高速切削刀具材料及其應(yīng)用
高速切削技術(shù)是一種新型的加工制造技術(shù)，其通過快速的加工過程縮短機(jī)具或零件加工的時間，從而降低加工成本，同時高速切削技術(shù)具有精度高的特點(diǎn)，因此很適合對精度要求高的零部件加工，企業(yè)通過引進(jìn)高速切削技術(shù)大大提高了生產(chǎn)效率，從而提高企業(yè)的市場競爭力。對于高速切削技術(shù)來說，刀具是其核心組成部分，是在高速切削過程中與被加工材料直接接觸的部分，因此其性能好壞直接影響切削的效果。適用于高速切削的刀具材料有很多，如金剛石、氮化硼、硬質(zhì)合金、陶瓷材料等，但每種材料都有各自適合的應(yīng)用領(lǐng)域，并且隨著新材料的不斷出現(xiàn)，能夠用于高速切削刀具的材料也越來越多，這為提高切削速度和精度提供了材料基礎(chǔ)。
1 硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘接金屬通過粉末冶金工藝制程的合金材料，具有硬度高、耐熱等特點(diǎn)，在實(shí)際中可用于切削鑄鐵、玻璃、普通石材、不銹鋼、有色金屬等材料，但這種材料隨著人們對切削工藝要求的不斷提高已經(jīng)不適合單獨(dú)作為刀具材料。
2 硬質(zhì)合金改性材料
2. 1 硬質(zhì)合金摻雜材料
隨著切削技術(shù)的發(fā)展，單一的硬質(zhì)合金刀具無論是在硬度、耐磨性還是熱硬性上都顯得力不從心，因此人們通過向硬質(zhì)合金中添加鎳、鈷、碳化鎢等材料對其進(jìn)行摻雜改性，研究發(fā)現(xiàn)改性后的硬質(zhì)合金硬度、抗氧化性、耐磨性、熱硬性等方面的性能都得到了不同程度的改善，而對于常用的碳化鈦基硬質(zhì)合金來說，向其中添加氮化物后材料的性能更是得到了大幅度的提升，但這種材料不適合加工超高溫金屬以及高溫合金、有色金屬等。
2. 2 涂層硬質(zhì)合金材料
鑒于普通硬質(zhì)合金性能不足以滿足現(xiàn)代高速切削的要求，而在硬質(zhì)合金刀具表面涂覆一層或若干層其他硬度高、耐磨性好、潤滑性好、難熔的物質(zhì)可使其性能得到很好的改善，從目前的研究來看，可用于硬質(zhì)合金刀具涂層的材料有碳化鈦、氧化鋁、金剛石、納米材料等。
其中碳化鈦單涂層可在一定程度上增加刀具硬度，增加刀具切削速度，且導(dǎo)熱系數(shù)高， 二氧化鋁涂層的耐氧化性更強(qiáng)，更耐磨，單導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中常常將這兩種材料或者再與第三種材料組成多涂層，取各自材料的優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高刀具的切削性能。
金剛石涂層是利用化學(xué)氣相沉積法在硬質(zhì)合金刀具表面形成一薄層的金剛石薄膜，從而使普通硬質(zhì)合金刀具具備金剛石材料的性質(zhì)，無論是硬度還是穩(wěn)定性上都大幅度提升，而且成本上來說要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金剛石材料的刀具，因此應(yīng)用前景較為廣闊，可用于有色金屬及纖維材料的切割等。納米材料涂層是采用多種不同的納米級高性能材料制成涂層涂覆于硬質(zhì)合金刀具的表面，通過不同納米材料的組合來達(dá)到不同的性能指標(biāo)，較為靈活，是近年才流行起來的涂層技術(shù)，可用于高速切割領(lǐng)域，但整體上來處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。
3 陶瓷材料
陶瓷材料被認(rèn)為是一種較為先進(jìn)的高速切削刀具材料，其具有硬度高、耐磨性好、與金屬親和力小、化學(xué)穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，并且在高溫下高速切削時切屑依然能夠與刀具實(shí)現(xiàn)較好的分離，再加上陶瓷良好的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致不易發(fā)生切削事故，且在切削過程中被加工零件的加工面粗糙度較小，可實(shí)現(xiàn)以車代磨，只通過車床一道工序就完成了車、磨兩道工序的工作，因此對簡化工藝路線、縮短加工時間具有十分重大的意義。在實(shí)際工作中，陶瓷刀具材料常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅陶瓷等。
3. 1 氧化鋁基陶瓷材料
氧化鋁基陶瓷包括氧化鋁陶瓷、氧化鋁 - 碳化物陶瓷、氧化鋁 - 金屬陶瓷、氧化鋁 - 金屬 -
碳化物陶瓷等。氧化鋁陶瓷是以氧化鋁陶瓷為主，為增強(qiáng)其抗彎強(qiáng)度向其中添加氧化鎳等物質(zhì)的陶瓷，高溫性能較好，一般用于冷硬鑄鐵、淬火鋼等硬脆材料的高速切削，加工精度較高。而為了提高其抗彎性能、硬度以及韌性等一般采用向氧化鋁陶瓷內(nèi)單獨(dú)添加金屬、碳化物、氮化物或幾種物質(zhì)的混合物而形成陶瓷材料，其中氧化鋁
- 金屬 - 碳化物陶瓷的熱穩(wěn)定性最好，硬度最高，可廣泛用于合金鋼、淬硬鋼、鑄鋼、鎳鉻合金等金屬材料以及纖維玻璃等非金屬材料的加工。
3. 2 氮化硅陶瓷材料
與氧化鋁基陶瓷相比，氮化硅基陶瓷具有較高的強(qiáng)度、斷裂韌度和抗熱震性能，較低的熱脹系數(shù)、楊氏模量和化學(xué)穩(wěn)定性。與鑄鐵不易發(fā)生粘結(jié)，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要用來高速加工鑄鐵。
4 金剛石材料
金剛石具有硬度極高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，常被任務(wù)是用于鉆探用鉆頭的最佳材料，
由于其優(yōu)異的性能，使之在高速切削刀具材料中也具有十分廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)實(shí)生活中可用作刀具的金剛石有天然金剛石、人工合成單晶金剛石、聚晶金剛石和化學(xué)氣相沉積金剛石涂層刀具等，其中金剛石涂層刀具已經(jīng)在前文中談到。
天然金剛石刀具無論是耐磨性還是硬度都具備成為最佳刀具的潛質(zhì)，且加工精度超高，可用于精密儀器、零部件的加工，如光學(xué)鏡面、芯片等，但天然金剛石也是當(dāng)前最為昂貴的一種刀具材料。
單晶金剛石是由人工在一定溫度、壓力等條件下合成的金剛石，因此比天然金剛石的加工低廉很多， 其化學(xué)穩(wěn)定性好，尺寸和形狀容易控制，在機(jī)械加工、電子電路板、光學(xué)玻璃以及耐磨地板等的加工等領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。
聚晶金剛石是在幾千度高溫、幾百兆帕的條件下通過金屬鈷作為粘結(jié)劑壓制而成的材料，其耐磨性能極佳，因此被用作有色金屬、硬質(zhì)合金或硬質(zhì)非金屬材料的加工等。
5 結(jié)語
高速切削技術(shù)是加工企業(yè)在激烈的市場競爭中得以生存的法寶，通過高速切削技術(shù)可以顯著提高加工速度和精度，而隨著高速切削技術(shù)的不斷發(fā)展，用于切削的刀具材料也會不斷更新變化，因此要結(jié)合當(dāng)下的工藝特點(diǎn)和加工要求選擇適合的刀具，并且要緊跟科技發(fā)展的步伐，不斷將新材料、新技術(shù)用于高速切削刀具的制備中，不斷使刀具具有更高的強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、硬度等性能，促進(jìn)機(jī)械加工行業(yè)的快速發(fā)展。
