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切削刀具与加工对象的匹配研究 |
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作者：山东大学 邓建新 丁泽良 冯益华 |
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1．引言
刀具材料的进步极大地推动着切削加工技术的发展。从碳素工具钢刀具、高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具到金刚石和立方氮化硼刀具，刀具材料的每一次革新几乎都给切削加工业带来一次革命。特别是近三十年来，作为切削加工最基本要素的刀具材料得到了迅速发展，采用各种高纯超细的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和合金元素制造的新型刀具材料不断涌现，材料的物理机械性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用范围也不断扩大。开发的新型刀具材料如纳米复合刀具、纳米涂层刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯度功能刀具材料等为现代切削加工业提供了新的选择。目前国际上广泛应用的刀具材料主要有：高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等，刀具材料的牌号多达上千种。
随着科学技术的发展，对工程材料也提出了愈来愈高的要求。各种轻质强韧材料、新型航空航天材料、核能材料、复合材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土材料、新型金属或非金属材料等的应用日益广泛。面对如此种类繁多的工件材料，如何正确选择刀具材料进行切削加工，以提高切削加工生产率、降低加工成本和减小资源消耗，是一个需要高度重视的问题。
长期以来，国内外机械加工企业选择刀具材料的方式以传统的试切法和参照以往经验为主。在加工某一新型材料时，往往需要使用多种刀具材料进行重复切削试验，研究分析刀具的磨损、破损方式及其原因，通过比较从中选择最佳的刀具材料。这种方法盲目性大，造成人力、财力和资源的大量浪费。而许多企业根据经验来选择刀具，往往不能选择到最佳刀具材料，造成切削加工生产率低下、切削加工成本增加、刀具材料资源（尤其是一些贵重的合金元素）浪费严重。
每一品种的刀具材料都有其特定的加工范围，只能适应一定的工件材料和切削速度范围。不同的刀具或同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大的差别，因此所谓的万能刀具是不存在的。“工欲善其事，必先利其器”这句中国名言已成为国内外的共识。所以，合理选用刀具是成功进行切削加工的关键。每一品种的刀具材料都有其最佳加工对象，即存在切削刀具与加工对象的合理匹配问题。切削刀具与加工对象的匹配主要是指二者的力学性能、物理性能和化学性能的匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。结合笔者已进行的研究，本文将对切削刀具与加工对象的合理匹配进行综合评述。
2．切削刀具与加工对象的力学性能匹配
切削刀具与加工对象的力学性能匹配主要是指刀具与工件材料的强度、韧性、硬度等力学性能参数应相互匹配。不同力学性能的刀具（如高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等）所适合加工的工件材料有所不同。通常，刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具硬度一般要求在60HRC以上。高硬度的工件材料必须用更高硬度的刀具来加工，如立方氮化硼和陶瓷刀具能胜任淬硬钢（45～65HRC）、轴承钢（60～62HRC）、高速钢（HRC>62）、工具钢（57～60HRC）和冷硬铸铁等材料的精车加工，并可实现以车代磨。此外，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。
具有优良高温力学性能的刀具特别适合高速切削加工。高速切削采用的切削速度比常规切削高出几倍甚至十几倍，因此切削温度很高。为此，高速切削时要求刀具材料不仅要有良好的室温力学性能，还应具有优异的高温力学性能，且其高温力学性能比室温力学性能更为重要。尽管陶瓷刀具的室温强度较低，但当温度升高时，其抗弯强度降低很少。如切削温度达1000℃左右时，其抗弯强度值仅比室温时略低。陶瓷刀具优良的高温性能使其适于高速切削，允许的切削速度比硬质合金高2～10倍。高温高硬度的Sialon陶瓷刀具也可作为高温切削刀具。硬质合金在温度高于500℃时因粘结相变软而硬度急剧下降，所以不适于用作高温切削刀具。各种刀具材料的硬度随温度的变化见图1。
图1 各种刀具材料的硬度随温度的变化
决定硬脆刀具（如硬质合金和陶瓷）磨损的主要因素是其力学性能。Evans等人的研究表明，硬脆材料固有的脆性是导致其磨损的主要原因。因此，他建立了陶瓷刀具材料的硬度、断裂韧性等力学性能与其磨损特性的关系式，即
式中，V为磨损体积，KIC为断裂韧性，H为硬度，n为磨粒数，P为垂直作用于磨粒上的力。
Wayne等人对Al2O3、Al2O3/TiC和Al2O3/TiB2等陶瓷刀具的磨料磨损特性进行了试验，结果表明：陶瓷材料硬度、断裂韧性等力学性能与其磨损特性的关系式能定性反映刀具材料的磨损与其力学性能的关系，但理论计算结果与实际测量值有一定差异，主要原因是没有考虑陶瓷材料微观结构的影响。
3．切削刀具与加工对象的物理性能匹配
切削刀具与加工对象的物理性能匹配主要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等物理性能参数应相互匹配。具有不同物理性能的刀具（如高导热和低熔点的高速钢刀具、高熔点和低热胀的陶瓷刀具、高导热和低热胀的金刚石刀具等）所适合加工的工件材料有所不同。加工导热性差的工件时，应采用导热性较好的刀具，以使切削热可迅速传出而降低切削温度。
金刚石的导热系数为硬质合金的1.5～9倍，为铜的2～6倍，由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故刀具切削部分温度低。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10，因此金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。立方氮化硼的导热性虽不及金刚石，但却大大高于高速钢和硬质合金。随切削温度的提高，CBN刀具的导热系数逐渐增加，可使刀尖处切削温度降低，减少刀具的扩散磨损并有利于高速精加工时加工精度的提高。CBN的耐热性可达到1400～1500℃，比金刚石的耐热性（700～800℃）几乎高一倍。
由于高速切削所采用的切削速度比常规切削时高几倍甚至十几倍，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、高速硬切削和高速加工黑色金属的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热性，因此要求刀具材料的熔点高、导热性好、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性强。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时的1/3~1/5，其原因是切削热易使刀尖发生热破损。在高速切削低导热性及高硬度材料（如钛合金、耐热镍基合金、高硬度合金钢等）时，易形成锯齿状切屑，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的热应力发生高频率的周期变化，从而加速刀具的磨损。
4.切削刀具与加工对象的化学性能匹配
刀具的磨损是机械磨损和化学磨损综合作用的结果。机械磨损主要包括磨料磨损、粘结磨损、塑性磨损和微观断裂等。化学磨损主要是指在高温下刀具材料的组分与工件材料发生的化学反应、化学溶解以及刀具与工件间元素的扩散等。已有的研究表明：刀具切削加工时的磨损与所加工的工件材料和切削条件密切相关，在不同的切削条件下加工不同的工件材料时，占主导地位的磨损机制有所不同。如在低速切削时，由于温度较低，其磨损机制往往表现为磨料磨损；而在高速切削时高温引起的化学反应、氧化磨损和扩散磨损则占主导地位。由于在高温下工件材料硬度有所下降，因而磨料磨损逐渐减小，如图2所示。化学磨损与切削温度密切相关，其表达式为：
图2 刀具切削加工时的磨损
切削刀具与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具与工件材料的化学亲和性、化学反应、扩散、粘结和溶解等化学性能参数应相互匹配。具有不同组分的刀具（如高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等）所适合加工的工件材料有所不同。当刀具与工件中的元素化学亲和性强（易产生化学反应、相互粘结或扩散）时，应设法回避。如含有SiC颗粒或SiC晶须的刀具材料在加工镍基合金时表现出优良的切削性能，但在加工钢件时刀具材料却发生急剧磨损。这是因为SiC很容易在切削高温作用下与工件材料中的Fe产生化学反应，其反应式为4Fe+SiC→FeSi+Fe3C
Al2O3陶瓷的化学惰性大于TiC和WC。即使在熔化温度时，Al2O3与钢也不起化学反应；其次，Al2O3在铁中的溶解率比WC要低4～5倍。因此，切削加工钢件时，Al2O3陶瓷刀具的扩散磨损很小。另外，Al2O3陶瓷中含有铝元素，因此Al2O3陶瓷刀具在加工铝及铝合金时存在较大化学亲和力，很容易出现较大的粘结磨损和扩散磨损。Al2O3/TiC和Al2O3（/W，Ti）C等陶瓷刀具中均含有铝及钛元素，用这类陶瓷刀具加工钛及钛合金、铝及铝合金时也存在较大的化学亲和力，因此应避免用此类刀具加工铝、钛及其合金。
Si3N4基陶瓷刀具在铸铁和镍基合金的切削加工中得到广泛应用。Si3N4基陶瓷高速切削铸铁时主要发生磨料磨损，而高速切削碳钢时主要发生化学磨损。化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并不大，但化学磨损的重要作用在于它能大大加剧机械磨损，如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工件间的粘结，从而导致严重的粘结磨损和微观断裂磨损。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI1045钢时刀具的磨损比切削灰铸铁时高得多。切削铸铁时工件与刀具之间的Fe、Si等元素的相互扩散作用要比切削钢件时小得多。由于Si3N4、Fe之间存在较大化学亲和力以及Si和Fe之间的相互扩散，因此Si3N4刀具不适于高速切削纯铁和碳钢等材料，因为高速切削时产生的高温会大大加剧Si3N4与此类工件间的化学作用及元素的扩散，导致Si3N4刀具磨损的加剧。因此，在加工钢时，Si3N4陶瓷刀具的磨损主要与刀具和工件间的化学作用有关。
金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍。在加工含硅量较高（10%以上）的铝合金时，金刚石刀具的耐用度是硬质合金的10～50倍。金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到800℃时就会失去其硬度；金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，因为金刚石与铁族元素之间有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极易损坏。
立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，并且具有很高的热稳定性，可承受1200℃以上的切削温度。其最大优点是在高温下（1200～1300℃）不会与铁族金属发生化学反应。CBN的化学惰性大，在中性、还原性气体介质中对酸和碱具有很高的化学稳定性，与铁族元素在1200～1300℃时也不起化学作用。研究表明：CBN与各种材料的粘结和扩散作用比硬质合金小得多。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会发生氧化现象。由于CBN 具有超硬特性、高热稳定性、高化学稳定性而引起广泛关注。在高速切削铸铁件时，可使用CBN刀具。但铸件的金相组织对CBN刀具的选用有一定影响，在以大于500m/min 的切削速度加工以珠光体为主的铸件时，可使用CBN刀具；当铸件以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，不宜使用CBN刀具，而应采用陶瓷刀具加工。
5．结论
综上所述，每一品种的刀具都有其特定的加工范围。切削刀具与加工对象的匹配主要指二者的力学、物理和化学性能相互匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。
切削刀具与加工对象的力学性能匹配主要是指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能参数应相互匹配。切削刀具与加工对象的物理性能匹配主要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等物理性能参数应相互匹配。切削刀具与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散、粘结和溶解等化学性能参数应相互匹配。在实际应用中，应根据所加工的工件材料选择相互匹配的刀具材料。
建立切削刀具和加工对象的力学、物理和化学性能数据库，建立切削刀具和加工对象的力学、物理和化学性能匹配关系模型，并借助计算机绘制出用不同材料刀具切削不同材料工件时刀具与工件材料的匹配关系图谱，实现刀具材料选择的规范化和合理化，是今后切削加工研究的一个重要课题。(end)
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(11/8/2006) |
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