机械加工车磨复合材料的特点及发展趋势

　　赵海洋++韩洋
　　摘 要：金属切削加工作为制造技术中最主要的工艺技术，决定着制造业中零件的加工效率、精度、质量和成本。切削加工是机械制造业最基本最大量的工艺技术，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套加工技术为特征的发展新阶段。与此同时，制造技术和加工材料的发展推动着刀具技术的发展，刀具技术也向高速切削、高精度和干式加工的方向发展，新的切削工艺和加工方法不断出现。在机械加工中，刀具材料是决定加工效率、加工质量和加工成本的关键因素之一，正确选择和应用刀具材料至关重要。
　　关键词：机械加工；车刀材料；车磨复合刀片
　　一、车刀材料概述
　　（一）车刀材料的发展
　　随着制造业的发展，新型刀具材料不断涌现，比如陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼等超硬材料刀具的出现，使切削加工的水平提高到一个崭新的水平，切削速度大幅提高。使一些原来难加工的或不可切削加工的硬脆材料的加工也成为可能。在现代刀具材料中，硬质合会占主导地位。涂层硬质合金刀具促使切削加工水平和能力向前迈进了一大步，耐热性提高到1000～1200℃以上，随着新型涂层材料的不断涌现，新型涂层技术的不断发展，硬质合金涂层刀具的使用领域不断扩大，在高速切削和超硬材料加工方面得到广泛应用，其优良的性价比使硬质合金刀具的发展上进入了一个崭新的阶段。
　　（二）常用车刀材料
　　常用的车刀材料主要有：
　　1.碳素工具钢
　　2.合金工具钢
　　3.高速钢
　　4.铸造钴基合金（斯太立特合金）
　　5.硬质合金：
　　a）氧化铝基陶瓷
　　b）氯化硅陶瓷
　　6.超硬刀具材料：
　　a）立方氮化硼刀具
　　b）金刚石刀具。
　　二、车磨复合刀片
　　（一）车磨复合刀片的特点
　　车磨复合刀具是在具有高强度和韧性的基体材料上通过化学或物理的方法在刀具表面形成某种薄膜，使切削刀具获得优良的综合切削性能，从而满足高速切削加工的要求，从而使加工过程达到以车代磨得效果。例如可转位刀片的硬质合金表面生长一层磨料或者超硬材料制成的刀具，即磨料薄膜涂层刀具具有磨料的特性。在硬质合金表面生长一层磨料制成的刀具，即磨料薄膜涂层刀具具有磨料的特性。这种刀片将韧性与耐磨性有机地结合在一起，使刀具寿命提高2-5倍。目前，涂层硬质合金刀片已发展到多涂层和超硬材料即金刚石或CBN，其耐磨性和切削能力显著提高，应用范围也日益扩大。当此类刀片具有以下特点：
　　1.由于刀具涂层具有很高的硬度和耐磨性，故与无涂层刀具相比，在不降低刀具强度的条件下，大幅度地提高刀具表面硬度、耐磨性和刀具的切削寿命。
　　2.随着涂层技术的不断发展，刀具涂层稳定性及高温抗氧化性更加突出，从而能够进行高速切削加工，有效地提高切削加工效率，同时可以提高加工质量，在一定的程度上可以达到以车代磨的效果。
　　3.采用涂层刀具进行加工时，可有效地改善零件加工质量，也适合于干式切削加工。
　　4.刀具涂层技术有效地减少刀具材料的消耗，可进行重复涂层工艺，降低力成本；减少冷却液的使用，利于环境保护。刀具表面涂覆的硬质薄膜主要是一些具有高硬度的耐磨化合物，一般有如下要求：硬度高、耐磨性能好；化学性能稳定，不与工件材料发生化学反应；耐热耐氧化，摩擦系数低，与基体附着牢固；应有渗透，无气孔；良好的工艺性和低成本。
　　（二）国内外研究现状
　　车削加工的刀片一直以硬质合金为主，要求刀片寿命长、可靠性高、能适应高速切削等特性。由于工件毛坯净成形技术的发展，加工余量逐渐减小，使切削更稳定，因此刀具寿命就成了选择刀具的关键。提高刀具使用寿命的方法并不像立铣刀那样改进切削刀形状，而是针对刀具材质制定对策，以提高硬质合金涂层的耐磨性来延长刀具寿命
　　车削用可转位刀片以涂层硬质合金为主这一点变化不大，但近年来以高速切削和提高刀具寿命为目的的新型涂层和基体材料的开发有了很大进展。涂层硬质合金近年来也有了新的发展，如金属陶瓷具有很高的抗粘结性，在HRC40以下钢材的精加工时可进行高速切削，且表面粗糙度低，但它在切削时的耐热性和抗冲击性
　　较差。
　　（三）车磨复合材料的发展趋势
　　当今，研制发展新型刀具材料目的在于改善现有刀具的材料性能，使其更具有广泛的应用范围，满足新的难加工材料的切削加工要求。近年来刀具材料的发展与应用主要的方向是发展高性能的新型材料，提高刀具材料的使用性能，增加刃口的可靠性，延长刀具的使用寿命；大幅度地提高切削效率，满足各种难加工材料的切削要求，同时提高切削的加工精度，在一定的程度上达到以车铣代磨的效果。
　　1.开发加入增强纤维须得陶瓷材料，进一步提高陶瓷刀具材料的性能。与铁金属相容的增强纤维可以使陶瓷刀片韧性提高，实现直接压制成形带有前角及断屑槽的陶瓷刀片。使陶瓷刀片能更好地控制切屑，大幅度提高切削用量。
　　2.改进碳化钛、氮化钛基硬质合金材料，提高其韧性及刃口的可靠性，使其能用于半精加工或粗加工。
　　3.开发新的涂层材料。目前涂层硬质合金已普遍用于车、铣刀具。新的涂层材料用更韧的基体与更硬的刃口组合，采用更细颗粒和改进涂层与基体粘合性，以提高道具的可靠性。
　　4.进一步改进粉末冶金高速刚得制造工艺，扩大其应用范围，开发挤压复合材料。如用挤压复合材料制成的整体立铣刀由两层组成：外层是分布于钢母体中的50%氮化硅，内心是高速钢。它的生产率是传统高速钢立铣刀的三倍。特别适合加工硬度大40HRC的淬硬钢和钛合钢。
　　5.推广应用金刚石和CBN涂层刀具，扩大超硬刀具材料在机械制造中的应用。期望在硬质合金基体上加一层金刚石或CBN薄膜，能获得金刚石或CBN的抗磨性，同时又具有最佳刀具形状和高的抗振性能，这样就能在非铁金属加工中兼备高速的切削能力和最佳刀具形状。
　　三、结论
　　复合刀具不仅是加工高硬度材料的理想刀具，而且适用于高速精密和自动化加工，尤其是用超硬材料刀具进行以车代磨、以铣代磨，更具有高效、低耗，已成为先进制造技术不可缺少的工艺装备。
　　参考文献：
　　[1]肖诗纲.现代刀具材料[M].重庆大学出版杜，1992.
　　[2]方啸虎.超硬材料科学与技术[M].北京：中国建材工业山版社，1998.