如何合理选用高速切削加工中心刀具材料？

一般而言,PCBN、陶瓷刀具、涂层刀具及金属陶瓷刀具适合钢铁等黑色金属的高速加上;而PCD刀具适合对铝、镁、铜等有色金属及其合金和非金属材料的高速加工。

1.铝合金

(1)易切削铝合金 这类材料在航空航天工业中应用较多,适用的刀具有K10、K20、PCD,切削速度为2000～4000m/min,进给率为3000～12000mm/min,刀具前角为12°～18°,后角为10°～18°,刃倾角可达25°。

(2)铸铝合金 铸铝合金根据其Si含量的不同,选用的刀具也不同,对Si含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si₃N₄刀具,当Si含量大于12%时,可采用PKD(人造金刚石)、PCD(聚晶金刚石)及CVD金刚石涂层刀具。对于Si含量达16%～18%的过硅铝合金,最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具,其切削速度可为1100m/min,每齿进给量为0.125mm/r。

2.铸铁

对铸件,切削速度大于350m/min时,称为高速加工,切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时,可选用涂层硬质合金、金属陶瓷;切削速度为510～2000m/min时,可选用Si₃N₄陶瓷刀具;切削速度为2000～4500m/min时,可使用CBN刀具。

铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响,加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时,可使用CBN或Si₃N₄;当以铁素体为主时,由于扩散磨损的原因,使刀具磨损严重,不宜使用CBN,而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属Co,晶粒尺寸平均为3_μm,CBN含量为90%～95%的BZN6000在V=700m/min时,宜加工高铁素体含量的灰铸铁;粘结相为陶瓷(AlN+AlB2)、晶粒尺寸平均为10_μm、CBN含量为90%～95%的Amborite刀片,在加工高珠光体含量的灰铸铁,且切削速度小于1100m/min时,随切削速度的增加,刀具寿命也增加。

3.普通钢

切削速度对钢的表面质量有较大的影响,根据德国Darmstadt大学PTW所的研究,其最佳切削速度为500～800m/min。

目前,涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好,因为前者可很好地保持刃口形状,使加工零件获得较高的精度和表面质量。

金属陶瓷刀具占日本刀具市场的30%,以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好,但抗弯强度及导热性差,适于切削速度为400～800m/min的小进给量、小切削深度的精加工;Carboly公司用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来;Kyocera公司用TiN来增加金属陶瓷的韧性,其加工钢或铸铁的切削深度可达2～3mm。CBN可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬钢。

4.高硬度钢(www.xing528.com)

高硬度钢(40～70HRC)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等。金属陶瓷可用基本成分为TiC添加TiN的金属陶瓷,其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当,而导热系数不到硬质合金的1/10,并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下力学性能好,与钢的亲和力小,适合于中、高速(在200m/min左右)的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。

采用陶瓷刀具可切削硬度达63HRC的工件材料,如进行工件淬火后再切削,实现“以切代磨”。切削淬火硬度达48～58HRC的45钢时,切削速度可取150～180m/min,进给量为0.3～0.4r/min,切削深度可取2～4mm。粒度在1μm,TiC含量在20%～30%的Al₂O₃-TiC陶瓷刀具,切削速度为100m/min左右时,可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。

当切削速度高于1000m/min时,PCBN是最佳刀具材料,CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢(如HRC55的H13工具钢)。

5.高温镍基合金

Inconel718镍基合金是典型的难加工材料,具有较高的高温强度、动态剪切强度,热扩散系数较小,切削时易产生加工硬化,这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高速切削该合金时,主要使用陶瓷和CBN刀具。

碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在100～300m/min时可获得较长的刀具寿命,切削速度高于500m/min时,添加TiC氧化铝陶瓷刀具磨损较小,而在100～300m/min时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷(Si₃N₄)也可用于Inconel718合金的加工。

氮氧化硅铝(Sialon)陶瓷韧性很高,适合于切削过固溶处理的Inconel718(HRC45)合金,Al₂O₃-SiC晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。

6.钛合金

Ti6Al6V2Sn钛合金强度、冲击韧性大,硬度稍低于Inconel718,但其加工硬化非常严重,故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。用硬质合金K10两刃螺旋铣刀(螺旋角为30°)高速铣削钛合金,可达到满意的刀具寿命。

7.复合材料

航天用的先进复合材料(如Kevlar和石墨类复合材料),以往用硬质合金和PCD,硬质合金的切削速度受到限制,而在900℃以上的高温下PCD刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化,用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。