先進刀具技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢
刀具材料、幾何參數(shù)及其結(jié)構(gòu)是高性能刀具設計制造最重要的關鍵技術(shù)。目前，先進刀具發(fā)展迅速，各種專用高性能刀具不斷推陳出新。在刀具材料方面，超細晶粒 硬質(zhì)合金刀具和超硬材料刀具獲得了廣泛運用；在涂層方面，多層梯度復合涂層和高強度耐熱納米涂層也得到了長足的發(fā)展，并在航空航天、汽車船舶等領域得到應 用；在刀具結(jié)構(gòu)方面，將朝可轉(zhuǎn)位、多功能、專用復合刀具和模塊式方向發(fā)展。
刀具材料的最新進展
近年來，世界各工業(yè)發(fā)達國家都在致力于開發(fā)與高速、高效、高質(zhì)切削加工相匹配的先進切削刀具材料[2]。刀具材料對刀具壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工 成本等影響很大。刀具切削時要承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動等作用，因此刀具材料必須具備如下一些基本性能：硬度高，即刀具材料的硬度必須高于被加工 材料；高的強度和韌性，刀具切削部分的材料在切削時要受到很大的切削力和沖擊力，因此刀具材料必須要有足夠的強度和韌性；耐磨性和耐熱性好，一般來說，刀 具材料硬度越高，耐磨性也就越好，同時刀具的耐磨性和耐熱性有著密切的關系；導熱性好，導熱性越好，就能降低切削部分的溫度，從而減輕刀具磨損；工藝性和 經(jīng)濟性好。
(1)新型高速鋼。
高速鋼(HSS)是加入了W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。 雖然目前可供使用的刀具材料品種較多，但由于高速鋼在強度、韌性、熱硬性、工藝性，特別是鋒利性(刀尖半徑可達12~15μm)等方面具有優(yōu)良的綜合性 能，因此在切削某些難加工材料以及在復雜刀具(尤其是切齒刀具、拉刀和立銑刀等)制造中仍占有較大比重。
(2)新型細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金。
硬質(zhì)合金是高硬度、難熔的金屬化合物(主要是WC，TiC等，又稱為高溫碳化物)微米級的粉末，用鈷或鎳等金屬做粘結(jié)劑燒結(jié)成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金 是當前切削領域中應用最廣泛的切削刀具材料，切削效率大約為高速鋼的5~10倍。全世界硬質(zhì)合金的產(chǎn)量增長極快，新材料、新牌號的硬質(zhì)合金刀具不斷出現(xiàn)， 在全部刀具中的比重越來越大。但其工藝性差，用于復雜刀具尚受到很大的限制。
細晶粒(1～0.5μm)和超細晶粒(小于 0.5μm)硬質(zhì)合金材料及整體硬質(zhì)合金刀具的開發(fā)，使硬質(zhì)合金的抗彎強度大大提高，可替代高速鋼用于制造小規(guī)模鉆頭、立銑刀、絲錐等量大面廣的通用刀 具，其切削速度和刀具壽命遠超過高速鋼。整體硬質(zhì)合金刀具的使用可使原來采用高速鋼的大部分應用領域的切削效率顯著提高。為提高硬質(zhì)合金的韌性，通常采取 增加Co含量的方法，由此引起的硬度降低現(xiàn)在可通過細化晶粒得到補償，并可使硬質(zhì)合金的抗彎強度提高到4.3GPa，已達到并超過普通高速鋼的抗彎強度。 細晶粒硬質(zhì)合金的另一優(yōu)點是刀具刃口鋒利，尤其適合高速切削粘而韌的材料。
(3)超硬刀具。
所謂超硬刀 具材料是指人造金剛石和立方氮化硼，以及用這些粉末與結(jié)合劑燒結(jié)而成的聚金剛石和聚晶立方氮化硼。由于超硬刀具具有比硬質(zhì)合金更優(yōu)良的耐磨性，能夠適應更 高的切削速度，已成為高速切削的主要刀具材料，更為重要的是能夠滿足難加工材料的切削需要。因此超硬刀具材料已經(jīng)在整個切削加工領域中起到越來越重要的作 用。
金剛石是碳的同素異形體，分為天然金剛石和人造金剛石(PCD)兩種。PCD是在高溫、高壓和催化劑作用下，由石墨轉(zhuǎn)化而成 的。金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性，擁有鋒利的切削刃和良好的導熱性能，同時PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中不易在刀 尖上產(chǎn)生積屑瘤。目前，PCD刀具主要運用在以下兩個方面[2,5]：a.難加工有色金屬及其合金，如用PCD刀具加工硅鋁合金時，刀具壽命可達硬質(zhì)合金 的50~200倍；b.難加工非金屬材料，PCD刀具非常適合于石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強塑料和人造板材等難加工非金屬材料的加工[6]。因此，可以說金 剛石刀具是精密加工有色金屬及其合金、陶瓷、玻璃、木材等非金屬材料最佳的刀具。
但是金剛石的熱穩(wěn)定性較低，切削溫度超過700~800℃時，就會完全失去其硬度。另外，金剛石中的碳和鐵具有很強的親和力，在高溫高壓下，鐵原子與碳原子發(fā)生相互作用，導致金剛石石墨化，從而使刀具極容易發(fā)生磨損。因此，金剛石刀具一般不用來加工鋼鐵等材料。
繼美國GE公司于1957年首次合成立方氮化硼之后，在高溫高壓條件下將立方氮化硼聚合在硬質(zhì)合金上，得到了復合結(jié)構(gòu)的立方氮化硼(CBN)刀片。 CBN刀具有聚晶燒結(jié)塊和復合刀片兩種，能在較高切削速度下加工淬硬鋼及鑄鐵，以車代磨，并可高速切削部分高溫合金，加工精度高，表面粗糙度相當?shù)�，而�?/FONT> 立方氮化硼還適宜加工各種淬硬鋼、Ni基、Fe基及其他一些耐磨、耐蝕的熱噴涂(焊)件材料，釩鈦鑄鐵、冷硬鑄鐵等耐磨類鑄鐵，鈦合金材料等。
(4)陶瓷材料。
陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高溫力學性能，與金屬的親和力小，不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，并且化學穩(wěn)定性好。因此，陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難 以加工或根本不能加工的超硬材料。陶瓷刀具有Al2O3基和Si3N4基兩大類，加入各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善其性能，還可通過顆粒、 晶須、相變、微裂紋和幾種增韌機理的協(xié)同作用提高其斷裂韌性。
目前，國產(chǎn)的一些晶須增韌陶瓷、梯度功能陶瓷等產(chǎn)品已達到國外同類 刀片的性能，有的還優(yōu)于國外。陶瓷刀具使用的主要原料氧化鋁、氧化硅等在地殼中含量豐富，對節(jié)省貴重金屬也具有重要的意義。陶瓷刀具主要應用于難加工材料 的高速加工。國際上已經(jīng)將陶瓷材料刀具視為進一步提高生產(chǎn)率的最有希望的刀具之一。
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