高速切削刀具材料知识汇总

随着CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，刀具材料也不断更新和发展，高速切削加工已成为现代切削加工中不可缺少的重要手段。高速切削加工的切削速度是常规切削的5～10倍，对刀具材料以及刀具结构、几何参数等都提出了新的要求，尤其是对刀具的材料有更高的要求，高速切削刀具的材料要具有高的强度、韧性和硬度，良好的热稳定性和热硬性、良好的高温力学性能、较小的化学亲合力和耐磨性。这里就针对高速切削的刀具材料和性能及其合理选择措施进行探讨。

高速切削的刀具分类和性能

涂层刀具

涂层刀具是在刀具基体上涂覆硬质耐磨金属化合物薄膜，以达到提高刀具表面的硬度和耐磨性的目的。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷和陶瓷等。涂层刀具可以分成硬涂层刀具和软涂层刀具。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛（TiN）、碳化钛（TiC）、氧化铝（Al2O3）、碳氮化钛（TiCN）、氮化铝钛（TiAlN），碳氮化铝钛（TiAlCN）等。硬涂层刀具的主要特点是硬度高、耐磨性能好。软涂层刀具是以 MoS2和 WS2作为涂层材料的高速钢刀具，软涂层刀具可以减少磨擦，降低切削力和切削温度。涂层可以是单涂层，也可以是双涂层或多涂层，甚至是几种涂层材料复合而成的复合涂层。复合涂层可以是TiC-Al2O3-TiN，TiCN和 TiAlN多元复合涂层，最新又发展了TiN/NbN，TiN/CN等多元复合薄膜。TiN 涂层的硬度高、耐磨性好，TiC涂层与金属的亲合力小，抗氧化性强，TiAlN具有良好的高速切削性能，Al2O3涂层有良好的热稳定性。TiAlN层在高速切削中性能优异，最高切削温度可达800℃。

陶瓷刀具

陶瓷刀具的材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高强度(抗弯强度为750~1000MPa)，耐磨性好，化学稳定性好，抗粘结性能良好，摩擦系数低且价格低廉等优点。不仅如此，陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1200℃时硬度达到HRA80。正常切削时，陶瓷刀具耐用度极高，切削速度可比硬质合金提高2~5倍，。近几年来，由于控制了原料纯度和颗粒尺寸细化，添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善其性能，还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机理的协同作用提高其断裂韧性，不仅使抗弯强度提高到0.9~1.0GPa(高的可达1.3-1.5GPa)，而且断裂韧度和抗冲击性能都有很大提高，应用範围日益扩大，除可用于一般的精加工和半精加工外，也可用于冲击负荷下的粗加工，在国际上公认为是提高生产效率最有潜质的刀具。目前，陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工钢、铸铁及其合金等材料，刀具寿命比硬质合金高几倍、甚至几十倍。与金刚石和CBN（立方氮化硼）等超硬刀具相比，陶瓷的价格相对较低。

金属陶瓷刀具

金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。金属陶瓷刀具的材料主要包括高耐磨性能的TiC基硬质合金(TiC+Ni或Mo)、高韧性的TiC基硬质合金( TiC+TaC+WC)、强韧的TiN基硬质合金和高强韧性的TiCN基硬质合金(TiCN＋NbC)等。这些合金做成的刀具可在υc=300m/min～500m/min范围内高速加工钢和合金钢，精加工铸铁。金属陶瓷可制成钻头、铣刀与滚刀。如日本研制的金属陶瓷滚刀，υc=600m/min，约是硬质合金滚刀的10～20倍，加工表面粗糙度值Rmax为2μm。

立方氮化硼（CBN）刀具

立方氮化硼（CBN）刀具具有较高的硬度，仅次于金刚石（可达8000HV～9000HV），并且热稳定性高（达1250℃～1350℃），对铁族元素化学惰性大，抗粘结能力强，而且用金刚石砂轮即可磨削开刃，故适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难切削材料。由于立方氮化硼（CBN）刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用立方氮化硼（CBN）刀具可以实现以车代磨、以铣代磨，大幅度地提高加工效率。

聚晶金刚石（PCD）刀具

聚晶金刚石（PCD）刀具PCD刀具可实现有色金属、非金属耐磨材料的高速加工。据报导，镶PCD的钻头加工Si-Al则合金的切削速度队达300m/min～400m/min，PCD与硬质合金的复合片钻头加工用Al合金、Mg合金、复合材料FRP、石墨、粉末冶金坯料，与硬质合金刀具相比，刀具寿命提高了65～145倍；采用高强度Al合金刀体的PCD面铣刀加工用合金的速度υc达 3000m/min～4000m/min，有的达到7000m/min。近年来国外研制开发了金刚石薄膜刀具(车铣刀片、麻花钻、立铣刀、丝锥等)，寿命是硬质合合金刀具的10～140倍。

性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具

用高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢和硬质合金制造的齿轮刀具，可用于齿轮的高速切削。用硬质合金粉末和高速钢粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齿轮滚刀，滚切速度可达150m/min～180m/min。进行对TiAlN涂层处理后，可用于高速干切齿轮。用细颗粒硬质合金制造并涂复耐磨耐热及润滑涂层的麻花钻加冷却液加工碳素结构钢和合金钢时，切削速度可达200m/min，干切时切削速度也可达150m/min。用细颗粒硬质合金制成的丝锥加工灰铸铁时，切削速度可达100m/min。

根据加工材料合理选择刀具

如何正确地选择刀具来加工相应工件材料，进而提高加工生产率，降低生产成本，是一个十分重要的问题。每一种刀具材料都有其特定的加工范围，一般而言，CBN、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、涂层刀具适合加工钢铁等黑色金属材料。而PCD刀具适合加工铝、镁、铜等有色金属及其合金和非金属材料的高速加工。

根据上表可以合理地选择合适的刀具材料。陶瓷刀具适用于加工各种铸铁、钢件和镍基高温合金，不同品种和陶瓷刀具有不同的加工范围，Al2O3基陶瓷刀具有良好的耐磨性、耐热性且高温化学稳定性好，可用于对铸铁、钢及其合金的加工。Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热振性好，适于断续加工铸铁和合金铸铁。

金属陶瓷刀具不仅具有陶瓷的硬度，还具有硬质合金的高强度，抗粘结性和耐磨性好，与钢的亲合力小，适合中高速切削模具钢，当切削速度低度于750 m/min时，可对铸铁件进行加工。

金钢石刀具适合加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性比较差，与铁有很强的化学亲合力，所以PCD不适合加工钢铁类材料，金刚石摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好。最适合用于超精密加工非铁金属材料、有色金属和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、粉末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材（尤其是实心木和胶合板等复合材料）。

立方氮化硼刀具适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难切削材料，被加工材料硬度越高越能体现立方氮化硼刀具的优势。国外还研制了CBN含量不同的CBN刀具，以充分发挥CBN刀具的切削性能。据报导， BN-10加工灰铸铁的速度可达2000m/min。

刀具材料的不断更新，使切削加工向着高速和超高速的方面发展，各种刀具材料都与相应的工件材料相匹配，并有着不同的切削速度范围，涂层刀具将会在高速切削领域占主导地位；陶瓷刀具的自身优势将会得到更广泛的发展；CBN和PCD将会在高速切削中占有重要地位，且应用将会越来越广泛。加强高速切削刀具材料的研究和开发，将会对高速切削技术的应用和发展具有重大的意义。

从高速切削机理的研究中我们看到，随着切削速度的提高，金属切除率得到极大的提高，材料的高应变率（在切削速度500m/min时约为1.67×105/s，切削温度达到1400℃）使切屑成形过程以及刀具与工件之间接触面上发生的各种现象都与传统切削条件下的情况不一样。刀具的热硬性和刀具磨损问题成为关键。为了实现高速切削，必须有适合于高速切削的刀具材料和刀具制造技术来支持。

现在使用的金属切削刀具材料可分为九种，包括从切削速度最低、耐磨性能最差的高速钢到高速性能最好的聚晶金刚石刀具。高速切削还需要同时具有韧性好、抗冲击能力强和耐磨性好的刀具材料。

一般来说，性能较低的刀具，如高速钢和非涂层硬质合金，在普通切削加工中应用面广，但高速性能不好。而高性能的刀具，例如聚晶金刚石刀具，是所有刀具材料中最硬的，具有非常高的耐磨性和速度能力，切削热对它几乎没有什么影响，在高速加工有色金属和非金属材料时充分体现出了它的优越性。但是它的抗冲击能力差，在切削钢和铸铁类材料时的热性能很差。因为在高速切削铁质金属时，刀具材料中的碳原子会向工件扩散，引起刀具磨损加剧。

硬质合金刀具的应用量最大，占各种刀具销售额总量的80％。普通速度的金属切削90%采用硬质合金刀具。硬质合金具有比较好的抗冲击韧度，但是高速性能不好。另外，高速切削刀具还要具有极高的热硬性和化学稳定性，这方面硬质合金也不能满足要求。

CBN刀具耐热性极好，可以在高温下切削硬材料，但是价格昂贵，而且不能加工软金属材料。而化学稳定性好的铝基陶瓷材料，正好适合于这种加工，但是缺乏热硬性，不能用于高速加工。

集中不同特性刀具材料的优点，开发新的刀具材料，使之同时具有抗冲击韧度和高的耐磨性，是高速切削刀具研究中要解决的主要问题之一。在具有比较好的杭冲击韧度的刀具基体材料上，用热硬性和耐磨性好的材料进行表面涂层，产生新的刀具，常常具有两种材料的优点，这类刀具在高速切削中具有很大的适用范围。

在这种思想指导下，先后出现了硬质合金涂层刀具、CBN涂层刀具和PCD涂层刀具等复合材料新刀具，以适用于高速切削不同的金属材料。

适用于高速切削的涂层硬质合金刀具，由于使用了耐热性好、硬度高的涂层材料以及多层涂层技术，使涂层硬质合金刀具的切削范围大、寿命长，其切削性能大大优于非涂层硬质合金。因此，涂层硬质合金大有取代普通非涂层硬质合金的趋势。

刀具涂层技术不仅可用存硬后合金刀具上，而且在其他刀具材料上也得到很好的效果，如金属陶瓷、陶瓷等。

陶瓷刀具也是可以用于高速切削的刀具，是近年来刀具材料研究发展的一个重要组成部分。晶须增强陶瓷刀具是一种特殊材料的刀具，由于它具有抗冲击韧度好、抗热冲击性能强的特点，很适合于高速加工。

高速切削刀具要解决的另一个问题是在刀片上磨出或压出一定几何形状的断屑槽，以便实现断屑和控制切屑方向，这也是提高加工效率和提高刀具耐用度的重要技术。

高速切削刀具应该具有优良的抗冲击韧度和抗热冲击性能，更好的耐热性、耐磨性和化学稳定性，以及更好的断屑效果，并适应于更大的金属切削范围。

高速切削发展趋势

高速切削的发展趋势主要有：

(1)开发和研制新一代高速大功率机床，进一步改善和提高主轴性能。

(2)新型高耐磨、耐热刀具材料有待开发，高速刀具结构有待进一步完善。因为高速切削刀具直接决定高速切削的效益、质量和安全，是推广和实施高速切削技术的基础。

(3)开发推广干切削和硬切削新工艺。近几年，国外在发展高速切削的过程中已开发和应用了干切削和硬切削(即切削淬硬工件)新工艺。由于千切削有保护环境的作用，硬切削能代替磨削提高工效的作用，而得到了新的发展、但这两种切削都要求高性能的刀具材料。

因此，不难而知，高速切削刀具材料，将在我国的社会主义事业建设中，占有不可替代的作用。

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