刀具材料及刀具適用范圍

加工中心對刀具的基本要求

⑴ 高剛度、高強度

為提高生產效率，往往采用高速、大切削用量的加工，因此加工中心采用的刀具應具有能承受高速切削和強力切削所必須的高剛度、高強度。

⑵ 高耐用度

加工中心可以長時間連續(xù)自動加工，但若刀具不耐用而使磨損加快，輕則影響工件的表面質量與加工精度，增加換刀引起的調刀與對刀次數(shù)，降低效率，也會使工作表面留下因對刀誤差而形成的接刀臺階，重則因刀具破損而發(fā)生嚴重的機床乃至人身事故。除上述兩點之外，與普通切削一樣，加工中心刀具的切削刃的幾何角度參數(shù)的選擇及排屑性能等也非常重要，積屑瘤等弊端在數(shù)控銑削中也是十分忌諱的．

⑶ 刀具精度

隨著對零件的精度要求越來越高，對加工中心刀具的形狀精度和尺寸精度的要求也在不斷提高，如刀柄、刀體和刀片必須具有很高的精度才能滿足高精度加工的要求。

總之，根據(jù)被加工工件材料的熱處理狀態(tài)、切削性能及加工余量，選擇剛性好、耐用度高、精度高的加工中心刀具，是充分發(fā)揮加工中心的生產效率和獲得滿意加工質量的前提。

3.2.2 加工中心刀具的材料

⑴ 高速鋼 （High Speed Steel）

自 1906 年 Taylor 和 White 發(fā)明高速鋼以來，通過許多改進至今仍被大量使用著，大體上可分為W系和MO系兩大類。其主要特征有：合金元素含量多且結晶顆粒比其他工具鋼細，淬火溫度極高（12000C）而淬透性極好，可使刀具整體的硬度一致?；鼗饡r有明顯的二次硬化現(xiàn)象，甚至比淬火硬度更高且耐回火軟化性較高，在6000C仍能保持較高的硬度，較之其他工具鋼耐磨性好，且比硬質合金韌性高，但壓延性較差，熱加工困難，耐熱沖擊較弱。因此高速鋼刀具仍是數(shù)控機床刀具的選擇對象之一。目前國內外應用WMO、WMOAI、WMOCO為主，其中WMOAI是我國所特有的品種。

⑵ 硬質合金 （Cemented Carbide）

硬質合金是將鎢鉆類WC，鎢欽鉆類WC-TiC ，鎢欽鉭（鈮）鉆類WC TiC-TaC等硬質碳化物以CO為結合劑燒結而成的物質，于1926年由德國的Krupp公司發(fā)明，其主體為WC-CO 系在鑄鐵、非鐵金屬和非金屬的切削中大顯身手。 1929～1931 年前后，TiC以及TaC等添加的復合碳化物系硬質合金在鐵系金屬的切削中顯示出極好的性能，從而使硬質合金得到了很大程度的普及。

按ISO標準，主要以硬質合金的硬度，抗彎強度等指標為依據(jù)，將硬質合金刀片材料分為P、M、K三大類，大致如下。

1. a.        WC+Co;K類、YG類
2. b.        WC+ TiC+ Co，P類、YT類：
3. c.        WC+ TiC+TaC+Co:;M類、YW類。

K類適于加工切屑的黑色金屬、有色金屬及非金屬材料。主要成分為碳化鎢和3%～10%的鉆，有時還含有少量的碳化鈕等添加劑。P 類適于加工長切屑的黑色金屬。主要成分為碳化欽、碳化鎢和鉆（或鎳），有時還加人碳化擔等添加劑。

M類適于加工長切屑或短切屑的黑色金屬和有色金屬。成分和性能介于 K 類和 P 類之間，可用來加工鋼和鑄鐵。

以上為一般切削工具所用硬質合金的大致分類。除此之外，環(huán)右韶微片子硬質合金，一般地可以認為其從屬于K類，但因其燒結性能上要求結合劑Co的含量較高，故高溫性能較差，大多只適用于鉆、鉸等低速切削工具。

在國際標準（ISO）中通常又分別在K、P、M三種代號之后附加01、05、10、20、30、 40、50等數(shù)字進行更進一步的細分。一般來講，數(shù)字越小者，硬度越高但韌性越低；而數(shù)字越大則韌性越高但硬度越低。

表3一1中列出了部分高速鋼、硬質合金刀具材料的應用范圍。

表3-1 部分高速鋼、硬質合金刀具材料的應用范圍

涂層硬質合金刀片是在韌性較好的工具表面涂上一層耐磨損、耐溶著、耐反應的物質，使刀具在切削中同時具有既硬又不易破損的性能。英文稱其為Coated Tool。

⑵ 陶瓷（Ceramics)

從20世紀30年代人們就開始研究以陶瓷作為切削工具了。陶瓷刀具基本上由兩大類組成，一類為氧化鋁類（白色陶瓷），另一類為TiC添加類（黑色陶瓷），另外還有在AI2O中添加SiCw（晶須），ZrO2（青色陶瓷）來增加韌性的，以及以Si3N4為主體的陶瓷刀具。

陶瓷材料具有高硬度、高溫強度好（約2000OC下亦不會熔融）的特性，化學穩(wěn)定性亦很好，但韌性很低。對此，最近熱等靜壓技術的普及對改善結晶的均勻細密性、提高陶瓷的各向性能均衡乃至提高韌性都起到了很大的作用，作為切削工具用的陶瓷抗彎強度已經提高到900MPa以上。

一般來說，陶瓷刀具相對于硬質合金和高速鋼來說仍是極脆的材料，因此，多用于高速連續(xù)切削中，例如鑄鐵的高速加工。另外，陶瓷的熱導率相對于硬質合金來說非常低，是現(xiàn)有工具材料中最低的一種，故在切削加工中容易積蓄加工熱，且對于熱沖擊的變化較難承受。所以，加工中陶瓷刀具很容易因熱裂紋產生崩刃等損傷，且切削溫度較高。

陶瓷刀具因其材質的化學穩(wěn)定性好、硬度高，在耐熱合金等難加工材料的加工中有廣泛的應用。金屬切削加工所用刀具的研究開發(fā)，總是在不斷地追求硬度，從而自然遇到了韌性間題。金屬陶瓷就是為了解決陶瓷刀具的脆性大而出現(xiàn)的，其成分以TiC（陶瓷）為基體，Ni、Mo（金屬）為結合劑，故取名為金屬陶瓷。

金屬陶瓷刀具的最大優(yōu)點是與被加工材料的親和性極低，故不易產生粘刀和積屑瘤現(xiàn)象，使加工表面非常光潔平整，是良好的精加工刀具材料。但由于韌性差，大大限制了它的應用范圍。如今人們通過添加WC、TaC、TIN、TaN等異種碳化物，使其抗彎強度達到了硬質合金的水平，因而得到廣泛的應用。日本黛杰（DUET）公司新近推出通用性更為優(yōu)良的CX系列金屬陶瓷，可以適應各種切削狀態(tài)的加工要求。

⑷ 立方氮化硼 （CBN）

立方氮化硼是靠超高壓、高溫技術人工合成的新型刀具材料，其結構與金剛石相似，此種工具材料由美國 GE 公司研制開發(fā)。它的硬度略低于金剛石，但熱穩(wěn)定性遠高于金剛石，并且與鐵族元素親和力小，不易產生“積屑瘤”。CBN粒子硬度高達 4500HV，熱導率高，在大氣中加熱至1300℃仍保持性能穩(wěn)定，且與鐵的反應性很低，是迄今為止能夠加工鐵族金屬和鋼鐵材料最硬的刀具材料。它的出現(xiàn)使無法進行正常切削加工的淬火鋼、耐熱鋼的高速切削變成了可能。淬火硬度60