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如何合理选择高速切削刀具材料


  下切削加工各种工件材料。
  虽然我们总是希望得到既有高的硬度以保证刀具的耐磨性,又有高的韧性来防止刀具的碎裂,但目前的技术发展还没有找到如此优越性能的刀具材料,鱼于熊掌无法兼得。因此,我们会在实际中按照需要选用更合适的刀具材科:粗加工时优先考虑刀具材料的韧性:精加工时优先考虑刀具材料的硬度。当然人们还期待着以超高切削速度进行加工而获得更好的效果。下面仅就常见的工件材料及刀具的相关情况做如下简单介绍。
  1 铝合金
  1.1 易切削铝合金
  该材料在航空航天工业应用较多,适用的刀具有K10、K20、PCD,切削速度在2000~4000m/min,进给量在3~12m/min,刀具前角为12°~18°,后角为10°~18°,刃倾角可达25°。
  1.2 铸铝合金
  铸铝合金根据其Si含量的不同,选用的刀具也不同,对Si含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si3N4刀具,当Si含量大于12%时,可采用PKD(人造金刚石)、PCD(聚晶金刚石)及CVD金刚石涂层刀具。对于Si含量达16%~18%的过硅铝合金,最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具,其切削速度可在1100m/min,进给量为0.125mm/r。
  2 铸铁
  对铸件,切削速度大于350m/min时,称为高速加工,切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时,可选用涂层硬质合金、金属陶瓷:切削速度在510~2000m/min时,可选用Si3N4陶瓷刀具;切削速度在2000~4500m/min时,可使用CBN刀具。铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响,加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时,可使用CBN或Si3N4,当以铁素体为主时,由于扩散磨损的原因,使刀具磨损严重,不宜使用CBN,而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属Co,晶粒尺寸平均为3μm,CBN含量大于90%~95%的BZN6000在V=700m/min时,宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷(AlN+AlB2)、晶粒尺寸平均为10μm、CBN含量为90%~95%的Amborite刀片,在加工高珠光体含量的灰铸铁时,在切削速度小于1100m/min时,随切削速度的增加,刀具寿命也增加。
  3 普通钢
  切削速度对钢的表面质量有较大的影响,据研究,其最佳切削速度为500~800m/min。目前,涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好,因为前者可很好地保持刃口形状,使加工零件获得较高的精度和表面质量。金属陶瓷刀具目前占市场份额较大,以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好,但抗弯强度及导热性差,适于切削速度在400~800m/min的小进给量、小切深的精加工:用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来,用TiN来增加金属陶瓷的韧性,其加工钢或铸铁的切深可达2~3mm。
  4 高硬度钢
  高硬度钢(HRC40~70)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等。金属陶瓷可用基本成分为TiC添加TiN的金属陶瓷,其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当,而导热系数不到硬质合金的1/1O,并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好,与钢的亲和力小,适合于中高速(在200m/min左右)的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。采用陶瓷刀具可切削硬度达63HRC的工件材料,如进行工件淬火后再切削,实现“以切代磨”。切削淬火硬度达48~58HRC的45钢时,切削速度可取150~18Om/min,进给量在O.3~0.4min/r,切深可取2~4mm。粒度在1μm,TiC含量在20%~30%的Al203-TiC陶瓷刀具,在切削速度为100m/min左右时,可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。当切削速度高于1000m/min时,PCBN是最佳刀具材料,CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢(如55HRC的H13工具钢)。
  5 高温镍基合金
  Inconel 718镍基合金是典型的难加工材料,具有较高的高温强度、动态剪切强度,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。高速切削该合金时,主要使用陶瓷和CBN刀具。碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在100~300m/min时可获得较长的刀具寿命,切削速度高于500m/min时,添加TiC氧化铝陶瓷刀具磨损较小,而在100~300m/min时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel 718合金的加工。一般认为,SiC晶须增强陶瓷加工Inconel 718的最佳切削条件为:切削速度700m/min,切深为1~2mm,进给量为O.1~0.18mm/z。氦氧化硅铝(Sialon)陶瓷韧性很高,适合于切削过固溶处理的Inconel718(45HRC)合金,Al203-SiC晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。
  6 钛合金(Ti6Al6V2Sn)
  钛合金强度、冲击韧性大,硬度稍低于Inconel 718,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。实验得出,用直径10mm的硬质合金K10两刃螺旋铣刀(螺旋角为30°)高速铣削钛合金,可达到满意的刀具寿命,切削速度可高达628m/min,每齿进给量可取O.06~0.12mm/z,连续高速车削钛合金的切削速度不宜超过200m/min。
  7 复合材料
  航天用的先进复合材料,以往用硬质合金和PCD,硬质合金的切削速度受到限制,而在900℃以上高温下PCD刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化,用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。
  高速切削技术已成为切削加工的主流,加快其推广应用,将会创造巨大经济效益。高速切削刀具材料对发展和应用高速切削技术具有决定性作用。超硬刀具材料(PCD与CBN)、陶瓷刀具、TiC(N)基硬质合金刀具(金属陶瓷)和涂层刀具等四大类高速切削刀具材料各有其特性和应用范围,它们相互配合,彼此竞争,推动高速切削技术的发展和应用。
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