刀具切削材料的发展方向及应用

进入21世纪，激烈的市场竞争推动着以机器制造技术为先导的先进制造技术以前所未有的速度向前发展，航空零部件的制造也已进入以数字化制造技术为特点的发展时期。先进的航空产品要求航空零件具有更优异的性能、更低的成本和更高的环保性，而加工工艺要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重复精度和可再现性。传统的刀具已不能满足以上要求，刀具行业因此而进入了“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的现代刀具生产新格局。 $ x$ X5 c9 f) |$ t1 a
高速、高效切削 ) F  R. z; N; e) ?% U
随着科学技术的进步，我们正处于先进制造技术快速发展时期，数控机床的推广应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大地提高了生产率。航空零件加工的总工时中，辅助时间缩短，切削所占的时间比例就相应增大，要想进一步提高机床的生产率，必须大幅度提高切削速度，这也是近几十年来高速切削技术迅速发展的主要原因。高速加工最早主要用于航空工业轻合金的加工，现已成为航空制造业提高加工效率和质量、降低加工成本的主要途径。 2 J& j( }+ H: N7 R
在航空零部件加工中，高速切削正在被大量应用，主要有以下几个原因： ! Q" Q# x' ?# w( {' d( W
（1）为了最大限度地减重和满足其他一些要求，许多构件、壁板等采用“整体制造法”，即在大块毛坯上去除余量，形成薄壁，细筋结构的零件，需要去除大量金属材料，导致切削时间占用零件总生产时间比例很大，因此提高生产率的途径之一就是采用高速切削加工。
1 V# w9 V9 o* j0 _7 S$ o（2）飞机零件的结构复杂、精度高，零件的薄壁、细筋结构刚度差，要尽量减少加工中的径向切削力和热变形，只有采用高速切削加工才能满足这些要求。
& {/ w0 S: T; I9 j5 S1 M& `7 H0 `0 l9 i（3）难加工材料，如镍基高温合金、钛合金、高强度结构钢被现代航空产品大量采用，这些材料强度大、硬度高，耐冲击、加工中容易硬化，切削温度高、刀具磨损严重，属于难加工材料。一般采用很低的切削速度进行加工，如果采用高速切削，不但可以大幅度提高生产率而且可以有效地减少刀具磨损，提高零件的表面质量。
+ M, t+ l" v) f2 L4 g高速切削加工具有不同于传统切削加工技术的加工机理和应用优势，它是数控加工工艺观念的转变。根据航空产品的材料和结构特点，要实现高速加工必须以先进高速切削刀具为保证。高速切削刀具必须具有良好的耐磨性和高强度韧性，先进的刀具材料、优良的刀具涂层技术、合理的几何结构参数，高度动平衡刀具系统，安全可靠的夹紧方式，以及高同心度的刀刃精度等等。
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目前，在飞机制造领域中，高速钢刀具约占总各类切削加工总刀具量的60%，硬质合金刀具约占总刀具量的35%，超硬刀具（立方氮化硼、金刚石）占全部刀具总量不超过5%，今后随着航空新材料不断涌现，硬切削、干切削应用的增加，硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具的比例将大幅提高。
- Q# \% k% v5 S2 J8 X8 d1硬质合金材料的发展   ]* D8 M9 x. ?
为了满足高速切削技术的迅猛发展，以硬质合金为主的各种刀具材料性能已经全面提高，细颗粒、超细颗粒硬质合金的开发及涂层技术在硬质合金刀具上的应用显着地提高了硬质合金材料的强度和韧性，用它制造的整体合金刀具正逐步代替传统的高速钢刀具，使切削速度和加工效率提高了数倍，为高速切削的推广应用打下了重要基础。整体硬质合金还在一些复杂成形刀具中得到了应用，满足了产品加工多样性的需求。目前国内厦门金鹭特种合金有限公司、株洲钻石硬质切削刀具股份有限公司、四平博尔特工艺装备有限公司及陕西航空硬质合金工具公司都能为航空工业提供硬质合金刀具，其产品性能接近世界先进水平。
5 |7 c2 Q- o: C5 }; f3 a& `5 o21世纪硬质合金刀具材料应重点在2方面发展：一是细化晶粒使之达到纳米级微晶等级。硬质合金晶粒尺寸越小，硬质合金的硬度就越高其耐磨性就越好，韧性和刚度也就越高，从而扩大其应用范围；二是应用新技术新工艺开发新型硬质合金提高硬质合金内在性能和质量。
  s6 y! m: z% F2涂层技术的发展   Y) }" Y- B: K% j# Y+ i
刀具涂层技术在现代切削加工和刀具发展中起着十分重要作用，自问世以来发展非常迅速，尤其是近几年取得了重大进展，化学涂层（CVD）仍然是可转位刀片的主要涂层工艺，相继开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺，在基体材料改善的基础上，使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到了提高；而物理涂层（PVD）技术也取得了重大突破，在涂层设备的结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展，开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层，通过对涂层结构的创新，开发了纳米、多层结构等大量新型涂层，大幅度提高了涂层硬度和韧性。   j* {: [2 V2 ^3 G( j& D/ a
3超硬刀具材料的发展
. I3 O$ {% b8 }* \* `超硬材料是指金刚石和立方氮化硼（CBN），其硬度比其他刀具材料高出几倍，金刚石是自然界中最硬的物质，CBN的硬度仅次于金刚石。近年来，超硬刀具材料发展迅速。 4 K" A" f6 I. a
金刚石刀具材料分为5类：天然金刚石（ND）、人造聚晶金刚石复合片（PCD/CC）、金刚石薄膜涂层刀具（CD）、金刚石厚膜刀具（FCD）和人造聚晶金刚石（PCD）。ND的结晶各向异性，在进行刀磨的使用时必须选择适宜的方向；人造金刚石各向同性，其硬度低于ND,但强度与韧性好于ND。 5 s& P' V* O9 d9 b9 T: H2 t1 i
金刚石刀具能够有效地加工非铁金属材料和非金属材料。如铜、钨等有色金属及其合金，陶瓷、硬质合金，各种纤维和颗粒加强复合材料，塑料、橡胶、石墨、玻璃和木材等，但金刚石忌切钢铁和其他铁族元素。 % d2 z; E9 _% R& i% X4 Y
立方氮化硼（CBN）刀具材料具有极高的硬度和红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金的理想刀具材料，由于CBN刀具加工高硬度零件时可以获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬火钢可以实现“以切代磨”。 & z0 X4 z* r; O6 \/ k2 k- z* X
4高速钢材料的发展
1 L2 r! U9 W' U, m+ Z在未来刀具材料发展中仍要提到高速钢材料的发展，尽管高速钢材料在全世界的销售额正逐年减少，但高性能钴高速钢和粉末冶金高速钢的使用量仍在不断增加，这2种高性能高速钢比普通高速钢具有更好的耐磨性、红硬性和使用的可靠性。随着人们对切削加工效率追求的提高和观念的转变，这些高性能高速钢刀具在航空领域被大量采用。如航空难加工材料，自动钻铆机上使用的钻、扩、铰、锪一体高精度复合刀具以及加工飞机零件复杂型面的各类复合刀具。 . S. d" t3 A2 D8 T9 K. E" y
随着科技进步，先进制造系统，高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实现，对刀具提出了全新要求，未来刀具材料也必将有重大发展。刀具材料与工件材料双方交替发展和相互促进，成为切削刀具不断向前发展的历史规律。在未来，刀具材料必将面临工件性能提高，加工批量加大和制造精度提升的更严峻挑战。材料科学的进步，推动了刀具材料的发展，而刀具材料的发展应考虑原材料资源的制约。新品种的出现，新旧品种各自所占比重的变化以及它们之间相互竞争和相互补充的格局，将成为未来刀具材料发展的新特点