高速切削加工刀具材料大盘点
近几十年来，随着数控技术和切削刀具的不断进步，切削加工技术得到了极大的发展。其中，高速切削技术凭借其生产效率高和加工质量好的优点，已成功应用在航空航天、汽车制造和高铁船舶等高精度制造领域的金属及其合金材料的切削加工过程。而刀具作为切削加工的重要工具，对加工技术的发展起着重要的作用。刀具材料的各项性能指标决定了刀具的加工能力、加工性能和工件的加工表面质量。
图1 高速切削图片 来源：斯尔云官网
刀具材料种类较多，主要根据加工强度和性能要求选择刀具材料。目前，刀具材料主要分为硬质合金、金刚石、陶瓷、立方氮化硼四类。
图2 高速切削对刀具材料要求
每一种刀具材料都有特定的加工范围，只能适应一定的工件材料和一定的切削速度范围，不同的刀具材料或同种刀具加工不同的工件材料时，刀具的寿命往往会存在很大的差别。合理选用刀具材料是成功进行切削加工的关键。
图3 高速切削刀具
金刚石是碳的同素异构体，是目前已知的自然界中最硬的材料。金刚石为单一碳原子晶体结构，属于等轴面心立方晶系，且晶体间通过sp3杂化共价键连接。金刚石刀具分为单晶金刚石刀具和多晶金刚石刀具。但其不足之处是热稳定性较差，切削温度超过700℃～800℃时，就会完全失去其硬度；此外，它不适于切削黑色金属，因为金刚石（碳）在高温下容易与铁原子作用，使碳原子转化为石墨结构，刀具极易损坏。
图4 金刚石刀具
图5 金刚石刀具
立方氮化硼是纯人工合成的材料，它是由六方氮化硼在高温、高压条件下加入催化剂转变而成的。性质与形状类似于石墨，硬度仅次于金刚石，热稳定性和化学稳定性则强于金刚石。但不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工；同时不适合切削塑性大的材料（如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等），因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，而使加工表面恶化。
图6 立方氮化硼刀具
图7 立方氮化硼刀具
现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，其种类及可能的组合如图8所示。目前国内外广泛使用的、以及正在开发的陶瓷刀具材料基本上都是根据下图的组合，采取不同的增韧补强机制来进行显微结构设计的，其中以氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。氧化铝基陶瓷刀具有20多个品种，氮化硅基陶瓷刀具有10多个品种，前者占全部量的三分之二。但陶瓷刀具材料性能上存在着抗弯强度低、冲击韧性差问题，不适于在低速、冲击负荷下切削。
图8 陶瓷刀具材料的种类及组合
图9 陶瓷刀具
图10 陶瓷刀具
硬质合金材料刀具可分为碳化钨基硬质合金和碳（氮）化钛（TiC(N)）基硬质合金。根据碳合物钨基可分为钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）、添加稀有碳化物类（YW）三类。碳（氮）化钛基硬质合金是以TiC为主要成分（有些加入了其他碳化物或氮化物）的硬质合金，常用的金属黏结相是Mo和Ni。
图11 硬质合金刀具
图12 硬质合金切削工具图片
来源：东莞市鸿恩金属材料
天然金刚石由于价格昂贵高，受到严重限制。但近年来，CVD法合成金刚石发展迅速，而且，由于CVD法合成金刚石在质量、尺寸、净度、功能等多方面的优势，有望异军突起。同时开发大尺寸金刚石单晶或多晶金刚石膜不仅可降低制造成本，还可提升合成金刚石的档次，CVD法合成的金刚石在培育钻石和刀具涂层的研究开发仍需深入。
对于cBN的研究和开发，在大颗粒的合成技术方面远远落后于金刚石。应研究粗颗粒（毫米级及以上）cBN的低成本合成生产技术和工艺的稳定化。cBN经过几十年的发展，作为超硬材料用于磨料应用已经非常成熟，但在作为功能材料方面的应用开发具有广阔的发展空间，应加快基础研究和应用技术开发。
近年来，由于控制了原料的纯度和晶粒尺寸，添加了各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和晶须等，采用多种增韧机制进行增韧补强，使得陶瓷刀具材料性能都大幅度提高，而且现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷。同时，纳米金属陶瓷刀具、涂层氮化硅陶瓷刀具、陶瓷与硬质合金的复合刀片等新品也在不断应用中。
图13 陶瓷材料刀具种类
一般的硬质合金刀具在加工高比强度或新型材料（纤维／颗粒增强金属基复合材料、陶瓷、有色金属等）时难免会造成刀具的过度磨损甚至损坏。因此需要不断提高硬质合金刀具的性能，近年来国内外研究者对提升硬质合金刀具性能展开了广泛研究，从微观与宏观、实验与模拟等方面揭示硬质合金刀具强化机理和方法，并取得了创新性成果，今后硬质合金刀具的性能提升依然会涉及到原材料、涂层和深冷处理方面。
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，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：
（1）陶瓷刀具材料热压烧结过程的数值模拟研究郭建伟
（2）高速切削加工用刀具材料的研究 梁天
（3）高速切削加工刀具材料的性能分析及合理化选择 丁杰等
（4）高速切削加工中的刀具材料要求及选用 徐嘉琦等
（5）陶瓷刀具材料的种类与应用 叶毅
（6）硬质合金刀具研究进展 祁志旭
作者：晴天