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cyqdesign

2008-03-16 14:01

高速切削刀具材料的進(jìn)展和未來

1 概況

機(jī)械加工發(fā)展的總趨勢是高效率、高精度、高柔性和強(qiáng)化環(huán)境意識。在機(jī)械加工領(lǐng)域，切(磨)削加工是應(yīng)用最廣泛的加工方法。高速切削是切削加工的發(fā)展方向，已成為切削加工的主流。它是先進(jìn)制造技術(shù)的重要共性關(guān)鍵技術(shù)。推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)將大幅度提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量并降低成本。高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用決定于機(jī)床和刀具技術(shù)的進(jìn)步，其中刀具材料的進(jìn)步起決定性的作用。研究表明，高速切削時，隨著切削速度的提高，切削力減小，切削溫度上升很高，達(dá)到一定值后上升逐漸趨緩。造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機(jī)械摩擦、粘結(jié)、化學(xué)磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等磨損和破損，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時的力學(xué)性能、熱物理性能、抗粘結(jié)性能、化學(xué)穩(wěn)定性(氧化性、擴(kuò)散性、溶解度等)和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等。基于這一要求，近20多年來，發(fā)展了一批適于高速切削的刀具材料，可在不同切削條件下，切削加工各種工件材料。目前，可以2500～5000m/min的高速切削鋁合金(Si含量≤12%，大于12%的為500～1500m/min)：以500～1500m/min切削鑄鐵：300～1000m/min切削鋼：100～400m/min切削淬硬鋼、耐熱合金：90～200m/min切削鈦合金等。當(dāng)然人們還期待著以超高切削速度進(jìn)行加工而獲得更好的效果。

2 國外高速切削刀具材料的進(jìn)展和應(yīng)用

高速切削時，對不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件，才能獲得最佳的切削效果。據(jù)此，針對目前生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的鋁合金、鑄鐵、鋼及合金和耐熱合金等的高速切削，已發(fā)展的刀具材料主要有：金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂層刀具和TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具(金屬陶瓷)等。

1) 金剛石刀具

金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度和導(dǎo)熱系數(shù)。但由于價格昂貴，加工、焊接都非常困難，除少數(shù)特殊用途外(如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工)，很少作為切削工具應(yīng)用在工業(yè)中。隨著高技術(shù)和超精密加工日益發(fā)展，例如微型機(jī)械的微型零件，原子核反應(yīng)堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域的各種反射鏡、導(dǎo)彈或火箭中的導(dǎo)航陀螺，計算機(jī)硬盤芯片、加速器電子槍等超精密零件的加工，單晶天然金剛石能滿足上述要求。近年來開發(fā)了多種化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣氛釬焊金剛石技術(shù)，使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡易，因此，在超精密鏡面切削的高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，天然金剛石起到了重要作用。

20世紀(jì)50年代利用高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石粉以后，70年代制造出金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石(PCD)，PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度(8000～12000HV)和導(dǎo)熱性，低的熱脹系數(shù)，高的彈性模量和較低的摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利。它可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。PCD刀具所含金剛石晶粒平均尺寸不同，對性能產(chǎn)生的影響也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，則刃口質(zhì)量越好。例如，選用晶粒尺寸10～25µm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速粒尺寸8～9µm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金：晶粒尺寸4～5µm的PCD加工塑料、木材等。而超精密加工，則應(yīng)選用晶粒尺寸小的PCD刀具。通常PCD刀具是燒結(jié)成金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合刀片焊接在刀體上使用。利用超高壓裝置，在5～6萬個大氣壓，1400～1600℃的高溫下，可人工合成形狀整齊、雜質(zhì)非常少的單晶金剛石，質(zhì)量均勻穩(wěn)定，結(jié)晶面非常清晰，識別容易。它具有所有物質(zhì)中最高的導(dǎo)熱率及與天然金剛石同等以上的強(qiáng)度。目前最大尺寸可達(dá)8mm。這種單晶金剛石的尺寸、形狀和性能的良好一致性，在天然金剛石產(chǎn)品中是不可能實現(xiàn)的。它具有比PCD更好的耐磨性。PCD的耐磨性超過700℃時會減弱，因其結(jié)構(gòu)中含有金屬Co，它會促進(jìn)“逆向反應(yīng)”即由金剛石向石墨轉(zhuǎn)變。但有較好的斷裂韌性，可以進(jìn)行斷續(xù)切削。例如，可以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。當(dāng)前，人工合成單晶金剛石刀具材料的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，其新應(yīng)用領(lǐng)域是木材加工業(yè)。對表面有氧化鋁涂層的高耐磨層狀木地板需求量越來越大。加工時，木板耐磨層會引起刃口鈍化，導(dǎo)致氧化鋁耐磨層碎裂，必須經(jīng)常磨刀或更換刀片，而人工單晶金剛石性能顯著優(yōu)于PCD刀具。

目前正在研究和開發(fā)化學(xué)氣相沉積CVD金剛石，沉積出的是交互生長極好的PCD，呈柱狀結(jié)構(gòu)且非常致密。隨著生長條件的不同，CVD金剛石也呈現(xiàn)不同的晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)，它不需金屬催化劑，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可選擇不同的CVD沉積工藝以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的PCD。作為刀具的CVD金剛石因其應(yīng)用不同，要求有多種不同的晶粒尺寸。CVD金剛石制成兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30µm的薄層膜(CVD薄膜)：另一種是沉積厚度達(dá)1mm的無襯底的金剛石厚層膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金剛石應(yīng)用不多。

CVD厚膜可以通過特殊的但簡易可行的技術(shù)釬焊在基體上，但要保證釬焊點的強(qiáng)度。它與PCD相比，熱穩(wěn)定性好但脆性較高，且不導(dǎo)電。不能用于放電加工(EDM)技術(shù)中。CVD厚膜金剛石在木材加工刀具和修整刀具中得到推廣應(yīng)用。由于CVD厚膜金剛石的高純度和高的耐磨性和熱穩(wěn)定性，在高耐磨性材料的高速切削加工領(lǐng)域具有很大的潛力。目前可用于EDM切削的CVD厚膜金剛石刀具材料也已制造成功，還有待于繼續(xù)試驗和評價。CVD厚膜金剛石目前的成本較高，隨著技術(shù)的發(fā)展，成本逐漸降低，它將是PCD有力的競爭對手。