命将大大提高。
最近开发成功的新一代复合硬质合金牌号在不同部位具有不同的机械性能(包括材料的弹性模量、硬度、耐磨性、抗破裂韧性、拉伸强度、抗蚀性、热膨胀系数、热传导系数等)。这种新型复合硬质合金牌号与传统旋转刀具采用的单一硬质合金牌号的结构对比如图1所示。新型复合硬质合金牌号由至少2种不同的硬质合金牌号构成，不同牌号之间按同轴方式排列，从而使制备出中心与外线部位具有木同机械性能的旋转刀具基体成为可能。
图1 新型复合硬质含金牌号与传统的单一硬质合金牌号结构对比
采用复合结构硬质合金基体的旋转刀具可大大扩展其切削速度- 材料去除率的范围。如图2所示，硬度高于92HRA的单一结构硬质合金牌号一般用于切削速度较高、材料去除率较低的切削加工(如精加工)；而硬度低于90HRA的硬质合金牌号一般用于切削速度较低、材料去除率较高的切削加工(如粗加工)。对于上述任何一种单一结构的硬质合金牌号，要扩展其加工范围而又避免刀具过早失效，通常都是相当困难的。如采用复合结构的硬质合金基体，则有助于克服单一硬质合金牌号固有的局限性。例如，外缘硬度较高、芯部硬度较低的复合结构基体硬质合金刀具可以适应高硬度牌号的切削速度和低硬度牌号的材料去除进行切削加工。显而易见，这种刀具可实现的加工范围取决于构成复合硬质合金基体的不同硬质合金牌号的选用。
图2 复合结构基体的硬质合金旋转刀具可扩展加工范围
在许多钻削和立铣加工中，采用新型的超细颗粒硬质合金牌号制造的刀具显示出明显的性能优势。此类牌号的WC平均粒度约为0.5µm，制造的刀具具有极高的硬度和强度，且能在较长的寿命周期中很好地保持切削刃的锋锐性。但是，此类牌号的一个致命缺点是抗破裂韧性较差。由于材料的脆性较大，加工中产生的低水平振动就可能导致旋转刀具因崩刃破损而过早失效，因此极大地限制了其在单一基体钻头和立铣刀中的应用。采用复合结构基体则可较好克服超细颗粒硬质合金牌号抗振性差的缺点。图3所示为外缘部分采用超细颗粒硬质合金牌号、中心部分采用强韧性较好的常规亚微颗粒硬质合金牌号的复合结构基体。
图3 复合结构基体可扩展超细颗粒硬质合金的加工范围
利用制备复合硬质合金基体的工艺柔性，可以根据特定的加工需要制造出各种不同结构的复合硬质合金基体。此外，通过采用复合结构基体，也使硬质合金刀具能够应用于过去只能采用硬度较低、韧性较高的高速钢刀具加工场合。例如，复合基体硬质合金阶梯钻的端部可具备与高速钢钻头类似的低硬度和高韧性，而高硬度的外缘部则可延长钻头的寿命。由此，采用复合结构基体为硬质合金复合钻的制造提供了新的选择——制造出可一次完成粗、精加工的新型刀具。
图4 可采用的几种复合基体结构型式
在设计高性能旋转刀具时，硬质合金基体除可采用同轴复合结构外，也可采用其它型式的复合结构(见图4)。
复合结构硬质合金基体为高性能钻头、立铣刀的设计开发提供了新的机遇和空间，与单一结构基体相比，大大扩展了旋转刀具的加工范围，从而可显著提高钻削。立铣加工的生产率。(end)
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(3/17/2006) |
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