河南工業(yè)大學材料科學與工程學院副院長栗正新教授

刀具發(fā)展

　　18世紀后期，碳素工具鋼刀具，耐熱溫度為200℃，切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽機氣缸孔和端面， 需要大約1個月時間。1861年英國人首先制備出合金工具鋼刀具，耐熱溫度達到300℃左右，切削速度20m/min。1898年美國人研制成功高速鋼刀具，耐熱溫度達到500℃左右，切削速度30-40m/min。高速鋼刀具的出現(xiàn)，引起了金屬切削加工的第一次革命，新型高速機床隨之出現(xiàn)。1925年德國人首先發(fā)明了硬質(zhì)合金刀具，耐熱溫度達到600-800℃左右，切削速度40-200m/min。硬質(zhì)合金刀具的出現(xiàn)，引起了金屬切削加工的又一次革命。20世紀30年代，出現(xiàn)陶瓷刀具，但并未得到廣泛應用，50年代以后，逐步發(fā)展，目前，耐熱溫度達到1100-1400℃，切削速度500-1000m/min。20世紀50年代美國GE公司首先合成人造金剛石和CBN，CBN硬度接近金剛石，耐熱溫度達到1400-1500℃。自20世紀70年代初美國GE公司研制成功聚晶金剛石(PCD)刀片，目前，在很多場合下已經(jīng)替代了天然金剛石。

　　實例：加工直徑為100mm，長度500mm的碳鋼棒。1890年，用碳素工具鋼刀具，需要100min。1910年，用高速鋼刀具，需要26min?，F(xiàn)在，用硬質(zhì)合金刀具，需要1.5min?，F(xiàn)在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0min。

刀具性能

　　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。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。

　　強度和韌性：刀具材料應具備較高的強度和韌性，以便承受切削力、沖擊和振動，防止刀具脆性斷裂和崩刃。

　　耐熱性：刀具材料的耐熱性要好，能承受高的切削溫度，具備良好的抗氧化能力。

　　工藝性能和經(jīng)濟性：刀具材料應具備好的鍛造性能、熱處理性能、焊接性能、加工性能等，而且要追求高的性能價格比。

　　數(shù)控刀具應具有高的可靠性：數(shù)控加工速度和自動化程度高，要求刀具應具有很高的可靠性。

　　數(shù)控刀具應具有高的耐熱性、抗熱沖擊性能和良好的高溫力學性能。

　　刀具能實現(xiàn)快速更換：數(shù)控刀具要求刀具互換性好，更換迅速，尺寸調(diào)整方便，安裝可靠，以減少因更換刀具而造成的停頓時間。

　　采用多功能及復合刀具：一種數(shù)控刀具能完成零件不同工序的加工，減少換刀次數(shù)，節(jié)省時間，減少刀具的數(shù)量和庫存量，便于管理。

　　不同材料刀具性能比較

刀具材料

　　高速鋼

　　高速鋼是一種加人了較多的鎢、鉻、釩、鉬等合金元素的高合金工具鋼，有良好的綜合性能。其強度和韌性是傳統(tǒng)刀具材料中最高的。

　　高速鋼的制造工藝簡單，容易刃磨成鋒利的切削刃；鍛造、熱處理變形小，目前在復雜的刀具，如麻花鉆、絲錐、拉刀、齒輪刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。

　　普通高速鋼，如W18Cr4V,廣泛用于制造各種復雜刀具。其切削速度一般不太高，切削普通鋼料時為40—60m／min。

　　高性能高速鋼，如W12Cr4V4Mo是在普通高速鋼中再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素冶煉而成的。它的耐用度為普通高速鋼的1．5—3倍

　　粉末冶金高速鋼是70年代投入市場的一種高速鋼，其強度與韌性分別提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。目前我國尚處于試驗研究階段，生產(chǎn)和使用尚少。

　　高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷

　　硬質(zhì)合金

　　ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等，加入鈷、鎳等粘結(jié)金屬，高溫燒結(jié)。由于硬度和熔點特別高，統(tǒng)稱為硬質(zhì)合金

　　在各種刀具材料的發(fā)展中，硬質(zhì)合金起著主導作用。

　　硬質(zhì)合金的性能不斷改進，應用面不斷擴大，成為切削加工的主要刀具材料，對推動切削效率的提高起到了重要作用。

　　涂層刀具

　　在高速鋼基體上刀具涂層多為TiN，常用物理氣相沉積法(PVD法)涂覆，一般用于鉆頭、絲錐、銑刀、滾刀等復雜刀具上，涂層厚度為幾微米，涂層硬度可達80HRC，相當于一般硬質(zhì)合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20％一40％。

　　涂層刀具是近20年出現(xiàn)的一種新型刀具材料，是刀具發(fā)展中的一項重要突破，是解決刀具材料中硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。

　　涂層刀具是在一些韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得的。

　　常用的涂層材料有TiC、TiN和Al2O3等。

　　本世紀70年代初首次在硬質(zhì)合金基體上涂覆一層碳化鈦(TiC)后，把普通硬質(zhì)合金的切削速度從80m／min提高到180m /min1976年又出現(xiàn)了碳化鈦—氧化鋁雙涂層硬質(zhì)合金，把切削速度提高到250m／min。1981年又出現(xiàn)了碳化鈦—氧化鋁—氮化鈷三涂層硬質(zhì)合金，使切削速度提高到300m／min。

　　硬質(zhì)合金的涂層是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，涂覆一層幾微米至十幾微米厚的高耐磨、難熔化的金屬化合物，一般采用化學氣相沉積法(CVD法)。我國株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的涂層硬質(zhì)合金的涂層厚度可達9um，表面硬度可達2500—4200HV。

　　陶瓷刀具

　　陶瓷可能繼高速鋼、硬質(zhì)合金以后引起切削加工的第3次革命。陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強度(抗彎強度為750~1000MPa)，耐磨性好，化學穩(wěn)定性好，抗粘結(jié)性能良好，摩擦系數(shù)低且價格低廉等優(yōu)點。不僅如此，陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度，1200°C時硬度達到HRA80。常用的有：氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。

　　可加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度達HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵，因而可免除退火加工所消耗的電力；并因此也可提高工件的硬度，延長機器設備的使用壽命；

　　不僅能對高硬度材料進行粗、精加工，也可進行銑削、刨削、斷續(xù)切削和毛坯拔荒粗車等沖擊力很大的加工；

　　刀具耐用度比傳統(tǒng)刀具高幾倍甚至幾十倍，減少了加工中的換刀次數(shù)，保證被加工工件的小錐度和高精度；

　　可進行高速切削或?qū)崿F(xiàn)“以車、銑代磨”，切削效率比傳統(tǒng)刀具高3-10倍，達到節(jié)約工時、電力、機床數(shù)30-70%或更高的效果。

超硬材料的概念

　　1981年國際硬物質(zhì)科學會議認為，硬度大于1000HV的物質(zhì)均可稱為硬物質(zhì)能加工諸如硬質(zhì)合金（硬度1600—1800HV）、剛玉（2000HV）、碳化硅（2200HV）等這一類物質(zhì)的材料稱為超硬材料。

　　金剛石和立方碳化硼：極高的硬度，所以統(tǒng)稱為超硬材料，具有硬度高、耐磨和熱傳導性能好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異性能。

　　人造金剛石

　　晶形：天然金剛石的晶體形態(tài)常見為八面體，其次為菱形十二面體、立方體及其聚形。人造金剛石根據(jù)合成條件的不同，晶形可分為八面體、立方體或者立方、八面體聚形等，其中以后一種最為常見。產(chǎn)品中常出現(xiàn)各種連生晶體，不規(guī)則晶體以及各種結(jié)晶缺陷。

　　金剛石材料的一般分類：

　　高溫高壓法：

　　模擬自然過程讓石墨在高溫高壓的環(huán)境下轉(zhuǎn)變成金剛石。金剛石與石墨之間存在著能量勢壘,克服這個能量勢壘 ，就能使石墨轉(zhuǎn)化成金剛石。

　　目前主要有下述幾種學說：

　　溶劑學說認為所用金屬(合金)起著碳的溶劑作用；

　　催化學說則認為是一種催化劑；

　　固相轉(zhuǎn)變學說則強調(diào)石墨晶體無需斷鍵解體，經(jīng)過簡單形變就形成金剛石晶體。

　　金剛石刀具

　　金剛石材料的成分是碳，金剛石與鐵系有親和力，切削過程中，金剛石的導熱性優(yōu)越，散熱快，切削熱高于700度會發(fā)生石墨化現(xiàn)象。金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發(fā)生反應，與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發(fā)生化學磨損，金剛石不用于加工黑色金屬。

　　PCD刀具

　　PCD是通過金屬結(jié)合劑(如Co、Ni等)將金剛石微粉聚合而成的多晶體材料。金剛石廣泛應用于切削加工還是PCD研制成功以后。PCD的硬度低于單晶金剛石，但PCD屬各向同性材料；PCD具有導電性，便于切割成型，成本遠低于天然金剛石。PCD原料來源豐富，價格只有天然金剛石的十幾分之一，PCD應用遠比天然金剛石刀具廣泛。大多數(shù)PCD刀片都是與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成的復合刀片，即在硬質(zhì)合金的基體上燒結(jié)一層約0.7mm厚的PCD，這種刀片的強度和硬質(zhì)合金基本一致，硬度接近整體PCD，可焊性好，重磨容易，成本低 。

　　金剛石刀具

　　極高的硬度和耐磨性：金剛石的顯微硬度達HV10000，是自然界最硬的物質(zhì)。具有極高的耐磨性，天然金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的80-120倍，人造金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的60-80倍。各向異性能：單晶金剛石晶體不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微觀強度、研磨加工的難易程度以及與工件材料之間的摩擦系數(shù)等相差很大，因此，設計和制造單晶金剛石刀具時，必須正確選擇晶體方向。具有很低的摩擦系數(shù)：金剛石與一些有色金屬之間的摩擦系數(shù)比其它刀具都低，約為硬質(zhì)合金刀具的一半，通常在0.1-0.3之間。摩擦系數(shù)低可減小切削溫度和切削力。

　　刀刃非常鋒利：金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，天然單晶金剛石刀具刀刃鈍園半徑可達納米，能進行超薄切削和超精密加工。

　　具有很高的導熱性能：金剛石的導熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5-9倍，為銅的2-6倍。由于導熱系數(shù)高，切削熱容易散出，切削溫度低。

　　熱脹系數(shù)低：金剛石的熱脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10。因此，金剛石刀具不會產(chǎn)生很大的熱變形，這對尺寸精度要求很高的精密加工刀具來說尤為重要。

                         

性能比較

　　CVD金剛石刀具

　　CVD金剛石刀具是指用化學氣相沉積法(CVD)在異質(zhì)基體(如硬質(zhì)合金等)上合成金剛石膜制作的刀具。

　　20世紀70年代末至80年代初， CVD金剛石在日本首先出現(xiàn)，目前，CVD金剛石膜產(chǎn)品直徑已超過110mm，厚達毫米級，并日趨成熟。

　　CVD金剛石刀具不僅直接沖擊無涂層硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具市場，而且還成為PCD刀具強有力的競爭對手，目前已經(jīng)商品化。

　　一種是在基體上沉積厚度小于50 µm的薄層膜，即：CVD金剛石薄膜涂層刀具。另一種是沉積厚度達到1 mm的無襯底的金剛石厚膜，即：CVD金剛石厚膜焊接刀具，如果需要它可以釬焊在基體上。

　　金剛石刀具應用

　　用于加工有色金屬及其合金。其中80％以上的PCD刀具用于加工汽車和摩托車行業(yè)的硅鋁合金零部件，如：鋁合金活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱等。

　　由于這些零件材料含硅量較高(12%以上)，且為大批量生產(chǎn)，對刀具的壽命要求較高，硬質(zhì)合金刀具難以勝任，而PCD刀具的壽命遠高于硬質(zhì)合金刀具，是硬質(zhì)合金刀具壽命的幾十甚至幾百倍。

　　在加工硅含量較高的鋁合金時，除PCD刀具外，其它所有的刀具都在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生嚴重的磨損而不能繼續(xù)切削 。

　　PCD刀具還非常適合對難加工非金屬材料(如：木材、人造板材、強化復合地板、碳纖維增強塑料、石墨、陶瓷、石材等)進行加工 。

　　采用單晶金剛石刀具，在超精密車床上可實現(xiàn)鏡面加工，目前，金剛石刀具可以實現(xiàn)切削厚度為納米級的連續(xù)穩(wěn)定切削。

　　金剛石的熱穩(wěn)定性比較差，切削溫度達到800℃時，就會失去其硬度，金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料，因為，金剛石與鐵有很強的化學親合力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。

　　

立方氮化硼與金剛石的物理機械性能比較

　　CBN和PCBN的性能

　　1.高的硬度和耐磨性：CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，晶格常數(shù)相近，因此具有與金剛石相近的硬度。CBN微粉的顯微硬度為HV8000～9000，其PCBN燒結(jié)體的硬度達到HV3000～5000。在切削耐磨材料時其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的50倍，為涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍。PCBN特別適合于加工從前只能磨削的高硬度材料，實現(xiàn)“以車代磨” 。

　　2.具有很高的熱穩(wěn)定性：CBN的耐熱性可達1400～1500℃，比金剛石的耐熱性(700-800℃)幾乎高一倍，因此PCBN刀具可用比硬質(zhì)合金刀具高3～5倍的速度高速切削淬硬鋼。

　　3.優(yōu)良的化學穩(wěn)定性：CBN的化學惰性大，與鐵系材料到1200-1300℃時也不起化學作用，與碳只是在2000℃時才起反應。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也不會產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。因此，PCBN刀具廣泛應用于高速或超高速的切削 。

　　4.具有較好的導熱性：CBN的導熱性雖然趕不上金剛石，但是在各類刀具材料中PCBN的導熱性僅次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。CBN的導熱系數(shù)是紫銅的3.2倍，是硬質(zhì)合金的20倍。

　　5.具有較低的摩擦系數(shù)：CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)約為0.1～0.3，比硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)(0.4-0.6)小得多。低的摩擦系數(shù)可導致切削時切削力減小，切削溫度降低，加工表面質(zhì)量提高 。

　　

CBN單晶和PCBN聚晶的制備工藝

　　

CBN刀具的制備工藝

　　PCBN刀具應用

　　PCBN刀具非常適合于干式切削、硬態(tài)和高速切削加工工藝，特別適合數(shù)控設備及自動化生產(chǎn)線的使用。

　　PCBN刀具適合加工的工件材料有：(1) 硬度在HRC45以上的淬硬鋼和耐磨鑄鐵(如：淬硬鋼HRC45-65、軸承鋼HRC60-62、高速鋼HRC＞62、工具鋼HRC57-60、冷硬鑄鐵等)；(2) HRC35以上的耐熱合金(高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金等)；(3) HRC30以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。被加工材料的硬度越高越能體現(xiàn)PCBN刀具的優(yōu)越性。

　　PCBN刀具進行硬態(tài)切削時，可以車、鏜、銑等替代磨削加工工藝，是實現(xiàn)“以車代磨”的最佳刀具。據(jù)報道日本PCBN刀具的應用有55%是替代原來的磨削。

　　PCBN還是實現(xiàn)高速或干式切削的最佳刀具之一。尤其在加工灰鑄鐵高速干切削領域。 

　　目前，PCBN刀具已用于車刀、鏜刀、銑刀等，在汽車制造業(yè)、自動化生產(chǎn)線等方面PCBN刀具的使用量已達到了相當?shù)谋壤龘?jù)。如：加工汽車發(fā)動機箱體、剎車盤、傳動軸、氣缸孔、發(fā)動機進出氣閥座等；

超硬材料刀具發(fā)展趨勢

　　刀具材料性能的不斷提高

　　通過配方、工藝優(yōu)化和新材料技術的應用， PCD,PCBN增強抗切削沖擊能力，提高切削刃的強韌性，提高刀具使用壽命。

　　個性化、針對性更強

　　大單晶金剛石

　　耐磨性極高，并可以刃磨出很鋒利的刃口

　　單晶金剛石具有各向異性，對加工要求高；

　　制作刀具受到了單晶自身尺寸的影響。

　　目前成本較高

　　CVD厚膜材料

　　厚膜金剛石多晶結(jié)構(gòu)沒有單晶的各向異性，耐磨性極好沒有金剛石顆粒與結(jié)合劑的問題，能刃磨出良好的切削刃，極小的刀尖圓??；可以切割成任意的形狀。

　　涂層刀具

　　“硬”涂層，如：TiC、TiN、A12O3涂層。硬涂層的主要優(yōu)點是硬度高、耐磨性能好。

　　“軟”涂層，如MoS2、WS2等。這種涂層也稱為自潤滑涂層，其表面摩擦系數(shù)低，可以減小摩擦。

　　涂層刀具將基體材料和涂層材料的優(yōu)良性能結(jié)合起來，既保持了基體良好的韌性和較高的強度，又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)。

　　與未涂層刀具相比，涂層刀具的切削速度可提高2倍以上，刀具壽命可提高2-5倍。

　　刀具結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新

　　滿足高速切削的新刀具

　　銑削：CBN銑削灰鑄鐵     1000-2000m/min

　　PCD銑削鋁合金     3000-7000m/min

　　CBN旋風銑刀加工滾珠絲杠  以銑代磨

　　車削：CBN車削淬火鋼（＞HRC60） 150-250m/min

　　CBN車削鑄鐵剎車盤        600-1000m/min

　　PDC刀具應用于鋁鎂合金和鈦合金高速切削10，000m/min和400m/min