機(jī)械加工中如何選擇刀具材料

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼鐵材料的加工也提出了越來(lái)越高的要求，如何正確選擇刀具材料進(jìn)行切削加工，以提高切削加工生產(chǎn)率、降低加工成本、減小資源消耗以及防止切削加工對(duì)工件材料物理性能的影響是一個(gè)需要高度重視的問題。
　　
　　*以來(lái)機(jī)械加工選擇刀具材料的方式以傳統(tǒng)的試切法和參照以往經(jīng)驗(yàn)為主。在用試切法加工某一新型材料時(shí)，往往需要使用多種刀具材料進(jìn)行重復(fù)切削試驗(yàn)，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，通過(guò)比較從中選擇*的刀具材料。這種方法盲目性大，造成人力、財(cái)力、刀具和材料的大量浪費(fèi)。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇刀具，往往不能選擇到*刀具材料，造成切削加工生產(chǎn)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(fèi)嚴(yán)重。每一品種的刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應(yīng)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(shí)刀具壽命往往會(huì)存在很大的差別，每一品種的刀具持有其*加工對(duì)象，即存在切削刀具與加工合理匹配問題，兩者的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能的匹配，以獲得較長(zhǎng)的刀具壽命和較高的切削加工生產(chǎn)率。結(jié)合筆者已進(jìn)行的研究，下面對(duì)切削刀具與加工對(duì)象的合理匹配進(jìn)行評(píng)述。
　　
　　1力學(xué)性能的匹配
　　
　　切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性及硬度等力學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。不同力學(xué)性能的刀具（如高速鋼刀具、硬質(zhì)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(lái)加工，具體的刀具材料參數(shù)見表1。
　　　　為了提高切削加工生產(chǎn)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(guī)切削高出幾倍甚至十幾倍，因此切削溫度很高?？墒堑毒卟牧想S著溫度的升高，強(qiáng)度和硬度會(huì)下降。為此，高速切削時(shí)要求刀具材料不僅要有良好的室溫力學(xué)性能，還應(yīng)具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，且其高溫力學(xué)性能比室溫力學(xué)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(duì)象的物埋性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)相抗熱沖擊性能等物埋性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。具有不同物埋性能的刀具（如高導(dǎo)熱和低熔點(diǎn)的高速鋼刀具、高熔點(diǎn)和低熱脹的陶瓷刀具、高導(dǎo)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(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)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(gè)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(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5~9倍，為銅的2-6倍，由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)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(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10，因此金剛石刀具不會(huì)產(chǎn)生很大的熱變形，這對(duì)尺寸精度要求很高的精密加工刀具來(lái)說(shuō)尤為重要。立萬(wàn)氮化硼（CBN）的導(dǎo)熱性雖不及金剛石，但卻大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。隨切削溫度的提高，CBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加，可使刀尖處切削溫度降低，減少刀具的擴(kuò)散磨損并有利于高速精加工時(shí)加工精度的提高。CBN的耐熱性可達(dá)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(guī)切削時(shí)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(diǎn)、耐熱性、抗氧化性、高溫力學(xué)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(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、氧化溫度高、耐熱性好及抗熱沖擊性強(qiáng)。如高速加工鋼和鑄鐵等黑色金屬時(shí)，zui高切削速度只能達(dá)到加工鋁合金時(shí)的1/3-1/5，其原因是切削熱易使刀尖發(fā)生熱破損。在高速切削低導(dǎo)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(shí)，易形成鋸齒狀切屑，而高速銑削過(guò)程中則會(huì)產(chǎn)生厚度變化的斷續(xù)切屑，它們都會(huì)導(dǎo)致刀具內(nèi)的熱應(yīng)力發(fā)生高頻率的周期變化，從而加速刀具的磨損。
　　
　　3化學(xué)性能的匹配
　　
　　刀具的磨損是機(jī)械磨損和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果。機(jī)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?；瘜W(xué)磨損主要是指在高溫下刀具材料的組分與工件材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)溶解以及刀具與工件間元素的擴(kuò)散等。已有的研究表明:刀具切削加工時(shí)的磨損與所加工的工件材料和切削條件密切相關(guān)，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時(shí)，自主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制有所不同。
　　
　　如在低速切削時(shí)由于溫度較低，其磨損機(jī)制往往表現(xiàn)為磨料磨損;而在高速切削時(shí)高溫引起的化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損相擴(kuò)散磨損則自主導(dǎo)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(xué)磨損與切削溫度T密切相關(guān)，其表達(dá)式為:
　　
　　切削刀具與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、粘著和溶解等化學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。具有不同組分的刀具（如高速鋼刀具、硬質(zhì)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(dāng)?shù)毒吲c工件中的元素化學(xué)親和性強(qiáng)（易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、相互粘著或擴(kuò)散）時(shí)，應(yīng)設(shè)法回避。如含有SIC顆?；騍IC晶須的刀具材料在加工鎳基合金時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，但在加工鋼件時(shí)刀具材料卻發(fā)生急劇磨損。這是因?yàn)镾IC很容易在切削高溫作用下與工件材料中的鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式為:4Fe+SIC→FeSi+Fe3c。
　　
　　如陶瓷的化學(xué)惰性大于TIC和wC。即使在熔化溫度時(shí)，Ai2O3，與鋼也不起化學(xué)反應(yīng)。因此，切削加工鋼件時(shí)，Ai2O3，陶瓷刀具的擴(kuò)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(shí)存在較大化學(xué)親和力，很容易出現(xiàn)較大的粘著磨損相擴(kuò)散磨損。因此應(yīng)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(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損。化學(xué)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(xué)磨損的重要作用在于它能大大加劇機(jī)械磨損，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會(huì)引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘著，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘著磨損和微觀斷裂磨損。
　　
　　金剛石刀具切削溫度達(dá)到800C時(shí)就會(huì)失去其硬度;金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料因?yàn)榻饎偸c鐵族元素之間有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極易損壞。
　　
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　
　　切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性參數(shù)應(yīng)相互匹配。切削刀具與加工對(duì)象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及抗熱沖擊性能等物理性能參擻應(yīng)相互匹配。切削刀具與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、粘著和溶解等化學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)所加工的工件材料選擇相互匹配的刀具料。