關(guān)鍵詞: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
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼鐵材料的加工也提出了越來越高的要求，如何正確選擇刀具材料進(jìn)行切削加工，以提高切削加工生產(chǎn)率、降低加工成本、減小資源消耗以及防止切削加工對(duì)工件材料物理性能的影響是一個(gè)需要高度重視的問題。
長(zhǎng)期以來機(jī)械加工選擇刀具材料的方式以傳統(tǒng)的試切法和參照以往經(jīng)驗(yàn)為主。在用試切法加工某一新型材料時(shí)，往往需要使用多種刀具材料進(jìn)行重復(fù)切削試驗(yàn)，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，通過比較從中選擇最佳的刀具材料。這種方法盲目性大，造成人力、財(cái)力、刀具和材料的大量浪費(fèi)。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇刀具，往往不能選擇到最佳刀具材料，造成切削加工生產(chǎn)率低下、切削加工成本增加、刀具材料資源(尤其是一些貴重的合金元素)浪費(fèi)嚴(yán)重。每一品種的刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應(yīng)一定的工件材料相切削速度范圍。不同的刀具或同種刀具加工不同的工件材料時(shí)刀具壽命往往會(huì)存在很大的差別，每一品種的刀具持有其最佳加工對(duì)象，即存在切削刀具與加工合理匹配問題，兩者的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能的匹配，以獲得較長(zhǎng)的刀具壽命和較高的切削加工生產(chǎn)率。結(jié)合筆者已進(jìn)行的研究，下面對(duì)切削刀具與加工對(duì)象的合理匹配進(jìn)行評(píng)述。
1 力學(xué)性能的匹配
切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性及硬度等力學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。不同力學(xué)性能的刀具(如高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具和超硬刀具等)所適合加工的工件材料有所不同約材料有所不同。通常，刀具材料的硬度必須高。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須用更高硬度的刀具來加工，具體的刀具材料參數(shù)見表1。
為了提高切削加工生產(chǎn)率，一般采用高速切削加工。高速切削采用的切削速度比常規(guī)切削高出幾倍甚至十幾倍，因此切削溫度很高?？墒堑毒卟牧想S著溫度的升高，強(qiáng)度和硬度會(huì)下降。為此，高速切削時(shí)要求刀具材料不僅要有良好的室溫力學(xué)性能，還應(yīng)具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，且其高溫力學(xué)性能比室溫力學(xué)性能更為重要。各種刀具材料的硬度隨溫度的變化見圖1。
2 物理性能的匹配
切削刀具與加工對(duì)象的物埋性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)相抗熱沖擊性能等物埋性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。具有不同物埋性能的刀具(如高導(dǎo)熱和低熔點(diǎn)的高速鋼刀具、高熔點(diǎn)和低熱脹的陶瓷刀具、高導(dǎo)熱和低熱脹的金剛石刀具等)所適合加工的工件材料有所不同。加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱性較好的刀具，以使切削熱可迅速傳出而降低切削溫度。穿衣搭配瘦臉日霜推薦推薦粉底液哪個(gè)牌子好化妝水全身防曬哪種好品牌吸油面紙什么牌子好
如金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5 ~9 倍，為銅的2-6 倍，由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易散出，故刀具切削部分溫度低。金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10，因此金剛石刀具不會(huì)產(chǎn)生很大的熱變形，這對(duì)尺寸精度要求很高的精密加工刀具來說尤為重要。立萬氮化硼(CBN)的導(dǎo)熱性雖不及金剛石，但卻大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。隨切削溫度的提高，CBN 刀具的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加，可使刀尖處切削溫度降低，減少刀具的擴(kuò)散磨損并有利于高速精加工時(shí)加工精度的提高。CBN 的耐熱性可達(dá)到1 400-1 500 C ，比金剛石的耐熱性(700-800 C)幾乎高一倍。
由于高速切削的切削速度比常規(guī)切削時(shí)高幾倍甚至十幾倍，切削溫度很高，因此高速切削刀具的失效主耍取決于刀具材料的熱性能(包括刀具的熔點(diǎn)、耐熱性、抗氧化性、高溫力學(xué)性能和抗熱沖擊性能等)。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金屬的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐熱性，因此要求刀具材料的熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、氧化溫度高、耐熱性好及抗熱沖擊性強(qiáng)。如高速加工鋼和鑄鐵等黑色金屬時(shí)，最高切削速度只能達(dá)到加工鋁合金時(shí)的1/3-1/5 ，其原因是切削熱易使刀尖發(fā)生熱破損。在高速切削低導(dǎo)熱性及高硬度材料(如鈦合金和耐熱鎳基合金、高硬度合金鋼等)時(shí)，易形成鋸齒狀切屑，而高速銑削過程中則會(huì)產(chǎn)生厚度變化的斷續(xù)切屑，它們都會(huì)導(dǎo)致刀具內(nèi)的熱應(yīng)力發(fā)生高頻率的周期變化，從而加速刀具的磨損。
3 化學(xué)性能的匹配
刀具的磨損是機(jī)械磨損和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果。機(jī)械磨損主要包括磨料磨損、粘著磨損、塑性磨損和微觀斷裂等?；瘜W(xué)磨損主要是指在高溫下刀具材料的組分與工件材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)溶解以及刀具與工件間元素的擴(kuò)散等。已有的研究表明:刀具切削加工時(shí)的磨損與所加工的工件材料和切削條件密切相關(guān)，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時(shí)，自主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制有所不同。
如在低速切削時(shí)由于溫度較低，其磨損機(jī)制往往表現(xiàn)為磨料磨損;而在高速切削時(shí)高溫引起的化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損相擴(kuò)散磨損則自主導(dǎo)地位。由于在高溫下工件材料硬度有所下降，圓而磨料磨損逐漸減小如圖2所示。
化學(xué)磨損與切削溫度T密切相關(guān)，其表達(dá)式為:
切削刀具與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、粘著和溶解等化學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。具有不同組分的刀具(如高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具相超硬刀具等)所適合加工的工件材料有所不同。當(dāng)?shù)毒吲c工件中的元素化學(xué)親和性強(qiáng)(易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、相互粘著或擴(kuò)散)時(shí)，應(yīng)設(shè)法回避。如含有SIC顆?；騍IC晶須的刀具材料在加工鎳基合金時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，但在加工鋼件時(shí)刀具材料卻發(fā)生急劇磨損。這是因?yàn)镾IC 很容易在切削高溫作用下與工件材料中的鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式為:4Fe+SIC→FeSi+Fe3c。
如陶瓷的化學(xué)惰性大于TIC和wC。即使在熔化溫度時(shí)，Ai2O3，與鋼也不起化學(xué)反應(yīng)。因此，切削加工鋼件時(shí)，Ai2O3， 陶瓷刀具的擴(kuò)散磨損很小。另外，Ai2O3，陶瓷中含有鋁元素，因此Ai2O3，陶瓷刀具在加工鋁及鋁合金時(shí)存在較大化學(xué)親和力，很容易出現(xiàn)較大的粘著磨損相擴(kuò)散磨損。因此應(yīng)避免用此類刀具加工鋁、鈦及其合金。
Si3N4 基陶瓷刀具高速切削碳鋼時(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損。化學(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所由比例一般并不大，但化學(xué)磨損的重要作用在于它能大大加劇機(jī)械磨損，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會(huì)引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘著，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘著磨損和微觀斷裂磨損。
金剛石刀具切削溫度達(dá)到800 C時(shí)就會(huì)失去其硬度;金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料因?yàn)榻饎偸c鐵族元素之間有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極易損壞。
4 結(jié)束語
切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性參數(shù)應(yīng)相互匹配。切削刀具與加工對(duì)象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及抗熱沖擊性能等物理性能參擻應(yīng)相互匹配。切削刀具與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、粘著和溶解等化學(xué)性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)所加工的工件材料選擇相互匹配的刀具料。