2 现有高速切削刀具材料的种类

1. 金刚石
   金刚石有天然金刚石和人造金刚石，天然金刚石刀具主要用于超精密镜面切削，而更多的金刚石刀具是人造金刚石。人造金刚石又分为3种：①聚晶金刚石(PCD)。这种金刚石刀具焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量较好，抗腐蚀性差；②化学气相沉积金刚石(CVD)，化学气相沉积金刚石厚膜抗腐蚀性好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性较好，可焊性差；③利用超高压装置，在1400～1600℃高温下，人工合成的单晶金刚石，人工合成单晶金刚石刀口质量的抗磨损性和抗喷蚀性好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性差。
2. 立方氮化硼(CBN)
   立方氮化硼是纯人工合成材料，化学稳定性优于金刚石，是高速切削黑色金属的理想刀具材料，聚晶立方氮化硼(PCBN)刀坯有2种：①高CBN含量的刀具(CBN含量80%一90%)，它具有高硬度、高导热性；②低CBN含量的刀具(CBN含量50%一65%)，它具有较好的强度和韧性。
3. 陶瓷刀具
   陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al₂O₃)和氮化硅基(Si₃N₄)两大系列。通过添加各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物，构成了不同品种和不同性能的陶瓷刀具，现有40多个品种陶瓷刀具，大约200多个牌号。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性。硬度可达93～95HRA，耐磨性能也很好，可以加工65HRC的高硬度材料，高温性能，抗粘结性能、化学稳定性都比较好。陶瓷刀具的缺点主要是强度和断裂韧性较低、脆性较大。
4. TiC(N)基硬质合金
   TiC(N)基硬质合金是以高耐磨性的TiC+Ni、高韧性的TiC+WC+TaC+Co为主体，以高强韧的TiCN+NbC等TiC(N)为基的硬质合金，与WC硬质合金相比，强度、硬度、韧性和抗崩刃性能得到明显提高，抗月牙洼磨损和抗粘结能力也显著增强。
5. 涂层刀具
   涂层刀具是高速切削应用研究中发展速度很快的刀具。在硬质合金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物。涂层刀具的涂层物质不同，刀具的切削性能也有明显变化，适于高速切削的涂层物质主要有CVD法的TiCN+Al₂O₃+TiN、TiCN+Al₂O₃、TiCN+Al₂O₃+HfN以及PVD法的TiAlN/TiN、TiAlN等。

3 高速切削刀具材料与加工对象的匹配

1. 切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配。刀具材料各项力学性质大小顺序如表1所示。
   高硬度的工件材料，必须用更高硬度的刀具来加工。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬质合金中含钴量增多，其强度和韧性增加，硬度降低，适合于粗加工；含钴量减少时，其硬度及耐磨性增加，适合于精加工。高速切削加工时要求刀具材料具有优异的高温力学性能。
2. 切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配。刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等物理性能参数要相匹配。各种刀具材料的物理性能如表2所示。表2 各种刀具材料的韧理性能物理性能各种材料物理性能比较耐热温度
   ℃PCD刀具
   700～800PCBN刀具
   1300～1500陶瓷刀具
   1100～1200TiC(N)基硬质合金
   900～1100WC基硬质舍金
   800～900HSS高速钢
   600～700导热系数PCD>PCBN>WC基超细晶粒硬质舍金>TiC(N)基硬质合金>HSS>Si₃N₄基陶瓷>Al₂O₃基陶瓷热胀系数HSS>WC基超细晶粒硬质舍金>TiC(N)基硬质合金>Al₂O₃基陶瓷>PCBN>Si₃N₄基陶瓷>PCD抗热震性HSS>WC基超细晶粒硬质舍金>Si₃N₄基陶瓷>PCBN>PCD>TiC(N)基硬质合金>Al₂O₃基陶瓷
   加工导热性差的工件时，应采用导热较好的刀具材料，以使切削热得以迅速传出而降低切削温度。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金属的最高速度主要受限于刀具材料的耐热性，要求刀具材料的熔点高、导热性好、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性强。
3. 切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配。刀具的磨损是机械磨损和化学磨损综合作用的结果。在高速切削加工时以高温引起的化学反应、氧化磨损和扩散磨损占主导地位。刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能参数要相匹配。各种刀具材料的化学性能如表3所示。表3 各种刀具材料的化学性能化学性能各种材料化学性能比较抗粘结温度高低与钢：PCBN>陶瓷>硬质台金>HSS与镍基台金：陶瓷>PCBN>硬质台金>金刚石>HSS抗氧化温度高低陶瓷>PCBN>硬质台金>金剐石>HSS扩散强度大小对钢铁：金刚石>Si₃N₄基陶瓷>PCBN>Al₂O₃基陶瓷对钛：Al₂O₃基陶瓷>PCBN>SiC>Si₃N₄基陶瓷>金刚石在钢(未淬硬)中
   溶解度的大小
   (在1027℃)SiC>Si₃N₄基陶瓷>WC基硬质合金>PCBN>TiN)TiC>Al₂O₃基陶瓷>Zr0₂

4 高速切削刀具材料的合理选择

1. 金刚石刀具的选用
   金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。目前金刚石刀具已经广泛应用于汽车、航空航天工业、国防工业中一些有色金属及其合金零部件的高速精密加工。在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍，天然金刚石刀具是目前超精密切削加工领域中最主要的刀具。金刚石刀具有车刀、铣刀和镗刀等。80%以上的PCD刀具用于汽车和摩托车行业，其它则用于普通机械加工领域。金刚石刀具在汽车和摩托车行业中主要用于发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等的加工。金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料。
2. 立方氮化硼刀具的选用
   立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢(45～65HRC)、轴承钢(60～62HRC)、高速钢(>62HRC)、工具钢(57～60HRC)、冷硬铸铁的高速半精车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削加工。可实现以车代磨，大幅度提高加工效率，目前已有多个品种不同CBN含量的PCBN刀具已用于车刀、镗刀、铣刀等，主要用于高速加工淬硬钢和高硬铸铁以及某些难加工材料，被加工材料的硬度越高越能体现PCBN刀具的优越性，是实现以车代磨的最佳刀具之一。
   加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用PCBN，当以铁素体为主时，不宜使用PCBN，而应采用陶瓷刀具。采用陶瓷刀具和PCBN刀具均可切削硬度达60HRC以上的工件材料，实现“以切代磨”。当以切削速度高于1000m/min切削加工铸铁时，PCBN是最佳刀具材料。CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢。
3. 陶瓷刀具的选用
   陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁(包括：灰口铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、高强铸铁和硬镍铸铁等)、钢件(包括：轴承钢、超高强钢、高锰钢、淬硬钢，合金钢和耐热钢等)、热喷涂喷焊材料、镍基高温合金(包括：纯镍、镍喷涂与镍焊材料和含镍高比例材料等)。Al₂O₃基陶瓷刀具可用于对钢、铸铁及其合金的高速切削加工。Si₃N₄基陶瓷刀具适于断续加工铸铁及铸铁合金。Si₃N₄基陶瓷刀具在铸铁和镍基合金的切削加工中得到广泛应用。Al₂O₃/TiC和Al₂O₃/(W，Ti)C等陶瓷刀具中含有铝及钛元素，都不适合加工铝和钛及其合金。陶瓷刀具在国内多用于车、镗、端铣和刨的半精和精加工，对于余量比较均匀的钢和铸铁件也用于粗加工。陶瓷刀具适于高速和小走刀量切削加工．要求功率大、转速高、刚性好与稳定性好的机床。
4. TiC(N)基硬质台金及涂层硬质合金刀具的选用
   TiC(N)基硬质合金不仅可用于精加工，而且也扩大到半精加工、粗加工和断续切削。目前，TiC(N)基硬质合金和涂层硬质合金刀具均可作为高速切削加工钢件的刀具材料。TiC(N)基硬质合金适台于中高速(在200m/min左右)切削模具钢，尤其适合于切槽加工。对铸铁件的加工，当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金和TiC(N)基硬质合金。

5 结语