機械加工中如何選擇刀具材料

　　隨著科學技術的發展，對鋼鐵材料的加工也提出了越來越高的要求，如何正確選擇刀具材料進行切削加工，以提高切削加工生產率、降低加工成本、減小資源消耗以及防止切削加工對工件材料物理性能的影響是一個需要高度重視的問題。
　　
　　*以來機械加工選擇刀具材料的方式以傳統的試切法和參照以往經驗為主。在用試切法加工某一新型材料時，往往需要使用多種刀具材料進行重復切削試驗，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，通過比較從中選擇*的刀具材料。這種方法盲目性大，造成人力、財力、刀具和材料的大量浪費。而根據經驗選擇刀具，往往不能選擇到*刀具材料，造成切削加工生產率低下、切削加工成本增加、刀具材料資源（尤其是一些貴重的合金元素）浪費嚴重。每一品種的刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應一定的工件材料相切削速度范圍。不同的刀具或同種刀具加工不同的工件材料時刀具壽命往往會存在很大的差別，每一品種的刀具持有其*加工對象，即存在切削刀具與加工合理匹配問題，兩者的力學性能、物理性能和化學性能的匹配，以獲得較長的刀具壽命和較高的切削加工生產率。結合筆者已進行的研究，下面對切削刀具與加工對象的合理匹配進行評述。
　　
　　1力學性能的匹配
　　
　　切削刀具與加工對象的力學性能匹配主要是指刀具與工件材料的強度、韌性及硬度等力學性能參數應相互匹配。不同力學性能的刀具（如高速鋼刀具、硬質合金刀具和超硬刀具等）所適合加工的工件材料有所不同約材料有所不同。通常，刀具材料的硬度必須高。通常，刀具材料的硬度，刀具硬度一般要求在60HRC以上。高硬度的工件材料必須用更高硬度的刀具來加工，具體的刀具材料參數見表1。
　　　　為了提高切削加工生產率，一般采用高速切削加工。高速切削采用的切削速度比常規切削高出幾倍甚至十幾倍，因此切削溫度很高。可是刀具材料隨著溫度的升高，強度和硬度會下降。為此，高速切削時要求刀具材料不僅要有良好的室溫力學性能，還應具有優異的高溫力學性能，且其高溫力學性能比室溫力學性能更為重要。各種刀具材料的硬度隨溫度的變化見圖1。
　　
　　2物理性能的匹配
　　
　　切削刀具與加工對象的物埋性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點、彈性模量、導熱系數、熱膨脹系數相抗熱沖擊性能等物埋性能參數應相互匹配。具有不同物埋性能的刀具（如高導熱和低熔點的高速鋼刀具、高熔點和低熱脹的陶瓷刀具、高導熱和低熱脹的金剛石刀具等）所適合加工的工件材料有所不同。加工導熱性差的工件時，應采用導熱性較好的刀具，以使切削熱可迅速傳出而降低切削溫度。穿衣搭配瘦臉日霜**粉底液哪個牌子好化妝水全身防曬哪種好品牌吸油面紙什么牌子好
　　
　　如金剛石的導熱系數為硬質合金的1.5~9倍，為銅的2-6倍，由于導熱系數及熱擴散率高，切削熱容易散出，故刀具切削部分溫度低。金剛石的熱膨脹系數比硬質合金小幾倍，約為高速鋼的1/10，因此金剛石刀具不會產生很大的熱變形，這對尺寸精度要求很高的精密加工刀具來說尤為重要。立萬氮化硼（CBN）的導熱性雖不及金剛石，但卻大大高于高速鋼和硬質合金。隨切削溫度的提高，CBN刀具的導熱系數逐漸增加，可使刀尖處切削溫度降低，減少刀具的擴散磨損并有利于高速精加工時加工精度的提高。CBN的耐熱性可達到1400-1500C，比金剛石的耐熱性（700-800C）幾乎高一倍。
　　
　　由于高速切削的切削速度比常規切削時高幾倍甚至十幾倍，切削溫度很高，因此高速切削刀具的失效主耍取決于刀具材料的熱性能（包括刀具的熔點、耐熱性、抗氧化性、高溫力學性能和抗熱沖擊性能等）。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金屬的zui高切削速度主要受限于刀具材料的耐熱性，因此要求刀具材料的熔點高、導熱性好、氧化溫度高、耐熱性好及抗熱沖擊性強。如高速加工鋼和鑄鐵等黑色金屬時，zui高切削速度只能達到加工鋁合金時的1/3-1/5，其原因是切削熱易使刀尖發生熱破損。在高速切削低導熱性及高硬度材料（如鈦合金和耐熱鎳基合金、高硬度合金鋼等）時，易形成鋸齒狀切屑，而高速銑削過程中則會產生厚度變化的斷續切屑，它們都會導致刀具內的熱應力發生高頻率的周期變化，從而加速刀具的磨損。
　　
　　3化學性能的匹配
　　
　　刀具的磨損是機械磨損和化學磨損綜合作用的結果。機械磨損主要包括磨料磨損、粘著磨損、塑性磨損和微觀斷裂等。化學磨損主要是指在高溫下刀具材料的組分與工件材料發生的化學反應、化學溶解以及刀具與工件間元素的擴散等。已有的研究表明:刀具切削加工時的磨損與所加工的工件材料和切削條件密切相關，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時，自主導地位的磨損機制有所不同。
　　
　　如在低速切削時由于溫度較低，其磨損機制往往表現為磨料磨損;而在高速切削時高溫引起的化學反應、氧化磨損相擴散磨損則自主導地位。由于在高溫下工件材料硬度有所下降，圓而磨料磨損逐漸減小如圖2所示。
　　
　　化學磨損與切削溫度T密切相關，其表達式為:
　　
　　切削刀具與加工對象的化學性能匹配主要是指刀具與工件材料的化學親和性、化學反應、擴散、粘著和溶解等化學性能參數應相互匹配。具有不同組分的刀具（如高速鋼刀具、硬質合金刀具相超硬刀具等）所適合加工的工件材料有所不同。當刀具與工件中的元素化學親和性強（易產生化學反應、相互粘著或擴散）時，應設法回避。如含有SIC顆粒或SIC晶須的刀具材料在加工鎳基合金時表現出優良的切削性能，但在加工鋼件時刀具材料卻發生急劇磨損。這是因為SIC很容易在切削高溫作用下與工件材料中的鐵產生化學反應，其反應式為:4Fe+SIC→FeSi+Fe3c。
　　
　　如陶瓷的化學惰性大于TIC和wC。即使在熔化溫度時，Ai2O3，與鋼也不起化學反應。因此，切削加工鋼件時，Ai2O3，陶瓷刀具的擴散磨損很小。另外，Ai2O3，陶瓷中含有鋁元素，因此Ai2O3，陶瓷刀具在加工鋁及鋁合金時存在較大化學親和力，很容易出現較大的粘著磨損相擴散磨損。因此應避免用此類刀具加工鋁、鈦及其合金。
　　
　　Si3N4基陶瓷刀具高速切削碳鋼時主要發生化學磨損。化學磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所由比例一般并不大，但化學磨損的重要作用在于它能大大加劇機械磨損，如化學溶解及擴散作用會引起陶瓷表面強度減弱，加劇刀具與工件間的粘著，從而導致嚴重的粘著磨損和微觀斷裂磨損。
　　
　　金剛石刀具切削溫度達到800C時就會失去其硬度;金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料因為金剛石與鐵族元素之間有很強的化學親和力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉化為石墨結構，刀具極易損壞。
　　
　　4結束語
　　
　　切削刀具與加工對象的力學性能匹配主要是指刀具與工件材料的強度、韌性和硬度等力學性參數應相互匹配。切削刀具與加工對象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點、彈性模量、導熱系數、熱膨脹系數及抗熱沖擊性能等物理性能參擻應相互匹配。切削刀具與加工對象的化學性能匹配主要是指刀具與工件材料化學親和性、化學反應、擴散、粘著和溶解等化學性能參數應相互匹配。在實際應用中，應根據所加工的工件材料選擇相互匹配的刀具料。