刘小琳
电子工业出版社有限公司 北京 100036
摘要：在当今机械制造业高新技术发展带动下，机械加工得到了快速发展，而刀具对于机械加工的精度、柔性等都有着直接影响，对刀具材料进行合理的选择，能够将机械加工设备的性能最大限度的发挥出来。因此，在进行高速切削加工的过程中，技术人员需要依照不同的加工材料和切削条件，选择不同的刀具材料，以实现最佳的切削效果。
关键词： ＰＣＢＮ刀具；切削；淬硬钢；磨损
引言
硬质合金刀具和高速钢刀具现已被广泛应用于工业生产领域。随着科学技术的进步，现代制造业迅速发展，同时也对刀具材料的切削性能、力学性能提出了更高要求。深冷处理技术作为特殊的热处理技术，是传统热处理技术的延伸，即在传统热处理基础上进行第二次材料表面改性处理，是刀具材料经热处理后性能再提升的辅助手段。经深冷处理的刀具，其力学性能和使用寿命均得到较大提高，并可有效改善加工工件产品的切削加工质量和尺寸精度。
1高速切削加工概述
高速切削是利用数控机床进行金属加工的一种方式，与传统切削加工相同，但是因为采用了数控控制的方式，刀具速度和进给率更快，不过也会导致切削厚度降低。高速切削加工具有非常明显的优点，进给速率可以达到传统切削加工的5－10倍，能够节约30%左右的时间，可以实现对于薄壁零件的有效加工，而且较高的表面精度避免了后续精磨作业。高速切削加工中，切削的速度甚至会超过热传导速度，这也使得大部分产生的热量都会停留在切屑上，避免了工件的受热翘曲问题。当然，高速切削加工也存在一定的缺陷，一是产生的切屑飞行速度快，安全隐患较大，需要做好相应的防护工作;二是刀具磨损严重，使用寿命会有所降低;三是如果刀具缺乏平衡，将会产生严重的负面影响，因此需要对主轴和刀具进行定期更换。
2切削材料分类
在过去的10年里无涂层基本刀具的市场份额在不断降低，而碳化钨涂层刀具以及金属陶瓷刀具的市场份额在不断提升，而高硬度合金以及陶瓷刀具的市场份额基本没有变化，欧洲各国生产了大约37%的硬质金属刀具而日本在金属陶瓷生产方面具有独特的优势。在加工材料方面采用高速钢材料的大约为50%，这是由于高速钢不仅可以用于材料切削，而且还广泛应用于材料铣钻等领域。其次是硬质合金大约为33%，剩下的就是TiN涂层、金属陶瓷、TiC涂层、陶瓷以及立方氮化硼（CBN），CBN具有所有材料中最高的硬度，仅次于钻石。
3现有材料对比
金属陶瓷与WC-TiC-Co等复合材料相比较具有以下优点：硬度更高、热硬度更高、钢材切割时的摩擦力较低、在基本单位下具有最小的堆积边缘、更好的弹坑耐磨性。但是也存在以下缺点，机械强度和韧性较低、金属陶瓷更容易产生碎屑、较低的弹性模量。在使用合适的粘合剂组件开发的金属陶瓷嵌件证明其有利于间断切割性能。金属陶瓷与铈化碳化物的加工特性相比较具有以下特点：精车时可能有更高的切削速度、车削时更好的表面光洁度、中等和重型切屑载荷下韧性较低以及冲击载荷下强度较低（如铣削）。用涂有TiN、TiC、Al2O3或它们的特定组合的硬质金属制成的刀片可大大提高刀具寿命。而刀具的未来发展趋势是用脉冲等离子体法（PPD）在硬质合金表面制备c-BN涂层。氮化硼涂层刀具的使用寿命是无涂层刀具刀片使用寿命的6.5倍。特别是硬度在HRc=63的硬加工工件材料。它们不仅具有极高的硬度，而且有很高的韧性，因此对于铣削-断裂切削非常有用。这些工具材料在未来机床加工的新时代会发挥极大的作用。
4切削条件对刀具磨损的影响
4.1深冷处理工艺过程对刀具材料各性能产生不同程度的影响，并且各工艺参数对各性能的影响显著程度也不相同，具参考价值的研究结果主要有：
通过以深冷温度、冷却速度、保温时间、回火温度为因素设计四因素五水平正交实验发现，深冷处理工艺的深冷温度参数对刀具硬度、刀具后刀面磨损量和已加工表面粗糙度的影响程度最大，其次是冷却速度，再之是保温时间，最之为回火温度;使刀具硬度提升最大的最优深冷处理工艺参数为:－190℃(深冷温度)×90min(保温时间)×8℃/min(冷却速度)×20℃(回火温度)，使刀具耐磨性提升最大的最优深冷处理工艺参数为:－160℃(深冷温度)×90min(保温时间)×8℃/min(冷却速度)×100℃(回火温度)，使刀具已加工表面质量提升最大的最优深冷处理工艺参数为:－160℃(深冷温度)×90min(保温时间)×8℃/min(冷却速度)×140℃(回火温度)。冷可［6－7］研究发现，深冷处理选取的深冷工艺参数范围内更低的深冷温度和更长的保温时间均有利于η相碳化物的形成，且深冷温度对η相碳化物含量的影响比保温时间对其影响显著，即深冷处理温度越低，处理后刀具硬度越高。
4.2切削速度对切削力的影响
切削速度对切削力的影响，此时进给量f=0.15mm/r，切削深度ap=0.2mm，切削速度Vc=160，200，240，280，320m/min。切削力随着切削速度的增加而减小。这是因为随着切削速度的增大剪切角会增大，同时随着切削速度的增大切削温度升高，会使材料的软化效果得到增强，切削抗力减小。从图中可以看出随着切削速度的不断增加，试验测得的切削力和有限元仿真测得的切削力总体上都呈缓慢下降的趋势。试验测得的切削力从197.62N下降到187.98N，有限元仿真测得的切削力从203.31N下降到190.91N。这是由于随着切削速度的不断增加，变形系数ξ减小，摩擦因数μ减小，使得切削力减小。
4.3进给量对刀具磨损的影响
在切削速度为１２０ｍ／ｍｉｎ，切削深度为０．１ｍｍ，进给量分别为０．１０、０．１５、０．２０、０．３０ｍｍ／ｒ时，用ＰＣＢＮ刀具高速精密切削淬硬钢。随着进给量的增大，ＰＣＢＮ刀具的后刀面磨损都增加了。当进给量为０．２０、０．３０ｍｍ／ｒ时，ＰＣＢＮ刀具的后刀面磨损相对较轻，因为ＰＣＢＮ刀具含有较多的结合剂，结合剂与ＣＢＮ的结合稳定，进给量在切削初期对刀具的磨损影响较小。随着切削里程逐渐增加，由于结合剂的耐磨性不如ＣＢＮ，因此在切削后期ＰＣＢＮ刀具的磨损速度明显增加；随着进给量的增加，ＰＣＢＮ刀具对工件材料的摩擦和挤压越来越强烈，使得刀具和工件材料之间产生了严重的摩擦和巨大的切削力。
结束语
总而言之，最近几年，伴随着高速切削加工的普及，刀具材料也在不断丰富，能够为高速切削加工技术的发展提供助力，对于技术人员而言，应该充分考虑加工材料的性质以及高速切削加工的要求，做好刀具材料的合理选择和使用，同时也应该加快对于新的刀具材料的研发速度，例如，可以借助土层材料来对刀具的性能进行改善，延长其使用寿命，也可以对现有的技术进行整合，以现代计算机辅助工程技术，对高速切削加工刀具进行仿真分析，推动刀具材料研究进程的加快。
参考文献
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