【正文】 2 摘 要 制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，機(jī)械制造是發(fā)展先進(jìn) 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(jī)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(jì)的一般過(guò)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(duì)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(jì)人員參考、選用。 20 世紀(jì)后半葉微電子、計(jì)算機(jī)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(jìn)制造技術(shù)，并顯示出對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大推動(dòng)作用。 得制造業(yè)者得天下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外切削加工在整個(gè)制造加工中所占比例約為 80%~85%，而在國(guó)內(nèi)這一比例則高達(dá) 90%。刀具材料已從 20 世紀(jì)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(guò) 1000m/min，使切削加工生產(chǎn)率在不到 100 年時(shí)間提高了 100多倍。 我國(guó)的刀具材料在過(guò)去的時(shí)間里已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展 ，在某些領(lǐng)域甚至達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)，可在總體發(fā)面依然落后于世界 頂尖水平。 那以哪種為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行衡量測(cè)評(píng)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(yīng)用廣泛的“刀具材料主力部隊(duì)”作為主要的研究對(duì)象，希望能通過(guò)對(duì)它們的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀的研究分析來(lái)得出我國(guó)刀具材料以后可能的發(fā)展路線。對(duì)新材料的開(kāi)發(fā)不能放松，而發(fā)展和改進(jìn)現(xiàn)有的有著悠久使用歷史和大量使用經(jīng)驗(yàn)的刀具材料更具有現(xiàn)實(shí)意義。 當(dāng)今刀具材料發(fā)展的特點(diǎn)可以歸納為以下幾方面 ： 硬質(zhì)合金刀具材料仍然是應(yīng)用最廣的刀具材料，也是各國(guó)工具制造廠商著力發(fā)展的刀具材料， 因而應(yīng)用的廣度和深度都有顯著進(jìn)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(shì)探索干切削新工藝 ,是未來(lái)金屬切削發(fā)展的趨勢(shì)之一。因此 ,美國(guó)、德國(guó)、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)行熱壓 燒結(jié)而成的一種單相陶瓷材料 , 具有很高的強(qiáng)度 , 抗彎強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)度遠(yuǎn)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(kāi)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(diǎn)，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(dǎo)熱性能 , 在有色金屬和非金屬材料加工中得到廣泛的應(yīng)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(rèn)的、 理想的和不能代替的超精密加工刀具。設(shè)計(jì)和 制造單晶金剛石刀具時(shí) , 必須正確選擇晶體方向 , 對(duì)金剛石原料必須進(jìn)行晶體定向。 由于 POD 結(jié)合劑具有導(dǎo)電性 ,使得 PCD 便于切割成型 , 且成本遠(yuǎn)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(dá)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(jìn)了具有八十年代水平的硬質(zhì)合金材料牌號(hào)、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(diǎn)。設(shè)計(jì)方面，刀具的 CAD/CAM 科研工作結(jié)合技術(shù)引進(jìn)已應(yīng)用在數(shù)控刀具的開(kāi)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(shí)用技術(shù)兩方面均有所突破，開(kāi)發(fā)了我國(guó)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(duì)刀具材料有個(gè)籠統(tǒng)的了解，對(duì)主要研究方向的確立業(yè)有一定的幫助。 P 類相當(dāng)于我國(guó)原鎢鈦鉆類，主要成 分為 WC 十 TiC 十 Co，代號(hào)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(jìn)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(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面： （ 1） 細(xì)化晶粒 通過(guò)細(xì)化硬制相晶粒度，增大硬制相晶間表面積，增強(qiáng)晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強(qiáng)度和耐磨性均得到提高。m（微米級(jí)），超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)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(xì)化工藝方法。另一方面，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的價(jià)格較為昂貴，對(duì)其推廣應(yīng)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(dòng)化加工時(shí)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(qiáng)，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(guò)程的自動(dòng) 控制；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過(guò)鈍化，精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動(dòng)化加工對(duì)換刀定位精度的要求。 [9] TiN 涂層的改進(jìn)工作主要集中在新的 TiN 基合金和多元復(fù)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(chǎng)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(fù)合涂層 ,對(duì)涂層的力學(xué)性能與切削性能比較試驗(yàn)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?yàn)?: 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(yīng)力小，從而能承受沖擊性負(fù)荷（如銑刀）。 TiAIN 是后來(lái)發(fā)展起來(lái)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(jìn)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(jì)論文 20 （３）表面，整體熱處理和循環(huán)熱處理 對(duì)強(qiáng)韌性較好的硬質(zhì)合金表面進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的 P， K， M 類硬質(zhì)合金牌號(hào)中，均有這種添加了 Ta(Nb)C 的硬質(zhì)合金（尤以 M 類牌號(hào)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(qiáng)度，耐磨性亦有所改善。我國(guó)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(wèn)題的一種有效方法是使用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。 2）裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：當(dāng)裂紋尖端遇到彈性模量大于基質(zhì)的第二相時(shí)，裂紋將偏離原來(lái)的前進(jìn)方向，沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi)擴(kuò)展。橋接的晶須可對(duì)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(zhǎng)度范圍為 ~300181。我國(guó)目前使用的 SiCw 晶體特性見(jiàn)表 31。因此，在 制造 硬質(zhì)合金刀片時(shí) 應(yīng)考慮晶須取向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊?。為達(dá)到此目的，應(yīng)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(jìn)行切削加工，以充分實(shí)現(xiàn)這種刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用。 （二） 納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù) （ 1）強(qiáng)化機(jī)理 納米技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一門新興技術(shù)當(dāng)材料的晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)，就會(huì)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(yīng)用還有待時(shí)日。當(dāng)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(shí)將阻止橫向截面收縮，而要達(dá)到與基體相同的橫向收縮，就則增大縱向拉應(yīng)力，這樣就可以使材料消耗更多能量，起到增韌效果。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金在燒結(jié)時(shí)極易快速長(zhǎng)大，晶粒長(zhǎng)大會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個(gè)的粗大 WC 晶粒常常時(shí)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(zhǎng)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(biāo)可知，以固溶體形式添加抑制劑的硬質(zhì)合金各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，材料抗彎強(qiáng)度由較大提高。上述的理論提出了通過(guò)添加納米微粒來(lái)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?？焖匍L(zhǎng)大又必須通過(guò)添加碳化釩等抑制劑來(lái)控制。這導(dǎo)致了使用者只能根據(jù)具體加工對(duì)象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號(hào)中選擇適用的刀具材料 ，造成了諸多不 便。當(dāng)切削溫度高達(dá) 600℃ 以上時(shí)，硬度仍無(wú)明顯下降，用其制造的刀具切削速度可達(dá)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(xué)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(gè)鋼的淬火溫度很高，接近熔點(diǎn)，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(qiáng)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(diǎn)。 表 41 常用機(jī)夾高速鋼 刀具材料 牌號(hào)、性能及適用范圍 高速鋼牌號(hào) 淬、回 火硬度 HRC 抗彎 強(qiáng)度 (MPa) 沖擊 韌度 MJ/㎡ 6000C 下硬度 HRC 適用范圍 中國(guó)牌號(hào) 相似 I SO牌號(hào) 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(qiáng)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(qiáng)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(guò)去用的碳素工具鋼和合金工具鋼提高了好幾倍，為美國(guó)當(dāng)時(shí)的機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)贏得了巨大的經(jīng)濟(jì)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(jìn)給速度下工作，每小時(shí)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(wàn) ~22 萬(wàn)噸，中國(guó)高速鋼年產(chǎn)量已達(dá) 5萬(wàn) ~6 萬(wàn)噸。所以對(duì)它進(jìn)行研究也是非常有現(xiàn)實(shí)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(dāng)。增加鈷含量還可改善鋼的導(dǎo)熱性，降低刀具、工件間的摩擦系數(shù)， M42 是美國(guó)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(shí)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(lái) 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(jià)格高于 V3N。含鋁高速鋼是中國(guó)的一個(gè)獨(dú)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(hào)基本相同，為推廣應(yīng)用高性能高速鋼刀具創(chuàng)造了有利條件。用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融高速鋼水，得到細(xì)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(dá)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(shí)要產(chǎn)生粗大碳化物偏析的問(wèn)題，而它無(wú)論截面多大，其碳化物級(jí)別均為一級(jí)。高溫?zé)嵊捕纫脖热蹮捀咚黉撎岣?。 [16] 粉末冶金高速鋼具有良好的力學(xué)性能，適合制造：間斷切削條件下易崩刃的刀具、 強(qiáng)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(dòng)載荷下使用的刀具。中國(guó)鋼廠提供的品種較少，市場(chǎng)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(huì)得到更廣泛的應(yīng)用 ，為金屬加工業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展。因此節(jié)約本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)一般以高速鋼的基體成分為基礎(chǔ)，其 W、 M。其形成機(jī)理是通過(guò)在廉價(jià)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(diǎn)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(wèn)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(rèn)為 標(biāo)準(zhǔn)高速鋼和低合金高速鋼都有其各自的用途 ，在很多場(chǎng)合低合金高速鋼都因其自身缺憾代替不了 標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(guó)、日本、德國(guó)，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(jì)效益。