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高速切削刀具技术1.4.2高速切削的刀具技术（1）对高速切削刀具材料的要求良好的高温化学性能和物理性能化学稳定性抗涂层破裂性抗粘接性和抗热振性1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料高速切削加工刀具材料必须根据被加工工件的材质和加工特性进行选择，并配以合理的切削条件，才能发挥优异的切削性能。当今刀具材料的快速发展有力地推动了高速切削的实际应用。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料对于钢、铸铁等黑色金属，宜选用陶瓷、金属陶瓷及立方氮化硼刀具；对于铝、镁等有色金属，宜选用聚晶金刚石PCD和化学气相沉积金刚石涂层刀具CVD等刀具材料。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料1）金刚石特点:有极高的硬度（10000HV）和耐磨性，是目前已知的最硬物质；刀具切削刃非常锋利，适合于极精密的加工；具有很高的导热系数和很低的线膨胀系数，故加工质量好。耐热温度可达700℃～800℃。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料1）金刚石能用作刀具材料的金刚石有四类：天然金刚石人工合成单晶金刚石聚晶金刚石化学气相沉积金刚石涂层刀具1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料1）金刚石——天然金刚石天然金刚石是最昂贵的刀具材料，由于天然金刚石可以刃磨成最锋利的切削刃，主要应用在超精密加工领域，如加工微机械的微型零件、光学镜面、导弹和火箭中的导航陀螺、计算机硬盘芯片等。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料1）金刚石——人工合成单晶金刚石人工合成单晶金刚石刀具有很好的尺寸、形状和化学稳定性，主要用来加工木材如加工高耐磨Al2O3涂层的层状木地板。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料1）金刚石——聚晶金刚石(PCD)聚晶金刚石(PCD)是以钴粉作为粘结剂，在高温高压下(约5000个大气压，几千摄氏度)压制而成的。聚晶金刚石具有优异的耐磨性，可用来切削有色金属及非金属材料。例如：精加工难加工材料如硅铝合金和硬质合金等。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料1）金刚石——化学气相沉积(CVD)金刚石化学气相沉积(CVD)金刚石涂层刀具也适合于高速加工铝及其他有色金属如紫铜、黄铜、青铜，还可以用来加工石墨制品和复合材料如碳一碳增强塑料、玻璃纤维增强塑料、酚醛树脂等。CVD金刚石薄膜涂层刀具可以应用于复杂形状的刀具如带断屑槽的刀片、整体立铣刀、刨刀、钻头等。金刚石厚膜涂层刀具常用来高速切削过共晶铝合金。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料2）立方氮化硼立方氮化硼与聚晶金刚石一样，也是在高温高压下人工合成的，立方氮化硼具有卓越的化学及热稳定性，同铁族元素几乎不发生反应，这一点要优于金刚石。因此，加工黑色金属时要使用立方氮化硼，而不用金刚石。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料2）立方氮化硼特点:有很高的硬度（8000HV～9000HV）和耐磨性，因而刀具寿命很高；有很高的耐热性，耐热温度可达1400℃～1500℃有良好的化学稳定性；有良好的导热性和较低的摩擦系数。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料2）立方氮化硼——聚晶立方氮化硼(PCBN)聚晶立方氮化硼(PCBN)特别适合于加工铸铁、耐热合金和硬度超过45HRC的淬硬钢(如发动机箱体、齿轮、轴、轴承等汽车零部件)。PCBN刀具还适合于干切削，可以用2000m/min以上的高速加工灰铸铁。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料2）立方氮化硼PCBN刀具在高速硬切削方面的应用比较广泛，尤其是精加工汽车发动机的零部件，比如硬度在60~65HRC之间的齿轮、轴、轴承。这些零部件过去是靠磨削加工来保证尺寸精度和表面质量的，高速硬切削可省略磨削工序，使加工效率提高，成本降低。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料2）立方氮化硼——立方氮化硼CBN立方氮化硼CBN的力学和热学性能受粘接剂的种类及其含量的影响很大。粘结剂有钻、镍或碳化钛、氮化钛、氧化铝等，因此，CBN的颗粒大小和粘接相种类直接影响它的切削性能。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料2）立方氮化硼CBN含量低(50％～65％)的PCBN刀具主要用来精加工钢(45～65HRC)；CBN含量高(80％～90％)的PCBN刀具用来高速粗加工、半精加工镍铬铸铁，断续加工淬硬钢、硬质合金、金属陶瓷、重合金等。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料3）陶瓷刀具陶瓷是非金属材料，其优点是具有极高的耐磨性和高温硬度。特点:有很高的硬度（91HRA～95HRA）和耐磨性，因而刀具寿命高；有很高的耐热性（耐热温度1200℃）；有良好的抗粘结性和化学稳定性，陶瓷刀具抗粘结、抗扩散、抗氧化磨损的能力强；有较低的摩擦系数，不易产生积屑瘤，故加工表面粗糙度小。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料3）陶瓷刀具陶瓷刀具材料主要有两大类：氧化铝基陶瓷(Al2O3)氮化硅基陶瓷(Si3N4)1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料3）陶瓷刀具——氧化铝基陶瓷氧化铝基陶瓷具有良好的化学稳定性，与铁系金属亲和力很小，因此不易发生粘接磨损。氧化铝在铁中的溶解度只有WC在铁中溶解度的五分之一，因此，氧化铝基陶瓷扩散磨损小，同时它的抗氧化能力强。但氧化铝基陶瓷的强度、断裂韧性、导热系数和抗热震性都比较低。氧化铝基陶瓷刀具在高速切削钢时具有比氮化硅陶瓷刀具更优越的切削性能。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料3）陶瓷刀具氧化铝基陶瓷适于加工各种钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等)和各种铸铁，也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料3）陶瓷刀具——氮化硅基陶瓷与氧化铝陶瓷相比，氮化硅基陶瓷具有较高的强度、断裂韧性和抗热震性能，较低的热胀系数、杨氏模量和化学稳定性。氮化硅基陶瓷与铁不易发生粘接，因此，主要用来高速加工铸铁。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料3）陶瓷刀具——赛阿龙(Sialon)陶瓷刀具赛阿龙(Sialon)陶瓷刀具具有较高的强度、断裂韧性、抗氧化性能、导热率、抗热震性能和抗高温蠕变性能。但是赛阿龙刀具的热膨胀系数低，不适合加工钢料，主要用来粗加工铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等)和镍基高温合金。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料4）TiC(N)基硬质合金TiC(N)基硬质合金(即金属陶瓷)的主要成分是碳氮化钛和作为粘结相的镍或钴。金属陶瓷的化学稳定性好，因此抗磨损能力强。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料4）TiC(N)基硬质合金特点：TiC(N)基硬质合金的硬度已经达到93HRA，接近陶瓷的水平。TiC基硬质合金的刀具寿命比WC基硬质合金高。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料4）TiC(N)基硬质合金属陶瓷适于高速加工碳钢、不锈钢、球墨铸铁，可以获得较低的表面粗糙度。但是，TiC基硬质合金的抗弯强度和韧性不如WC基硬质合金，因此不适于重载荷切削及断续切削，只适用于精加工。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料4）TiC(N)基硬质合常用的金属陶瓷有：a)高耐磨性的TiC+Ni或Mo(YN)、高韧性的TiC+WC+TaC+Co(YW)；b)增韧TiN基金属陶瓷；c)具有高耐磨和抗热震性的强韧的TiCN+NbC基硬质合金。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具高速切削对刀具材料的性能要求比普通切削要求更高，刀具材料在高温下，既要有高硬度和高的耐磨性，同时又要有较高的强度和韧性。涂层刀具是解决这一矛盾的最佳方案之一。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具涂层刀具实际上就是在具有高强度和韧性的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材料。刀具涂层工艺主要有两种：化学气相沉积法(CVD)物理气相沉积法(PVD)1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具化学气相沉积法就是在1000℃高温的真空炉中通过真空镀膜或电弧蒸镀将涂层材料沉积在刀具基体表面，沉积一层15厚的涂层大概需4个小时。最早的涂层材料是碳化物，后来发展为氮化钛、碳氮化钛和氧化铝，现在切削加工刀具中化学气相沉积法经钴强化的刀片占到了40％~50％。mμ1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具物理气相沉积法与化学气相沉积法类似，只不过物理气相沉积是在500℃左右完成的。物理气相沉积法起先应用在高速钢上，后来在硬质合金刀具上应用。化学气相沉积法大多是多层涂层，而物理气相沉积法则单涂层与多层涂层都可以。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具纳米涂层刀具维氏硬度可达HV2800~3000，据报道，目前已开发出碳化钛和碳氮化钛交替涂层达到62层的涂层刀具和400层的TiAlN-TiAlN/A1203纳米涂层刀具。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具最常见的三种涂层材料是氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)和氮铝化钛(TiAlN)纳米涂层刀具。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具20世纪80年代出现的氮化钛涂层应用最广泛，其涂层颜色为金黄色，容易辨认。氮化钛涂层可增加表面硬度和耐磨性，降低摩擦系数，减少积屑瘤的产生，延长刀具寿命。氮化钛涂层刀具适合于加工低合金钢和不锈钢。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具碳氮化钛涂层表面为灰色，硬度比氮化钛涂层还要高，耐磨性更好。与氮化钛涂层相比，碳氮化钛涂层刀具能在更大的进给速度及切削速度下加工(分别比氮化钛涂层高出40％和60％)，工件材料去除率更高。碳氮化钛涂层刀具可以加工各种工件材料。1.4.2高速切削的刀具技术（2）高速切削的刀具材料5）涂层刀具氮铝化钛涂层呈现灰色或黑色，主要涂在硬质合金刀具基体表面，切削温度达800~C时仍能进行加工，适合于高速干切削。干切削时切削区的切屑可以用压缩空气来去除。氮铝化钛适合加工淬硬钢、钛合金、镍合金、铸铁和高硅铝合金等。1.4.2高速切削的刀具技术（3）高速切削加工对刀具系统的要求所谓刀具系统是指装夹刀柄与切削刀具所组成的刀具体系。装夹刀柄与机床主轴相配，切削刀具直接加工零件，两者在切削过程中极为重要。高速切削加工的刀具系统必须满足：刚性好、传递扭矩大、体积小、动平衡好、高速下切削振动小，装夹刀具后能够承受高的加减速度和集中应力。1.4.2高速切削的刀具技术（3）高速切削加工对刀具系统的要求高速切削加工不仅仅是主轴转速的提高，而是指整体加工时间的缩短。因此，高速切削加工不仅要求切削刀具具有很高的刚性、安全性、柔性、动平衡特性和操作方便性。而且对刀具系统与机床接口的连接刚度、精度以及刀柄对刀具的夹持力与夹持精度等都提出了很高的要求。1.4.2高速切削的刀具技术（3）高速切削加工对刀具系统的要求具体要求如下：1)刀具结构必须具有高度安全性。即要防止刀具高速回转时刀片飞出，并保证旋转过程中刀片在2倍于最高转速时不会破裂。1.4.2高速切削的刀具技术（3）高速切削加工对刀具系统的要求具体要求如下：2)刀具系统具有优异的动平衡特性。高速切削刀具系统的动平衡性能是至关重要的。按理论力学知识可知，离心力F=mrw2。如果刀具系统的动平衡性能比较差时，高速旋转的刀具会产生很大的离心力，从而导致刀杆弯曲并产生震动，其结果将使被加工零件质量降低，甚至导致刀具损坏。1.4.2高速切削的刀具技术（3）高速切削加工对刀具系统的要求具体要求如下：3)具有高的系统刚性。刀具系统的静刚度和动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚性不足将导致刀具系统振动或倾斜，使零件的加工精度和加工效率降低，同时，还会使刀具磨损加剧，降低刀