硬車削的刀具材料及其選用

　　1.涂層硬質合金

　　涂層硬質合金刀具是在韌性較好的硬質合金刀具上涂覆一層或多層耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al2O3等，涂層的厚度為2～18μm，涂層通常起到以下兩方面的作用：一方面，它具有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導系數，減弱了刀具基體的熱作用；另一方面，它能夠有效地改善切削過程的摩擦和粘附作用，降低切削熱的生成。涂層硬質合金刀具與硬質合金刀具相比，無論在強度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。對干硬度在HRC45～55HRC之間的工件的車削，低成本的涂層硬質合金可實現高速車削。近年來，一些廠家靠改進涂層材料與比例的方法，也使得涂層刀具的性能有極大的提高。如美國、日本一些廠家采用瑞士AlTiN涂層材料和新涂層專利技術生產的刀片，硬度高達4500～4900HV，在車削溫度高達1500℃～1600℃時硬度仍然不降低，不氧化，刀片壽命為一般涂層刀片的4倍.而成本只為30%，且附著力好。它可以在498.56m/min的速度下加工硬度達47～52HRC的模具鋼。

　　2.陶瓷材料

　　陶瓷刀具具有高硬度(91～95HRA)、高強度(抗彎強度為750～1000 MPa)、耐磨性好、化學穩定性好、良好的抗粘結性能、摩擦系數低且價格低廉的特點。使用正常時，耐用度極高，車速可比硬質合金提高2～5倍，特別適合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可加工硬度為62HRC的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵。常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。近年來通過大量的研究、改進和采用新的制作工藝，陶瓷材料的抗彎強度和韌性均有了很大的提高，如日本三菱金屬公司開發的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山特維克公司可樂滿開發的金屬陶瓷刀片新品CT系列和涂層金屬陶瓷刀片系列，其晶粒組織的直徑細小至1μm以下，抗彎強度和耐磨性均遠高于普通的金屬陶瓷，大大拓寬了陶瓷材料的應用范圍。清華大學研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也達到了國際先進水平。

　　3.CBN

　　CBN的硬度和耐磨性僅次于金剛石，有極好的高溫硬度，與陶瓷刀具相比，其耐熱性和化學穩定性稍差，但沖擊強度和抗破碎性能較好。它廣泛適用于淬硬鋼(50HRC以上)、珠光體灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和高溫合金等的切削加工，與硬質合金刀具相比，其切削速度甚至可提高一個數量級。CBN含量高的PCBN刀具，硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好，其缺點是熱穩定性差和化學惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工。復合PCBN刀具中CBN顆粒含量較低，采用陶瓷作粘結劑，其硬度較低，但彌補了前一種材料熱穩定性差、化學惰性低的特點，適用于淬硬鋼的切削加工。

　　在切削灰鑄鐵和淬硬鋼的應用領域，陶瓷刀具和CBN刀具是可同時選擇的，因此進行成本效益和加工質量分析非常必要，以確定哪一種材料更經濟。圖1為Al2O3、Si3N4和CBN刀具加工灰鑄鐵后刀面磨損VB情況，如圖所示，PCBN刀具材料切削性能優于Al2O3，和Si3N4淬硬鋼的干式切削加工時，Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料，陶瓷刀具具有良好的熱化學穩定性，但卻不及PCBN刀具的韌性和硬度。在切削硬度低于6OHRC以下和小進給量情況下的工件時，陶瓷刀具是較好的選擇。PCBN刀具適合于工件硬度高于60HRC情況，尤其是對于自動化加工和高精度加工時更為重要。除此之外，在相同后刀面磨損情況下，PCBN刀具切削后的工件表面殘余應力也比陶瓷刀具相對穩定。

　　使用PCBN刀具干式切削淬硬鋼還應遵循以下原則：在機床剛性允許條件下盡可能選擇大切深，這樣切削區生成的熱量使得刃前區金屬局部軟化，能有效降低PCBN刀具的磨損。此外，在小切探時也應盡可能采用PCBN刀具，因PcBN刀具導熱性差而使得切削區熱量來不及擴散，剪切區也能產生明顯的金屬軟化效應，減小切削刃的磨損。

　　刀片結構及幾何參教確定

　　刀片形狀及幾何參數的合理確定對充分發揮刀具切削性能是至關重要的。按刀具強度來說，各種刀片形狀的刀尖強度從高往低依次為：圓形、1 00°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料選定后，應盡可能選用強度高的刀片形狀。硬車削刀片也應選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑，用圓形及大半徑刀片粗加工，精加工時的刀尖半徑約為0.8～1.2μm。

　　淬硬鋼切屑為紅而酥軟的鍛帶狀，脆性大，易折斷，不粘結，一般在切削表面不產生積屑瘤，加工的表面質量高，但淬硬鋼切削力比較大，特別是徑向切削力比主切削力還要大，所以刀具宜采用負前角(go≥-5°）和較大的后角(ao=10°～15°），主偏角取決于機床剛性，一般取45°～60°，以減少工件和刀具顫振。

　　切削參數的選擇

　　工件材料硬度越高，其切削速度應越小。硬車削精加工的適宜切削速度為80～200m/min，常用范圍為10～150m/min，采用大切深或強烈斷續功削高硬度材料，切速應保持在80～100m/min。一般情況下，切深為0.1～0.3mm。加工表面粗糙度要求高時可選小的切削探度，但不能太小，要適宜。進給量通常可以選擇0.05～0.25mm/r，具休數值視表面粗糙度數值和生產率要求而定。當表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm時，硬車削比磨削經濟的多。

　　對工藝系統的要求

　　除選擇合理的刀具外，硬車削對車床或車削中心并無特殊要求，若車床或車削中心剛度足夠，且加工軟的工件時能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于淬硬鋼的加工。為了保證車削操作的平穩和連續，常用的方法是采用剛性夾緊裝置和中等前角刀具。不過人們普遍認為，硬車削需要高剛性的車床，即硬車削的關鍵是機床具有足夠的剛性，同時刀具、工件、夾緊裝置結構緊湊目具有同等的剛性。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋轉可以保持相當平穩，現有的設備就可以用于硬車削。