【正文】 2 摘 要 制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱，機械制造是發(fā)展先進 制造技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，而金屬切削技術(shù)及刀具是機械制造的主要工藝 ,本論文主要論述金屬的切削加工性及刀具設(shè)計的一般過程和步驟。 本文綜合了現(xiàn)今主要切削材料的加工性，以 資料分析 形式有針對性地做了關(guān)于 硬質(zhì)合金 刀具材料 和高速鋼刀具材料的 論述，便于設(shè)計人員參考、選用。 20 世紀后半葉微電子、計算機技術(shù)、信息工程、材料工程以及生物工的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)即先進制造技術(shù)，并顯示出對社會經(jīng)濟發(fā)展的巨大推動作用。 得制造業(yè)者得天下。據(jù)統(tǒng)計，國外切削加工在整個制造加工中所占比例約為 80%~85%，而在國內(nèi)這一比例則高達 90%。刀具材料已從 20 世紀初的高速鋼，硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷，超硬材料等，耐熱溫度已由 500~600℃提高到 1200℃以上，允許切削速度已超過 1000m/min，使切削加工生產(chǎn)率在不到 100 年時間提高了 100多倍。 我國的刀具材料在過去的時間里已經(jīng)取得了長足的發(fā)展 ，在某些領(lǐng)域甚至達到了國際先進水準，可在總體發(fā)面依然落后于世界 頂尖水平。 那以哪種為標準來進行衡量測評才更具有代表性意義呢 ？我查閱了大量資料后決定以硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料這兩種應用廣泛的“刀具材料主力部隊”作為主要的研究對象，希望能通過對它們的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀的研究分析來得出我國刀具材料以后可能的發(fā)展路線。對新材料的開發(fā)不能放松，而發(fā)展和改進現(xiàn)有的有著悠久使用歷史和大量使用經(jīng)驗的刀具材料更具有現(xiàn)實意義。 當今刀具材料發(fā)展的特點可以歸納為以下幾方面 ： 硬質(zhì)合金刀具材料仍然是應用最廣的刀具材料，也是各國工具制造廠商著力發(fā)展的刀具材料， 因而應用的廣度和深度都有顯著進展 。 高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐 ，麻花鉆，齒輪刀具，拉刀， 小直徑銑刀等 。 與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度，紅硬性和耐磨性。制造業(yè)是產(chǎn)生環(huán)境污染的主要根源 ,而利用現(xiàn)有刀具材料的優(yōu)勢探索干切削新工藝 ,是未來金屬切削發(fā)展的趨勢之一。因此 ,美國、德國、日本等經(jīng)濟發(fā)達國家都非常重視干式加工的研究。 [1] 賽隆陶瓷以 Si3N4 為硬質(zhì)相 , A12O3 為耐磨相 , 是氮化鋁、 氧化鋁和氮化硅的混合物 , 在 1800℃ 進行熱壓 燒結(jié)而成的一種單相陶瓷材料 , 具有很高的強度 , 抗彎強度達到 1050～ 1450MPa, 比 Al2O3 陶瓷刀具都高 , 其斷裂韌性也是幾種陶瓷刀具中最高 , 其沖擊強度遠勝于一般陶瓷刀具而接近涂層硬質(zhì)合金刀具。[2] 鈦基硬質(zhì)合金（原稱金屬陶瓷）性能的改善以及涂層鈦基硬質(zhì)合金的開發(fā)。 m1/2，克服了 Ti( 為基體的金屬陶瓷的硬度和斷裂韌性低的缺點，使材料適合做刀具。金剛石刀具具有高硬度、 高耐磨性和高導熱性能 , 在有色金屬和非金屬材料加工中得到廣泛的應用。單晶金剛石可分為天然單晶金剛石和人工合成單晶金剛石。因此 , 天然金剛石刀具切削也稱鏡面切削 , 天然金剛石刀具是一致公認的、 理想的和不能代替的超精密加工刀具。設(shè)計和 制造單晶金剛石刀具時 , 必須正確選擇晶體方向 , 對金剛石原料必須進行晶體定向。 由于 POD 結(jié)合劑具有導電性 ,使得 PCD 便于切割成型 , 且成本遠低于天然金剛石 。因此 , PCD 只能用于有色金屬和非金屬的精切 , 很難達到超精密鏡面切削。 尤其需要注重的就是硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料這兩種使用非常廣泛的材料。新材料新工藝不斷出現(xiàn) , 要求刀具綜合性能不斷提高 , 以保證加工質(zhì)量 , 降低生產(chǎn)成本 , 提高生產(chǎn)效率。在硬質(zhì)合金刀具方面引進了具有八十年代水平的硬質(zhì)合金材料牌號、可轉(zhuǎn)位刀 具和整體硬質(zhì)合金刀具制造技術(shù)，初步建立了數(shù)控刀具及工具系統(tǒng)生產(chǎn)點。設(shè)計方面，刀具的 CAD/CAM 科研工作結(jié)合技術(shù)引進已應用在數(shù)控刀具的開發(fā)生產(chǎn)中；可轉(zhuǎn)位刀 片斷屑槽形和模具的 CAD/CAM 技術(shù)精“八五”攻關(guān)在基礎(chǔ)理論和 實用技術(shù)兩方面均有所突破，開發(fā)了我國自己的通用槽形系列。我們必須加快發(fā)展金屬切削技術(shù)，提高刀具產(chǎn)品的水平。合理選擇刀具材料是刀具制造的第一步，也是決定刀具使用性能的先決條件。我們先弄清大致的分類，心中對刀具材料有個籠統(tǒng)的了解，對主要研究方向的確立業(yè)有一定的幫助。 P 類相當于我國原鎢鈦鉆類，主要成 分為 WC 十 TiC 十 Co，代號為 YT。比高速鋼有更高的硬度、耐磨性、耐高溫性及抗腐蝕性等。為進一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面： （ 1） 細化晶粒 通過細化硬制相晶粒度，增大硬制相晶間表面積，增強晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。m（微米級），超細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達０ .５ 181。等徑側(cè)向擠壓法（ＥＣＡＥ）是一種很有發(fā)展前途的晶粒細化工藝方法。另一方面，細晶粒硬質(zhì)合金的價格較為昂貴，對其推廣應用也起到一定制約作用。 涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由于其耐用度高，通用性好，用于小批量，多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動 控制；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過鈍化，精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。 [9] TiN 涂層的改進工作主要集中在新的 TiN 基合金和多元復合層 ,希望得到多元素組合的耐磨、 耐高溫涂層。 [11] 研究者采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍 PVD 涂層工藝制備了 Ti N、 Ti Al N、 Ti N2 MoS2 和 CrTi Al N 復合涂層 ,對涂層的力學性能與切削性能比較試驗研究表明 ： 1) 納米壓入分析得到 4 種刀具涂層的納米硬度大小排序為 : CrTi Al N Ti Al N Ti N Ti N2 MoS2 ,涂層的彈性模量與硬度成正比關(guān)系 。 PVD 工藝溫度低，硬質(zhì)合金刀具切削毋須鈍化，故刃口更鋒利；且表面殘余應力小，從而能承受沖擊性負荷（如銑刀）。 TiAIN 是后來發(fā)展起來的涂層材料，性能領(lǐng)先?，F(xiàn)在和今后的研究仍集中在新的粉末體系的制備。因此 , 溶膠 凝膠法是一種值得進一步研究的有潛力的制備硬質(zhì)合金涂層刀具的方法。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 （３）表面，整體熱處理和循環(huán)熱處理 對強韌性較好的硬質(zhì)合金表面進行滲氮，滲硼等處理，可有效提高其表面耐磨性。好的熱處理可以讓材料脫胎換骨。在 ISO 標準的 P， K， M 類硬質(zhì)合金牌號中，均有這種添加了 Ta(Nb)C 的硬質(zhì)合金（尤以 M 類牌號中較多）。 （ 5）添加稀土元 素 在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素，可有效提高材料的韌性和抗彎強度，耐磨性亦有所改善。我國稀土資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。解決這一問題的一種有效方法是使用晶須增韌補強技術(shù)。 2）裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：當裂紋尖端遇到彈性模量大于基質(zhì)的第二相時，裂紋將偏離原來的前進方向，沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi)擴展。橋接的晶須可對基質(zhì)產(chǎn)生使裂紋閉合的力，消耗外界載荷做功，從而提高材料韌性。這種方式目前使用較 廣泛。m，長度范圍為 ~300181。我國目前使用的 SiCw 晶體特性見表 31。因此，在 制造 硬質(zhì)合金刀片時 應考慮晶須取向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊?。為達到此目的，應根據(jù)刀具損壞方式的不同，分別優(yōu)選出具有不同晶須含量和不同晶須取向的 WCCoSiCw 刀具進行切削加工，以充分實現(xiàn)這種刀具材料的增韌補強作用。 （二） 納米復合強化技術(shù) （ 1）強化機理 納米技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一門新興技術(shù)當材料的晶粒尺寸達到納米級，就會產(chǎn)生許多特異性能。因此，納米硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化應用還有待時日。當在基質(zhì)材料中加入高彈性模量的第二相粒子（納米顆粒）后，這些粒子在基質(zhì)材料受到拉伸作用時將阻止橫向截面收縮，而要達到與基體相同的橫向收縮，就則增大縱向拉應力，這樣就可以使材料消耗更多能量，起到增韌效果。細晶粒硬質(zhì)合金在燒結(jié)時極易快速長大，晶粒長大會導致材料強度下降，單個的粗大 WC 晶粒常常時硬質(zhì)合金發(fā)生斷裂的重要誘因。 通常用于控制 WC晶粒長大的抑制劑 VC， Cr3C2 等，此外，添加的難溶炭化物還有 TiC,ZrC,NbC,MozC,HfC,TaC 等。由按不同方式添加抑制劑的 WC8%Co 硬質(zhì)合金的性能指標可知，以固溶體形式添加抑制劑的硬質(zhì)合金各項性能指標較好，材料抗彎強度由較大提高。上述的理論提出了通過添加納米微粒來改善硬質(zhì)合金內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)，而由此引起的燒結(jié)期晶粒快速長大又必須通過添加碳化釩等抑制劑來控制。這導致了使用者只能根據(jù)具體加工對象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號中選擇適用的刀具材料 ，造成了諸多不 便。當切削溫度高達 600℃ 以上時，硬度仍無明顯下降，用其制造的刀具切削速度可達每分鐘 60 米以上，而得其名。退火狀態(tài)的高速工具鋼的主要合金元素有多、鉬、鉻、釩，還有一些高速工具鋼中加入了鈷、鋁等 元素。碳化物的數(shù)量、類型與鋼的化學成分有關(guān)，而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關(guān)。高速工個鋼的淬火溫度很高，接近熔點，其目的是使合金碳化物更多的溶入基體中，使鋼具有更好的二次硬化能力。 量大面廣，強度高、韌性好、性能比較 穩(wěn)定、工藝性好是高速鋼刀具材料的優(yōu)點。 表 41 常用機夾高速鋼 刀具材料 牌號、性能及適用范圍 高速鋼牌號 淬、回 火硬度 HRC 抗彎 強度 (MPa) 沖擊 韌度 MJ/㎡ 6000C 下硬度 HRC 適用范圍 中國牌號 相似 I SO牌號 W6Mo5Cr4 V2 HS652 63～ 66 3500 ～ 4000 ～ 47 ～ 48 適于切削在 250～ 280HPS及以下的大部分結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵，也適于制作承受較大沖擊力的刀具，為通用型，切削速度不高于50～ 60m/min W9Mo3Cr4 V 64～ 66 4000 ～ 4500 ～ W6Mo5Cr4 V3 HS653 65～ 67 3200 可加工高強度鋼、耐熱鋼以及纖維、硬橡皮、塑料等 W6Mo4Cr4 V2Co5 HS652 5 65～ 66 3000 54 由于耐磨性、耐熱性比較好、適于加工高強度鋼、耐熱鋼、合金鋼、不銹鋼、鈦合金等。高速鋼刀具可用 30m/min 的速度切削鋼材， 其效率比過去用的碳素工具鋼和合金工具鋼提高了好幾倍，為美國當時的機械工業(yè)生產(chǎn)贏得了巨大的經(jīng)濟效益。在現(xiàn)代切削加工中，它的使用范圍正在不斷縮小。某些優(yōu)質(zhì)高速鋼滾刀由于能在較高進給速度下工作，每小時加工齒輪數(shù)可高于硬質(zhì)合金滾刀。 近年，全世界高速鋼年產(chǎn)量約為 16 萬 ~22 萬噸，中國高速鋼年產(chǎn)量已達 5萬 ~6 萬噸。所以對它進行研究也是非常有現(xiàn)實意義的。與 W18Cr4V 相比 95W18Cr4V 的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相當。增加鈷含量還可改善鋼的導熱性，降低刀具、工件間的摩擦系數(shù)， M42 是美國在這方面的代表性鋼種，其綜合性能甚為優(yōu)越。 3) 高釩高速鋼 高釩高速鋼的釩含量為 3%～ 5%，同時加大含碳量，形成 VC 與 V4C3，使高速鋼得到高的硬度和耐磨性。后來 又研制出低鈷含氮高速鋼Co3N(W12Mo3Cr4Co3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但價格高于 V3N。含鋁高速鋼是中國的一個獨創(chuàng)。近年，河冶和天工兩家公司大批量的生產(chǎn)各類高性能高速鋼，兩家的鋼號基本相同，為推廣應用高性能高速鋼刀具創(chuàng)造了有利條件。用高壓氬氣或氮氣霧化熔融高速鋼水，得到細小高速鋼粉末，篩選后為 以下的顆粒；在真空 ()狀態(tài)下，密閉燒結(jié)達到密度 65%；再在 1100℃ 高溫、 300MPa 高壓下制成密度 100%的鋼坯，然后鍛軋成鋼材，這樣有效地解決了熔煉高速鋼在鑄 錠時要產(chǎn)生粗大碳化物偏析的問題，而它無論截面多大，其碳化物級別均為一級。高溫熱硬度也比熔煉高速鋼提高 。 [16] 粉末冶金高速鋼具有良好的力學性能，適合制造：間斷切削條件下易崩刃的刀具、 強度高而切削刃又必須鋒利的刀具 ，如插齒刀、滾刀、銑刀，高壓動載荷下使用的刀具。中國鋼廠提供的品種較少，市場用量也很少。 我們有 理由相信技術(shù)性能高的粉末冶金高速鋼將會得到更廣泛的應用 ，為金屬加工業(yè)帶來新的發(fā)展。因此節(jié)約本科畢業(yè)設(shè)計論文 32 合金元素既有重要的戰(zhàn)略意義，又可節(jié)約鋼材成本。低合金高速鋼的成分設(shè)計一般以高速鋼的基體成分為基礎(chǔ)，其 W、 M。其形成機理是通過在廉價的金屬材料表面，滲入合金元素 W、 M。該工藝技術(shù)的突出優(yōu)點是 : 形成的表面高速鋼層與基體是冶金結(jié)合，不存在著滲層與基體的剝落問題 。 但是，該工藝技術(shù)由于采用先滲 W、 Mo，再固溶處理，最后滲碳的多步形成表面高速鋼的方法。 我認為 標準高速鋼和低合金高速鋼都有其各自的用途 ，在很多場合低合金高速鋼都因其自身缺憾代替不了 標準高速鋼的作用， 目前一些廠家虛假鼓吹低合金高速鋼的性能是不正確的，應該引起重視，可也不能因此就把它一棍子打死。涂層厚度為 5～ 10181。在美國、日本、德國，近一半的齒輪加工 刀具及立銑刀、鉆頭 等采用涂層， 提高了切削效率 ，獲得了顯著的經(jīng)濟效益。