刀具材料及刀具适用范围

加工中心对刀具的基本要求

⑴ 高刚度、高强度

为提高生产效率，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应具有能承受高速切削和强力切削所必须的高刚度、高强度。

⑵ 高耐用度

加工中心可以长时间连续自动加工，但若刀具不耐用而使磨损加快，轻则影响工件的表面质量与加工精度，增加换刀引起的调刀与对刀次数，降低效率，也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，重则因刀具破损而发生严重的机床乃至人身事故。除上述两点之外，与普通切削一样，加工中心刀具的切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，积屑瘤等弊端在数控铣削中也是十分忌讳的．

⑶ 刀具精度

随着对零件的精度要求越来越高，对加工中心刀具的形状精度和尺寸精度的要求也在不断提高，如刀柄、刀体和刀片必须具有很高的精度才能满足高精度加工的要求。

总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好、耐用度高、精度高的加工中心刀具，是充分发挥加工中心的生产效率和获得满意加工质量的前提。

3.2.2 加工中心刀具的材料

⑴ 高速钢 （High Speed Steel）

自 1906 年 Taylor 和 White 发明高速钢以来，通过许多改进至今仍被大量使用着，大体上可分为W系和MO系两大类。其主要特征有：合金元素含量多且结晶颗粒比其他工具钢细，淬火温度极高（12000C）而淬透性极好，可使刀具整体的硬度一致。回火时有明显的二次硬化现象，甚至比淬火硬度更高且耐回火软化性较高，在6000C仍能保持较高的硬度，较之其他工具钢耐磨性好，且比硬质合金韧性高，但压延性较差，热加工困难，耐热冲击较弱。因此高速钢刀具仍是数控机床刀具的选择对象之一。目前国内外应用WMO、WMOAI、WMOCO为主，其中WMOAI是我国所特有的品种。

⑵ 硬质合金 （Cemented Carbide）

硬质合金是将钨钻类WC，钨钦钻类WC-TiC ，钨钦钽（铌）钻类WC TiC-TaC等硬质碳化物以CO为结合剂烧结而成的物质，于1926年由德国的Krupp公司发明，其主体为WC-CO 系在铸铁、非铁金属和非金属的切削中大显身手。 1929～1931 年前后，TiC以及TaC等添加的复合碳化物系硬质合金在铁系金属的切削中显示出极好的性能，从而使硬质合金得到了很大程度的普及。

按ISO标准，主要以硬质合金的硬度，抗弯强度等指标为依据，将硬质合金刀片材料分为P、M、K三大类，大致如下。

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

K类适于加工切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料。主要成分为碳化钨和3%～10%的钻，有时还含有少量的碳化钮等添加剂。P 类适于加工长切屑的黑色金属。主要成分为碳化钦、碳化钨和钻（或镍），有时还加人碳化担等添加剂。

M类适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色金属。成分和性能介于 K 类和 P 类之间，可用来加工钢和铸铁。

以上为一般切削工具所用硬质合金的大致分类。除此之外，环右韶微片子硬质合金，一般地可以认为其从属于K类，但因其烧结性能上要求结合剂Co的含量较高，故高温性能较差，大多只适用于钻、铰等低速切削工具。

在国际标准（ISO）中通常又分别在K、P、M三种代号之后附加01、05、10、20、30、 40、50等数字进行更进一步的细分。一般来讲，数字越小者，硬度越高但韧性越低；而数字越大则韧性越高但硬度越低。

表3一1中列出了部分高速钢、硬质合金刀具材料的应用范围。

表3-1 部分高速钢、硬质合金刀具材料的应用范围

涂层硬质合金刀片是在韧性较好的工具表面涂上一层耐磨损、耐溶着、耐反应的物质，使刀具在切削中同时具有既硬又不易破损的性能。英文称其为Coated Tool。

⑵ 陶瓷（Ceramics)

从20世纪30年代人们就开始研究以陶瓷作为切削工具了。陶瓷刀具基本上由两大类组成，一类为氧化铝类（白色陶瓷），另一类为TiC添加类（黑色陶瓷），另外还有在AI2O中添加SiCw（晶须），ZrO2（青色陶瓷）来增加韧性的，以及以Si3N4为主体的陶瓷刀具。

陶瓷材料具有高硬度、高温强度好（约2000OC下亦不会熔融）的特性，化学稳定性亦很好，但韧性很低。对此，最近热等静压技术的普及对改善结晶的均匀细密性、提高陶瓷的各向性能均衡乃至提高韧性都起到了很大的作用，作为切削工具用的陶瓷抗弯强度已经提高到900MPa以上。

一般来说，陶瓷刀具相对于硬质合金和高速钢来说仍是极脆的材料，因此，多用于高速连续切削中，例如铸铁的高速加工。另外，陶瓷的热导率相对于硬质合金来说非常低，是现有工具材料中最低的一种，故在切削加工中容易积蓄加工热，且对于热冲击的变化较难承受。所以，加工中陶瓷刀具很容易因热裂纹产生崩刃等损伤，且切削温度较高。

陶瓷刀具因其材质的化学稳定性好、硬度高，在耐热合金等难加工材料的加工中有广泛的应用。金属切削加工所用刀具的研究开发，总是在不断地追求硬度，从而自然遇到了韧性间题。金属陶瓷就是为了解决陶瓷刀具的脆性大而出现的，其成分以TiC（陶瓷）为基体，Ni、Mo（金属）为结合剂，故取名为金属陶瓷。

金属陶瓷刀具的最大优点是与被加工材料的亲和性极低，故不易产生粘刀和积屑瘤现象，使加工表面非常光洁平整，是良好的精加工刀具材料。但由于韧性差，大大限制了它的应用范围。如今人们通过添加WC、TaC、TIN、TaN等异种碳化物，使其抗弯强度达到了硬质合金的水平，因而得到广泛的应用。日本黛杰（DUET）公司新近推出通用性更为优良的CX系列金属陶瓷，可以适应各种切削状态的加工要求。

⑷ 立方氮化硼 （CBN）

立方氮化硼是靠超高压、高温技术人工合成的新型刀具材料，其结构与金刚石相似，此种工具材料由美国 GE 公司研制开发。它的硬度略低于金刚石，但热稳定性远高于金刚石，并且与铁族元素亲和力小，不易产生“积屑瘤”。CBN粒子硬度高达 4500HV，热导率高，在大气中加热至1300℃仍保持性能稳定，且与铁的反应性很低，是迄今为止能够加工铁族金属和钢铁材料最硬的刀具材料。它的出现使无法进行正常切削加工的淬火钢、耐热钢的高速切削变成了可能。淬火硬度60