关键词:刀具;材料;性能匹配
Choice of Tool Material in Machining
(Quality Guarantee Department of Shandong Laiwu Iron and Steel Group ,Laiwu 271004 , China)
Abstract :It was put forward that each species had its particular tool of the processing. Cutting tools and processing targets mainly referring to the choice of both the mechanical, physical and chemical properties match each other, according to the workpiece materialto choose tool material, which was the longesttoollife and the biggedt cutting productivity and reduce processing costs and reduce resources consumption.
Keywords :tool; materials; match performance
随着科学技术的发展，对钢铁材料的加工也提出了越来越高的要求，如何正确选择刀具材料进行切削加工，以提高切削加工生产率、降低加工成本、减小资源消耗以及防止切削加工对工件材料物理性能的影响是一个需要高度重视的问题。
长期以来机械加工选择刀具材料的方式以传统的试切法和参照以往经验为主。在用试切法加工某一新型材料时，往往需要使用多种刀具材料进行重复切削试验，研究分析刀具的磨损、破损方式及其原因，通过比较从中选择最佳的刀具材料。这种方法盲目性大，造成人力、财力、刀具和材料的大量浪费。而根据经验选择刀具，往往不能选择到最佳刀具材料，造成切削加工生产率低下、切削加工成本增加、刀具材料资源(尤其是一些贵重的合金元素)浪费严重。每一品种的刀具材料都有其特定的加工范围，只能适应一定的工件材料相切削速度范围。不同的刀具或同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大的差别，每一品种的刀具持有其最佳加工对象，即存在切削刀具与加工合理匹配问题，两者的力学性能、物理性能和化学性能的匹配，以获得较长的刀具寿命和较高的切削加工生产率。结合笔者已进行的研究，下面对切削刀具与加工对象的合理匹配进行评述。
1 力学性能的匹配
切削刀具与加工对象的力学性能匹配主要是指刀具与工件材料的强度、韧性及硬度等力学性能参数应相互匹配。不同力学性能的刀具(如高速钢刀具、硬质合金刀具和超硬刀具等)所适合加工的工件材料有所不同约材料有所不同。通常，刀具材料的硬度必须高。通常，刀具材料的硬度，刀具硬度一般要求在60 HRC以上。高硬度的工件材料必须用更高硬度的刀具来加工，具体的刀具材料参数见表1。
为了提高切削加工生产率，一般采用高速切削加工。高速切削采用的切削速度比常规切削高出几倍甚至十几倍，因此切削温度很高。可是刀具材料随着温度的升高，强度和硬度会下降。为此，高速切削时要求刀具材料不仅要有良好的室温力学性能，还应具有优异的高温力学性能，且其高温力学性能比室温力学性能更为重要。各种刀具材料的硬度随温度的变化见图1。
2 物理性能的匹配
切削刀具与加工对象的物埋性能匹配主要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数相抗热冲击性能等物埋性能参数应相互匹配。具有不同物埋性能的刀具(如高导热和低熔点的高速钢刀具、高熔点和低热胀的陶瓷刀具、高导热和低热胀的金刚石刀具等)所适合加工的工件材料有所不同。加工导热性差的工件时，应采用导热性较好的刀具，以使切削热可迅速传出而降低切削温度。穿衣搭配瘦脸日霜推荐推荐粉底液哪个牌子好化妆水全身防晒哪种好品牌吸油面纸什么牌子好
如金刚石的导热系数为硬质合金的1.5 ~9 倍，为铜的2-6 倍，由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故刀具切削部分温度低。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10，因此金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。立万氮化硼(CBN)的导热性虽不及金刚石，但却大大高于高速钢和硬质合金。随切削温度的提高，CBN 刀具的导热系数逐渐增加，可使刀尖处切削温度降低，减少刀具的扩散磨损并有利于高速精加工时加工精度的提高。CBN 的耐热性可达到1 400-1 500 C ，比金刚石的耐热性(700-800 C)几乎高一倍。
由于高速切削的切削速度比常规切削时高几倍甚至十几倍，切削温度很高，因此高速切削刀具的失效主耍取决于刀具材料的热性能(包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能和抗热冲击性能等)。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金属的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热性，因此要求刀具材料的熔点高、导热性好、氧化温度高、耐热性好及抗热冲击性强。如高速加工钢和铸铁等黑色金属时，最高切削速度只能达到加工铝合金时的1/3-1/5 ，其原因是切削热易使刀尖发生热破损。在高速切削低导热性及高硬度材料(如钛合金和耐热镍基合金、高硬度合金钢等)时，易形成锯齿状切屑，而高速铣削过程中则会产生厚度变化的断续切屑，它们都会导致刀具内的热应力发生高频率的周期变化，从而加速刀具的磨损。
3 化学性能的匹配
刀具的磨损是机械磨损和化学磨损综合作用的结果。机械磨损主要包括磨料磨损、粘着磨损、塑性磨损和微观断裂等。化学磨损主要是指在高温下刀具材料的组分与工件材料发生的化学反应、化学溶解以及刀具与工件间元素的扩散等。已有的研究表明:刀具切削加工时的磨损与所加工的工件材料和切削条件密切相关，在不同的切削条件下加工不同的工件材料时，自主导地位的磨损机制有所不同。
如在低速切削时由于温度较低，其磨损机制往往表现为磨料磨损;而在高速切削时高温引起的化学反应、氧化磨损相扩散磨损则自主导地位。由于在高温下工件材料硬度有所下降，圆而磨料磨损逐渐减小如图2所示。
化学磨损与切削温度T密切相关，其表达式为:
切削刀具与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具与工件材料的化学亲和性、化学反应、扩散、粘着和溶解等化学性能参数应相互匹配。具有不同组分的刀具(如高速钢刀具、硬质合金刀具相超硬刀具等)所适合加工的工件材料有所不同。当刀具与工件中的元素化学亲和性强(易产生化学反应、相互粘着或扩散)时，应设法回避。如含有SIC颗粒或SIC晶须的刀具材料在加工镍基合金时表现出优良的切削性能，但在加工钢件时刀具材料却发生急剧磨损。这是因为SIC 很容易在切削高温作用下与工件材料中的铁产生化学反应，其反应式为:4Fe+SIC→FeSi+Fe3c。
如陶瓷的化学惰性大于TIC和wC。即使在熔化温度时，Ai2O3，与钢也不起化学反应。因此，切削加工钢件时，Ai2O3， 陶瓷刀具的扩散磨损很小。另外，Ai2O3，陶瓷中含有铝元素，因此Ai2O3，陶瓷刀具在加工铝及铝合金时存在较大化学亲和力，很容易出现较大的粘着磨损相扩散磨损。因此应避免用此类刀具加工铝、钛及其合金。
Si3N4 基陶瓷刀具高速切削碳钢时主要发生化学磨损。化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所由比例一般并不大，但化学磨损的重要作用在于它能大大加剧机械磨损，如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工件间的粘着，从而导致严重的粘着磨损和微观断裂磨损。
金刚石刀具切削温度达到800 C时就会失去其硬度;金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料因为金刚石与铁族元素之间有很强的化学亲和力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极易损坏。
4 结束语
切削刀具与加工对象的力学性能匹配主要是指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性参数应相互匹配。切削刀具与加工对象的物理性能匹配主要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数及抗热冲击性能等物理性能参擞应相互匹配。切削刀具与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散、粘着和溶解等化学性能参数应相互匹配。在实际应用中，应根据所加工的工件材料选择相互匹配的刀具料。