高速切削刀具探析

孙　哲

高速加工通常是指在高于常规加工速度5～10倍的条件下进行的切削加工。高速切削时，随着切削速度的提高，切削力逐渐减小，切削温升逐渐趋缓，加工表面质量提高，加工成本降低。对于高速切削加工，刀具材料更具有举足轻重的影响。当切削速度提高时，工具钢材料的刀尖往往会因无法承受切削高温而发生烧蚀或急剧磨损。

近三四十年来，刀具材料所取得的突破使高速切削中出现的问题得到了较好解决。一些新型刀具材料(如氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具和CBN等)具有良好的耐热性：用聚晶方法得到的聚晶金刚石(PCD)刀片，其硬度可达6000～10000HV，用PCD材料制作的车刀、铣刀、钻头等可对有色金属进行高速切削，有时也应用于黑色金属的切削加工。目前适用于高速切削的刀具主要有以下几种。

一、涂层刀具

涂层刀具是利用气相沉积方法在高强度的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面涂覆几个微米的高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层而获得的。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性。涂层材料作为化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3～5倍以上，提高切削速度20％～70％，提高加工精度0.5～1级，降低刀具消耗费用20％～50％。

二、金属陶瓷刀具

金属陶瓷是20世纪70年代开发的一类具有优良机械力学性能和高温性能的新型工具材料。与传统的硬质合金刀具相比，它的耐热性、耐磨性、抗月牙洼磨损能力等均有明显提高，但韧性和导热性相对较差。近年来，在陶瓷基体中加入少量纳米粒子以形成纳米陶瓷复合材料的研究取得了不少进展和成果。金属陶瓷刀具可应用于300～500m／min切削速度范围内的高速精车钢和铸铁。

三、陶瓷刀具

陶瓷刀具与硬质合金刀具相比，其硬度高、耐磨性好，在相同切削条件加工钢料时，磨损仅为硬质合金刀具的1/15，刀具寿命长；在1200℃时仍能保持80HRA的高硬度，所以在高温下仍能进行高速切削；它与钢铁金属的亲和力小，摩擦因数低，抗粘结和抗扩散能力强，切削时不易粘刀及产生积屑瘤，加工表面质量好，可在200～1000m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁及其合金等。另一方面，陶瓷刀具的缺点是脆性大，抗弯强度和抗热冲击性能较差，当切削温度发生显著变化时，容易产生裂纹。

四、CBN刀具

CBN是一种仅次于金刚石的硬度极高的刀具材料，通常材料硬度大于48HRC时工作效果最好(加工软材料时CBN磨损很快)，温度高到2000℃时有极佳的红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。虽然和硬质合金相比，CBN更脆且导热性和化学稳定性低于陶瓷，但它具有比陶瓷刀具更高的冲击强度和抗破裂性，而且对于刚性较低的机床也能切削硬金属。由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬硬钢可实现“以切代磨”。

五、PCD刀具

PCD刀具的硬度为硬质合金的80～120倍；导热系数为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCI3N和铜，热量传递迅速：PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4～1)，可显著减小切削力：PCD的热膨胀系数仅为硬质合金的1／5，热变形小，加工精度高，PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结，在刀尖上形成积屑瘤。PCD可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、高精度、高稳定性加工。

六、高速钢、硬质合金刀具

高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求。

硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物和金属粘结剂在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89～93HRA，760℃时其硬度为77～85HRA，在800℃～1000℃时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但是，硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1／8～1／30。因此，硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。

(作者单位：山东省济宁市技术学院)