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 (4 5～ 65ＨＲＣ)、轴承钢 (60～ 62ＨＲＣ)、高速钢 (ＨＲＣ >62 )、工具钢 (5 7～ 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 10 0 0℃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 5 0 0℃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。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<1,2> 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。因图 1 各种刀具材料的硬度随温度的变化此 ,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Ｖ∝ 1Ｋ3/ 4 ＩＣＨ1/ 2 ∑ｎ1 Ｐ5/ 4 (1)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<3～> 对Ａｌ2 Ｏ3、Ａｌ2 Ｏ3/ＴｉＣ和Ａｌ2 Ｏ3/ＴｉＢ2 等陶瓷刀具的磨料磨损特性进行了试验 ,结果表明 :公式 (1)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 ,主要原因是式 (1)中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 140 0～ 15 0 0℃ ,比金刚石的耐热性 (70 0～ 80 0℃ )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<6>Ｋ =Ａｅｘｐ-ＥＲＴ (2 )式中 ,Ｋ为化学磨损量 ,Ａ为常数 ,Ｅ为由刀具和工件材料组合所决定的活化能 ,Ｔ为绝对温度 ,Ｒ为气体常数。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<3> ,其反应式为4Ｆｅ +ＳｉＣ→ＦｅＳｉ+Ｆｅ3Ｃ (3)图 2 刀具切削加工时的磨损Ａｌ2 Ｏ3陶瓷的化学惰性大于ＴｉＣ和ＷＣ。即使在熔化温度时 ,Ａｌ2 Ｏ3 与钢也不起化学反应 ;其次 ,Ａｌ2 Ｏ3在铁中的溶解率比ＷＣ要低 4～ 5倍。因此 ,切削加工钢件时 ,Ａｌ2 Ｏ3陶瓷刀具的扩散磨损很小。另外 ,Ａｌ2 Ｏ3陶瓷中含有铝元素 ,因此Ａｌ2 Ｏ3 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。Ａｌ2 Ｏ3/ＴｉＣ和Ａｌ2 Ｏ3/ (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。
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