数控刀具的材料与选用

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：不同的切削速度会造成不同的切削温度，这就要求刀具的热硬性要相适应，刀具刃口的强度要满足切削力的要求，这两者都会对刀具材料的选择起到重要作用。没有单一的刀具材料能够适合所有工件材料的经济加工，但是某些刀具材料如高速钢和硬质合金因为有广泛的应用区域，可以承担多种切削形式的加工。根据目前的刀具销售市场分析，高速钢刀具占有约60%的份额，硬质合金类刀具也超过了30%的份额。

金属切削刀具材料及技术在20世纪得到了飞速的发展。有一个形象的比喻：在1900年需要100min来完成的金属切削去除量，在20世纪90年代初不到1min就能完成。从客观的角度来讲，切削刀具材料及技术的发展是机械加工行业现代化的重要基础。

目前，针对特定的加工条件、加工工件材料，都有专门的刀具进行最优化的加工。而且还有更多的新型材料刀具，甚至在20世纪初就使用的高速钢刀具，在100年来的应用中也得到飞速的发展，比它最初的切削速度也快了几倍。

刀具的切削性能首先取决于刀具材料，其次是几何形状、表面强化、热处理、质量等。因此合理选择刀具材料是选择刀具的第一步。从刀具寿命的角度来看，对刀具材料的性能的主要要求是耐磨性、强硬性和热硬性。不同品种的刀具和不同的切削条件对刀具性能的要求不同，如在重切削且无切削液的条件下，刀具的热硬性最重要；精车淬硬钢时，刀具的耐磨性最重要；断续切削则要求刀具有最佳的硬度与韧性的搭配。

基本上讲，刀具之所以能切削金属，是因为刀具比工件材料锋利而且硬。但是今天高生产率生产的实现并不只局限在刀具材料本身，刀具的断屑槽等刃口的形式也很重要，通常我们称其为槽型。

刀具材料与槽型的不同匹配是由下面这些因素决定的。

1）切削加工要求。

2）工件的材料和形状。

3）机床限制。

4）切削参数。

5）精加工的表面质量。

6）工艺系统的刚度。

7）加工成本。

切削加工要求包括粗加工、精加工、加工公差、连续切削、断续切削。工件的切削特性主要由材料类型、微观结构、硬度、表面质量来决定。机床的使用状况、功率、刚度，切削速度和进给速度以及夹具对刀具的选择是非常重要的因素。不同的切削速度会造成不同的切削温度，这就要求刀具的热硬性要相适应，刀具刃口的强度要满足切削力的要求，这两者都会对刀具材料的选择起到重要作用。零件精加工表面质量和几何公差也要求刀具材料具有足够的耐磨性和刚度。工艺系统的刚度影响了振动的倾向，如果切削容易产生振动，就要求刀具的刃口处理得强硬。加工成本的要求指我们在选择刀具时要充分考虑刀具的价格和寿命，既要考虑刀具的性价比，又要考虑更换磨损刀具的时间成本和刃口重磨成本。

有三个特性主要影响了刀具的切削速度范围和进给量的大小，它们是耐磨性（Wear Re-sistance，WR）、韧性（Toughness，T）和热硬性（Hot Hardness，HH）。

耐磨性并不只是反映在后面磨损性能上，而且体现在其他形式刀具磨损的耐磨性上。人造金刚石类刀具的耐磨性最好，按照耐磨性的优劣排列依次是：立方氮化硼、陶瓷、硬质合金和金属陶瓷、高速钢。

韧性表现在刀具整体的抗弯性和抗横向断裂能力上。高速钢（HSS）的韧性最强，人造聚晶金刚石在刀具材料中最脆。

热硬性是指刀具材料在高速度与高温下，材料切削加工时的硬度保持性能。不同材料的刀具热硬性差别很大。人造金刚石类刀具的耐磨性虽然最好，但是因为金刚石中碳的成分和结构不能承受过高的切削热，所以该类刀具一般只用于非铁族合金的切削加上。刀具的热硬性由强到弱排列是：立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷、硬质合金和高速钢。

正确选择刀具材料在经济切削加工中是很重要的。因刀具不耐磨或者刀具过脆断裂产生的停机换刀时间将造成零件的制造成本上升，机床折旧成本增加。没有单一的刀具材料能够适合所有工件材料的经济加工，但是某些刀具材料如高速钢和硬质合金因为有广泛的应用区域，可以承担多种切削形式的加工。根据目前的刀具销售市场分析，高速钢刀具占有约60%的份额，硬质合金类刀具也超过了30%的份额。

数控刀具的材料与选用

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