目前廣泛應(yīng)用的數(shù)控加工刀具材料主要有金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具等。
切削加工材料種類
刀具材料的牌號(hào)多，其性能相差也很大。如下表各種刀具材料的主要性能指標(biāo)。
數(shù)控加工用刀具材料必須根據(jù)所加工的工件和加工性質(zhì)來選擇。刀具材料的選用應(yīng)與加工對(duì)象合理匹配，切削刀具材料與加工對(duì)象的匹配，主要指二者的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能相匹配，以獲得最長(zhǎng)的刀具壽命和最大的切削加工生產(chǎn)率。
切削刀具材料與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配問題主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性能參數(shù)要相匹配。具有不同力學(xué)性能的刀具材料所適合加工的工件材料有所不同。
① 刀具材料硬度順序?yàn)椋?strong style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; overflow-wrap: break-word !important;">金剛石刀具>立方氮化硼刀具>陶瓷刀具>硬質(zhì)合金>高速鋼。
② 刀具材料的抗彎強(qiáng)度順序?yàn)椋?strong style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; overflow-wrap: break-word !important;">高速鋼>硬質(zhì)合金>陶瓷刀具>金剛石和立方氮化硼刀具。
③ 刀具材料的韌度大小順序?yàn)椋?strong style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; overflow-wrap: break-word !important;">高速鋼>硬質(zhì)合金>立方氮化硼、金剛石和陶瓷刀具。
高硬度的工件材料，必須用更高硬度的刀具來加工，刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。如，硬質(zhì)合金中含鈷量增多時(shí)，其強(qiáng)度和韌性增加，硬度降低，適合于粗加工；含鈷量減少時(shí)，其硬度及耐磨性增加，適合于精加工。
具有優(yōu)良高溫力學(xué)性能的刀具尤其適合于高速切削加工。陶瓷刀具優(yōu)良的高溫性能使其能夠以高的速度進(jìn)行切削，允許的切削速度可比硬質(zhì)合金提高2～10倍。
具有不同物理性能的刀具，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)熱較好的刀具材料，以使切削熱得以迅速傳出而降低切削溫度。金剛石由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易散出，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。
① 各種刀具材料的耐熱溫度：金剛石刀具為700～800℃；PCBN刀具為1300～1500℃；陶瓷刀具為1100～1200℃；TiC(N)基硬質(zhì)合金為900～1100℃；WC基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金為800～900℃；HSS為600～700℃。
② 各種刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)順序：PCD>PCBN>WC基硬質(zhì)合金>TiC(N)基硬質(zhì)合金>HSS>Si3N4基陶瓷>A1203基陶瓷。
③ 各種刀具材料的熱脹系數(shù)大小順序?yàn)椋篐SS>WC基硬質(zhì)合金>TiC(N)> A1203基陶瓷>PCBN>Si3N4基陶瓷>PCD。
④ 各種刀具材料的抗熱震性大小順序?yàn)椋篐SS>WC基硬質(zhì)合金>Si3N4基陶瓷>PCBN>PCD>TiC(N)基硬質(zhì)合金>A1203基陶瓷。
切削刀具材料與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配
切削刀具材料與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配問題主要是指刀具材料與工件材料化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散和溶解等化學(xué)性能參數(shù)要相匹配。材料不同的刀具所適合加工的工件材料有所不同。
① 各種刀具材料抗粘接溫度高低(與鋼)：PCBN>陶瓷>硬質(zhì)合金>HSS。
② 各種刀具材料抗氧化溫度高低：陶瓷>PCBN>硬質(zhì)合金>金剛石>HSS。
③種刀具材料的擴(kuò)散強(qiáng)度大小：對(duì)鋼鐵，金剛石>Si3N4基陶瓷>PCBN>A1203基陶瓷；對(duì)鈦，A1203基陶瓷>PCBN>SiC>Si3N4>金剛石。
硬度和耐磨性
刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。一般情況下，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。
強(qiáng)度和韌性
刀具切削部分要承受很大的切削力和沖擊力，因此，刀具材料應(yīng)具備較高的強(qiáng)度和韌性，以便承受切削力、沖擊和振動(dòng),防止刀具脆性斷裂和崩刃。
耐熱性和導(dǎo)熱性
在高溫下刀具仍能保持其硬度和強(qiáng)度，耐熱性越好，刀具在高溫時(shí)抗塑性變形的能力、抗磨損的能力也越強(qiáng)；導(dǎo)熱性越好，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量越容易傳導(dǎo)出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。
可加工性和經(jīng)濟(jì)性
為便于制造，刀具材料應(yīng)具有良好的可加工性，包括熱加工性能、機(jī)械加工性能，磨削加工性能等，從而追求高的性價(jià)比。
一般而言，PCBN、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金及TiCN基硬質(zhì)合金刀具適合于鋼鐵等黑色金屬的數(shù)控加工；而PCD刀具適合于對(duì)Al、Mg、Cu等有色金屬材料及其合金和非金屬材料的加工。表3-3-2列出了上述刀具材料所適合加工的一些工件材料。
下表出了各種刀具材料所適合加工的一些工件材料。
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