高速切削加工用刀具材料的研究

重庆交通大学 机电与车辆工程学院 重庆 400074

1 高速切削加工概述

高速切削加工是集高效、优质、低耗于一体的先进制造技术,具有材料切除率高、加工精度高、成本低、可加工难加工材料等优点[1],解决了常规切削加工一些无法解决的加工问题。随着现代科技的发展,高速切削加工技术被广泛应用,加工效率也不断提高。目前,高速切削加工主要分为高主轴转速切削加工、高效率切削加工和高速大进给切削加工[2-3]。

2 刀具材料要求

刀具作为切削加工的重要工具,对加工技术的发展起着重要的作用。刀具材料的各项性能指标决定了刀具的加工能力、加工性能和工件的加工表面质量。刀具材料种类较多,主要有高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料等[4]。

主要根据加工强度和性能要求选择刀具材料。

(1) 高硬度、高韧性。刀具材料要求能够在高速加工过程中承受所产生的较大冲击和振动,且不发生崩刃或断裂。高硬度保证刃口锋利,可以提高工件的表面加工质量。高韧性保证刀具能够承受高速加工过程中所产生的切削力。

(2) 高耐热性。耐热性是衡量刀具材料切削性能的重要指标之一,用于表征材料在高温下保持自身硬度的性能。高速加工过程中往往会产生高温,这就要求刀具具有在高温下正常工作的能力。

(3) 高耐磨性。耐磨性表征材料抵抗磨损的能力,通常硬度较高的材料,耐磨性也较好。在高速加工过程中,抵抗磨损的能力越强,刀具的使用寿命就越长。

(4) 抗热冲击性。高速切削加工是高速转动的过程,在加工过程中会产生较高的温度,这就要求刀具材料具有良好的抗热冲击性,以及与工件接触时的抗断裂和塑性变形能力[5]。

(5) 良好工艺性。为了便于制造刀具,要求刀具材料具有足够的可加工性和热处理性,如良好的淬透性、淬火变形小等。对于超硬材料刀具,如天然金刚石刀具,可加工工艺性较差,不能加工出切屑槽,因此不能用于粗加工,但可以用于精密、超精密加工。

(6) 良好经济性。成本过高的刀具材料不能得到广泛应用,如天然金刚石材料,虽然硬度超强,是目前已知的自然界最硬材料,但由于原料难以获得,且成本高,因此无法广泛应用,仅用于精密、超精密加工。一些领域现已采用替代品进行加工,如合成金刚石刀具,尽管硬度低于天然金刚石刀具,但是成本相对较低,原料容易获得,因此在汽车、航空等行业得到广泛应用。

(7) 材料获得和加工环境友好性。随着社会的发展,环保意识不断提高,选择刀具材料时应该考虑刀具材料获得时是否环境友好,已经使用这种材料的刀具进行加工时是否会对环境产生破坏。在可以选择的前提下,尽可能选择环境友好的刀具材料。

对于刀具材料,主要通过研究镀膜方法和镀膜材料,提高切削加工时刀具的抗磨损性能[6-7]。

3 硬质合金刀具

硬质合金刀具根据碳合物钨基可以分为钨钴类、钨钴钛类和添加稀有碳化物类[8]。目前,为了满足高速切削加工对刀具的要求,对刀具进行了表面镀膜,以改善硬质合金刀具的力学性能。根据是否镀膜,可以将硬质合金刀具分为镀膜硬质合金刀具和未镀膜硬质合金刀具。

文献[9]对钨钴类硬质合金刀具的性能进行了试验,基于酸蚀速度对刀具材料钴的渗透深度进行分析,并进行对比研究。文献[10]基于最小微量润滑条件对硬质合金刀具加工钛合金材料进行磨损形貌和机理研究,并与干切削情况进行对比。研究结果表明,在最小微量润滑条件下,硬质合金刀具磨损情况有所改善。在加工钛合金材料时,采用涂层刀具能够更有效地减少磨损,延长刀具使用寿命。文献[11]对硬质合金刀具的磨损形式进行研究,认为硬质合金刀具的主要失效形式为前刀面塌陷、剥落和崩刃,后刀面沟槽磨损、微崩刃和崩刃。硬质合金刀具主要以粘结磨损为主,相比有切削液的情况,干切削情况下耐用度较好,使用寿命较长[12]。

4 金刚石刀具

金刚石是碳的同素异构体,是目前已知的自然界中最硬的材料。金刚石为单一碳原子晶体结构,属于等轴面心立方晶系,且晶体间通过sp3杂化共价键连接。金刚石晶体具有超强的方向性、结合力和稳定性,因此,金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性、高热导性和强抗腐蚀性。金刚石刀具在加工过程中温度明显较低,加工精度明显提高[13]。金刚石刀具主要用于加工有色金属和非金属材料,目前在铝和硅铝合金的高速切削加工中广泛应用[14]。

金刚石刀具分为单晶金刚石刀具和多晶金刚石刀具。天然单晶金刚石刀具用于超精密切削,切削对象包括紫铜及铜合金,以及金、银、铑等贵重有色金属。天然单晶金刚石刀具也可以用于特殊零件的超精密镜面加工。天然单晶金刚石基于无晶界特点,使刃口达到理论上的原子级平滑度和锋利度,切削时精度高、切薄能力强。天然单晶金刚石具有超硬特性与稳定的化学性能,保证了天然单晶金刚石刀具的耐用度和使用寿命[15]。人造单晶金刚石刀具的性能差于天然单晶金刚石刀具,但仍然强于大多数材料的刀具,且性能稳定、精度高。人造单晶金刚石相比天然单晶金刚石容易获得,成本低。目前,人造单晶金刚石刀具在市面上得到了广泛使用。

多晶金刚石刀具分为聚晶金刚石刀具和化学气相沉积金刚石刀具。聚晶金刚石刀具主要用于有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料、复合材料等的切削加工,性能优于硬质合金刀具。聚晶金刚石刀具的硬度低于单晶金刚石刀具,但克服了单晶金刚石各向异性的弱点,具有各向同性,且具有导电性,易于加工成型,使用时不需考虑方向。聚晶金刚石刀具还具有材料容易获得、加工成本低等优点,得到广泛使用。但是,目前聚晶金刚石刀片还不能加工出短屑槽,所以只能用于精切削,且不能用于高精度和超高精度镜面切削。化学气相沉积金刚石刀具由于材料性能与天然单晶金刚石相近,因此在工业上常作为天然单晶金刚石刀具的替代品使用,可以降低成本。

5 陶瓷刀具

陶瓷刀具根据成分主要分为氧化铝基陶瓷刀具和氮化硅基陶瓷刀具两类[16]。与硬质合金刀具相比,陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐热性、化学稳定性、抗弯强度、断裂韧性及弹性模量等都远远优于硬质合金刀具[17]。同时,陶瓷材料与金属的亲和力极弱,在熔融状态下,基本不与金属发生反应,所以在加工过程中粘结、扩散、氧化、磨损等情况极少发生。陶瓷刀具要求具有较低的摩擦因数,切削力小,能够保证工件具有良好的表面粗糙度[18]。

氧化铝基陶瓷刀具具有高硬度、高耐磨性和高温稳定性等特点,主要用于加工各种铸铁和钢料,也可用于铜合金、石墨、工程塑料和复合材料的加工[19]。氧化铝基陶瓷与铝元素具有较强的化学亲和作用,因此氧化铝基陶瓷刀具不能用于加工钛合金和铝合金。氧化铝基陶瓷脆性大,强度与抗热振性差,因此氧化铝基陶瓷刀具在热冲击和振动情况下,容易产生崩刃等现象。通常情况下,会在氧化铝基体的基础上采用气相沉积法附着一层涂层,以提高刀具的切削性能[20]。

氮化硅基陶瓷刀具目前以传统烧结方式为主进行制备[21],其加工范围与氧化铝基陶瓷刀具相近,不同之处在于不能用于加工灰铸铁和加工过程中伴有长屑产生的钢材。

6 立方氮化硼刀具

立方氮化硼的性质与形状类似于石墨,其原料为六方氮硼,硬度仅次于金刚石,热稳定性和化学稳定性则强于金刚石。对于淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料,立方氮化硼刀具以正常切削速度进行加工。聚晶立方氮化硼刀具具有加工效率高、耗时短、所加工产品表面粗糙度好等优点,加工工程中由于无需冷却液,因此对环境友好[22]。聚晶立方氮化硼基于立方氮化硼微粉,采用结合剂在高温高压下烧结而成。通常采用的结合剂有金属结合剂、金属陶瓷结合剂和陶瓷结合剂。文献[23]同时使用铝和有机聚硅氮烷作为结合剂,烧结聚晶立方氮化硼,结果表明使用复合结合剂制备聚晶立方氮化硼,相对密度、硬度和抗弯强度均有所提高。

立方氮化硼刀具相比硬质合金刀具,切削速度提高,工件加工时间缩短。在高速切削化学活性材料和高硬度材料时,切削力小,加工过程中不产生积屑瘤,耐用度是硬质合金刀具的十倍以上。与金刚石刀具相比,立方氮化硼刀具耐磨性较低,但由于材料与铁元素的亲和作用较差,因此更适用于加工黑色金属。与陶瓷刀具相比,立方氮化硼刀具抗冲击能力更强,耐用度更优。陶瓷刀具通常适用于粗加工,立方氮化硼刀具适用于精加工,两者可以互补应用[24]。

7 未来发展

刀具材料的发展对于高速切削加工技术的发展具有重要意义[25]。随着各种精密、超精密加工的开展,对于刀具材料的性能提出了更高的要求。涂层材料与涂层方法的进步,不仅能够有效改善刀具性能,延长刀具使用寿命,提高工件加工精度,而且能够降低生产成本。另一方面,深入对复合结合剂进行研究,可以促进新型刀具的发展[26-27]。对现有技术,如纳米技术、激光技术等进行统筹和结合,采用现代计算机辅助工程技术对刀具进行仿真,同样可以加快刀具材料的研究进程。