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高速切削加工中刀具材料研究与应用 　　摘 要： 介绍高速切削加工技术所使用的高速钢、硬质合金、陶瓷、涂层等刀具材料的性能特点及应用，探讨在高速切削时选择刀具所考虑的因素。 　　关键词： 高速切削；刀具材料；加工 　　中图分类号：TG711 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220093－01 　　高速切削加工这项先进制造技术在近20年来发展迅猛，切削时线速度高达普通切削线速度的几倍至十几倍甚至几十倍以上，机床主轴转速可达30000r/min以上，进给速度上升到50m/min或更高。刀具材料影响着高速切削加工技术的广泛应用，刀具材料经历了由高速钢、硬质合金到陶瓷、立方氮化硼、涂层材料等不断发展的过程。 　　1 应对高速切削加工的刀具材料所具备的要求 　　切削速度是影响切削温度的主要因素，高速切削加工时所采用的速度比普通切削线速度高几倍甚至几十倍，切削温度很高。高速切削刀具的失效形式主要是由于刀具材料的热性能（包括熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）不足所引起的。因此，高速切削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，还突出要求刀具材料具备高耐热性、抗热冲击性、化学稳定性、抗涂层破裂性、抗粘接性等良好的高温力学性能。 　　2 高速切削的刀具材料 　　2.1 性能优良的高速钢和硬质合金刀具材料 　　含有钴元素的高速钢、整体硬质合金材料在制造齿轮滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具时具有独特的优势，可以以较高的速度切削齿轮。用高速钢粉末、硬质合金粉末高温高压下合成的新型粉末冶金材料制成的齿轮滚刀，滚齿速度最高可以达到200m／min。若用TiAIN对这种新型粉末冶金材料进行涂层处理后，可以满足在不加切削液的条件下高速干切齿轮。但是因为高速钢刀具的硬度相对较低，红硬性较差，导热系数在16.75-25.1W/m?K之间，比钨钴类硬质合金低3/4左右，最为关键的是在高温下高速钢中的碳、钨、钒等元素会向被加工金属扩散溶解甚至发生化学反应，所以，高速钢刀具切削高硬度零件时的切削速度低，不超过30m/min，同时刀具的耐用度比较低。 　　2.2 陶瓷刀具材料 　　陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，目前有氧化铝系、氮化硅系、硼化钛系及新开发的氧化锆相变增韧陶瓷等。它们具有很高的硬度、耐磨性能及良好的化学稳定性及高速切削所需的物理机械性能。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现以车代磨。陶瓷刀具的常温硬度达92～95HRA，由于其硬度高，所以耐磨性有较大提高，其抗氧化温度为1750℃，具有较高的抗弯强度和断裂韧性。Al2O3基陶瓷抗弯强度为1000～1200MPa，适用于高温耐热合金的精加工或通用加工。Si3N4基陶瓷抗弯强度达到了900MPa以上且具有良好的断裂韧性，高速切削时不易产生裂纹。它与金属的亲和力极小，即使在熔化温度下与金属也不相互反应，氮化硅基陶瓷刀具在切削冷硬铸铁时切削寿命可以达到硬质合金YG8的30倍，在对淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金等易产生加工硬化的金属进行连续、断续切削可得到良好的表面粗糙度。 　　2.3 金属陶瓷刀具材料 　　金属陶瓷有较高室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金（TiC+Ni或Mo）、高韧性TiC基硬质合金（TiC+TaC+WC）、强韧TiN基硬质合金（以TiN为主体）、高强韧性TiCN基硬质合金（TiCN+NbC）等。其中高强韧性TiCN基硬质合金比Si3N4基陶瓷刀具具有更高的硬度和耐磨性，更适应高强度钢、淬硬钢的加工；比Al2O3基陶瓷刀具具有更高断裂韧性和抗冲击性，可实现大的切削深度和进给量。金属陶瓷刀具可在300-500m/min的切削速度范围内高速加工钢和合金钢，精加工铸铁。此外金属陶瓷还可制成钻头、铣刀和滚刀，尤其适合于切槽加工。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。 　　2.4 立方氮化硼（CBN）刀具材料 　　由于立方氮化硼与金刚石在晶体结构与结合上的相似，决定了其具有极高的硬度及红硬性，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁族素的高化学稳定性，可承受1200℃以上的切削温度，并且在高温下（1200℃～1300℃）不与铁族金属发生化学反应。立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁的粗、精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削，在加工高硬度材料时可获得较好的表面粗糙度。但和金刚