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新刀具材料推动切削技术的发展 |
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作者：大连组合机床研究所 李如松 |
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十多年来，高速加工技术从研究开发到在生产中推广应用，以及干切削和硬加工的相继兴起到应用领域的逐步扩大，这标志了切削技术所取得的巨大进步。这些先进切削工艺的应用，大幅度提高了生产率和加工精度，显著地降低了制造费用，并促进了零件制造工艺流程的简化和生产模式的变革。
切削技术的巨大进步，是刀具材料不断发展和长足进步的必然结果。由于刀具材料万分的优化、制造工艺的改进和晶粒细化，特别是涂层技术的迅速发展，使刀具性能不断提高，进而不断提高切削速度(图1)和推动机床主轴转速的不断提高。刀具技术和机床技术相结合，促进切削技术进入一个崭新的发展阶段。
由此可见，新刀具材料的推广应用，对推动切削技术的发展起着决定性作用。理想的刀具材料既有极高的硬度，又有很高的韧性(图2)，刀具材料总是在朝着这一目标发展。
图1 不同刀具材料切削速度的发展
图2 刀具材料的性能
超硬刀具材料
聚晶金刚石(PCD)和立方氮化硼(CBN)越来越成为“普通的”刀具材料。
PCD具有特别高的硬度(HV30:5000)和耐磨性，用于加工铝合金等非铁材料有很高的生产率和过程可靠性。如MAPAI公司的WWS刀具厂推出用高强度铝合金制作刀体的PCD面铣刀，其切削速度可达6500 m/min(铣刀直径80mm)和8600 m/min(铣刀直径：200mm)。
CBN的硬度(HV30:4300～4600)仅次于PCD，由于热稳定性好而适合于加工淬硬钢、冷硬铸件和喷焊材料。目前，CBN刀具加工铸件，切削速度可高达(2000～4000)m/min，加工镍基合金切削速度也可达300m/min。有的刀具厂开发的细晶粒CBN(2µm)，CBN含量(50～55)%，陶瓷粘结，进一步提高了刀刃的强度，使CBN刀具更适合于硬加工(45HRC～63HRC)和干切削。
CBN应用于磨削，CBN砂轮的圆周速度达(90～250)m/s，大大提高了材料的磨除率，显著缩短磨削时间，使长期以来用于制造高质量功能表面的精密工艺发展成为一种通用的加工工艺。如在无心磨床上磨削凸轮轴，磨削余量为4.1mm,磨削速度90m/min，磨削的时间仅为12s，而轴径公差可达20µm，圆度8µm，表面粗糙度Rz 40µm，在砂轮寿命期内加工的工件数超过了50万根凸轮轴。
陶瓷刀具材料
在陶瓷刀具材料中，氧化铝(Al2O3)主要用于铸件的粗、精加工。混合陶瓷除含有Al2O3还有TiC或TiN，提高了硬度、耐热性和耐磨性，此外，还提高了耐热冲击性和刀刃强度，而目前开发出的细晶粒高韧性并涂有TiN涂层的这种混合陶瓷刀具既可湿式又可干式硬车或铣削硬料。氮化硅(Si3N4)陶瓷具有很好的韧性和耐热性，适用于车削、铣削和钻削铸件。采用这种刀具材料的铣刀铣削缸体时，切削速度可达到1500m/min；用整体Si3N4钻头钻削载重汽车制动盘上直径为14.5mm，深35mm 的孔，切削速度达410m/min，每转进给量为0.16mm时，加工一个孔的基本时间仅为1.46s。目前，由于Si3N4基陶瓷材料性能的改善，这种材料的刀具还用来高速加工耐镍基合金(Inconel706、Inconel718、Udimet720)，并可获得很严的制造公差和很高的加工可靠性。
表1 涂层硬质合金刀具的性能
超细晶粒硬质合金+TiAlN涂层 硬铣 硬钻
切削速度 m/min 200-350 40-60
每转进给量(mm/r)/每齿进给量(mm/Z) 0.1-0.2 0.02-0.1
平均粗糙度Rz µm 2-5 2-4
硬质合金
钨钴(WC)基硬质合金主要有两个发展方向，一是发展细和超细晶粒硬质合金；二是开发涂层技术，通过细晶粒硬质合金和硬涂层结合，提高刀具的硬度和韧性。以往，提高硬质合金的韧性是通过增加Co的含量来达到，但随着Co的增加，硬质合金的硬度会降低。当今，可通过愈来愈多细化的晶粒来弥补因Co含量增中而产生的负面作用。
普通的硬质合金，抗弯强度为(1000～3400)N/mm2，而超细晶粒的硬质合金，其抗弯强度可达4300N/mm2。这比高速钢〔(2500～3800) N/mm2〕还要高。因此，这种超细晶粒的硬质合金具有较高的硬度、耐疲劳强度和耐冲击性，刀刃可以磨得十分锋利，可以用它来制造过去只能用高速钢制造的小规格钻头(直径甚至可以小至0.5mm),立铣刀和丝椎等刀具。由此，大大扩大了硬功夫质合金的使用范围。
在目前，已可通过纳米晶粒硬质合金来极大地提高硬度和韧性，但这种硬质合金价格十分昂贵，还难于推广应用。
细晶粒硬质合金和涂层相结合是目前硬质合金刀具发展的另一个重要方面。较高韧性的细晶粒刀具基体，通过CVD或PVD工艺沉积针对具体加工任务的不同涂层，使这种涂层硬质合金刀具既具有较高的抗弯强度又具有耐磨表面。如采用具有较高的高温硬度和导热性较差的TiAlN硬涂层硬质合金刀具，就能用来进行硬铣和硬钻削(表1)，并可替代CBN刀具，显然扩大了硬质合金的使用范围。
由于硬质合金刀具材料与涂层技术的协同发展，使它在目前的刀具材料中占绝大部分的份额。据1998年的统计数字，硬质合金占世界刀具材料(不计高速钢)总量的78%，其中CVD涂层刀具占43%，PVD涂层占10%。
在目前，已可通过纳米晶粒硬质合金来极大地提高硬度和韧性，但这种硬质合金价格十分昂贵，还难于推广应用。
TiC/TiN基硬质合金
TiC/TiN基硬质合金至今已经历了好几代发展，主要通过增加氮的含量以提高硬度和抗弯强度。与WC基硬质合金相比，它具有较好的高温硬度、刀刃强度高、磨擦系数小，特别适合于以较高切削速度和较小的切深对钢件和铸件进行精加工或半精加工，可获得很高的表面质量、稳定的尺寸精度和较长的刀具寿命。
这种硬质合金刀具精车钢件，切削速度可高达400m/min(铣削：300m/min)，加工灰铸件车削速度可达450m/min(铣削：250m/min)。
表2 硬涂层和软涂层的性能比较
涂层材料 涂层厚度µm 显微硬度HV0.05 抗氧化能力℃ 摩擦系数
硬涂层
TiN 1-5 2100-2600 -500 -0.4
TiCN 1-5 2800-3200 -400 0.25-0.4
TiAlN 1-5 2600-3000 -800 0.3-0.4
TiAlCrYN 1-5 2600-3000 -950 0.3-0.4
CrN 1-10 -1750 -700 -0.5
软涂层
WC/C 1-5 -1100 -300 <0.2
MoS2 0.2-0.5
涂层技术
至今，涂层技术已取得了很大发展，在加工铁质材料，实现硬加工和干切削中涂层技术起着决定性的作用。
涂层的功能是使刀具和所切削的材料分隔开来，起到减小磨损、减少粘结和隔热的作用，以延长刀具的使用寿命。
涂层工艺由高温高压向低温低压的发展，使得涂层刀具能保持其韧性。
涂层视其性能可分为硬涂层和软涂层(滑动涂层)(表2)。硬涂层具有较高的硬度(>2500HV)，软涂层有很小的磨擦系数。
瑞士的Fraisa公司开发了一种新的涂层工艺，在丝锥的前面和后面沉积不同的涂层，即在主要承受磨粒磨损的后面涂上隔热的硬涂层，而在前面涂上一层纳米滑动层，这样，丝锥在攻丝时产生的热大部分可以由紧贴的螺旋切屑带走。
多涂层越来越得到广泛的应用。目前，涂层数甚至有超过20层的。通过不同涂层材料的组合，以抑制积屑瘤、裂纹和崩刃，改善刀具的磨损特性和提高耐热冲击性。
在多涂层中，较多采用钛基(Ti-)的各种涂层：TiN+TiCN+TiAlN，TiN+TiCN+Al2O3等。如采用TiAlN作为复盖层的多涂层，由于具有高的硬度和突出的耐氧化性，使这种多涂层刀具特别适合于钢件的干铣削(切削温度>600℃)。
又如在TiN+TiCN+Al2O3上沉积一层锆碳氮化物，可抑制裂纹的扩散。
目前，采用把硬涂层和软涂层组合的办法应用于干切削，是使干切削战略变成现实的重要途径。如在TiAlN复盖一层具有中等硬度的WC/C软涂层，由于这种软涂层的磨擦系数很小，在加工塑性金属材料时，有助于防止产生积屑瘤和降低切削力。
随着纳米技术的发展，制造纳米涂层，能进一步提高硬度，并由此提高刀具的耐磨性，这为放弃焊接的CBN/PCD刀具提供了可能。如德国的Cemecon公司，采用金刚石纳米涂层而显著地提高了刀具的耐用度。
结语
新刀具材料的不断发展和推广应用，大大提高了生产率，延长刀具使用寿命。促使切削技术向高速加工、硬加工和干切削发展。标志切削技术正发生着深刻变革。刀具材料的晶粒细化，特别是纳米技术的发展将给刀具带来变革。涂层技术与细晶粒硬质合金刀具基体的结合，大大扩大了硬质合金的使用范围。
切削技术的革新，不同刀具材料和不同加工工艺的替代，工艺流程的简化以及机床技术的不断发展都充分体现了新刀具材料发展所带来的技术进步。
因此，加强刀具材料和涂层技术的开发和应用是加速机械制造业发展的重要条件。
(end)
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(5/7/2004) |
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