剪板機(jī)刀具的一些類型介紹。剪板機(jī)等機(jī)床系列在高速切削加工時(shí)對(duì)刀具提出了一系列新的要求，這兒介紹一些刀具類型品種。
（1）陶瓷刀具
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點(diǎn)。陶瓷刀具的最佳切削速度通�？杀扔操|(zhì)合金刀具高3～10倍，適用于高速切削鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削時(shí)，切削溫度可高達(dá)800～1000℃甚至更高，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機(jī)制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散磨損、氧化磨損等。陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)，在高速切削時(shí)以高溫引起的粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴(kuò)散磨損為主。
Al2O3基陶瓷刀具在連續(xù)高速切削鋼件時(shí)，其磨損機(jī)制主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié)磨損；而在高速切削鑄鐵時(shí)，磨損機(jī)制主要為磨料磨損。
用Al2O3/SiCw陶瓷刀具高速加工Inconel 718高溫合金時(shí)，刀具的主要磨損機(jī)制為粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散磨損，因此用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時(shí)必須使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN 陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時(shí)，前刀面與后刀面的磨損機(jī)理有所不同：化學(xué)反應(yīng)及塑性變形是前刀面磨損的主要原因；后刀面的磨損機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致陶瓷顆粒脫落所致。Al2O3/TiB2陶瓷刀具加工高強(qiáng)鋼和淬硬鋼時(shí)具有較好的耐磨性，且刀具的耐磨性能隨著TiB2含量的增加而增強(qiáng)。Al2O3基陶瓷刀具在高速切削時(shí)，刀具表層有時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形現(xiàn)象，這是由于Al2O3與FeO（鋼表面氧化產(chǎn)物）或MgO（陶瓷添加劑）反應(yīng)形成了尖晶石結(jié)構(gòu)，或者是 Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點(diǎn)、低硬度的化合物。
Si3N4基陶瓷刀具高速切削鑄鐵時(shí)的主要磨損機(jī)制為化學(xué)磨損。雖然化學(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會(huì)引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。切削鋼件時(shí)，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)，由于Si3N4顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相中拔出，使Si3N4陶瓷刀具表現(xiàn)出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具高速切削鋼件時(shí)的高磨損率主要可歸因于以下兩種因素： ①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2層不斷被磨去；②SiO2與工件表面的FeO形成低熔點(diǎn)的共晶混合物。
（2）立方氮化硼刀具
立方氮化硼（CBN）是氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼（PCBN）則是由CBN微粉與少量粘結(jié)相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高溫高壓下燒結(jié)而成。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列狀態(tài)，因此PCBN硬度均勻，無方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，并有很高的硬度和耐熱性（1300～1500℃）、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性以及低摩擦系數(shù)，而且PCBN與Fe族元素親和性很低，因此它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。 PCBN的CBN含量、晶粒尺寸、粘結(jié)相等均會(huì)影響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和導(dǎo)熱性也越高；CBN晶粒尺寸越大，其抗破損性越弱，刀刃鋒利性越差；采用金屬材料Co、Ni作為粘結(jié)相時(shí)，PCBN有較好的韌性和導(dǎo)電性，采用陶瓷材料作為粘結(jié)相時(shí)則具有較好的熱穩(wěn)定性。
PCBN 刀具高速切削鑄鐵時(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損，導(dǎo)致前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損。試驗(yàn)證明，通過改變CBN含量和刀具幾何參數(shù)，以降低切削溫度和減小刀—屑接觸長(zhǎng)度（時(shí)間），可減小化學(xué)磨損速率，避免前刀面月牙洼磨損。一般認(rèn)為，CBN刀具的磨損是由于切削過程中的高溫、高壓、切屑與前刀面間的摩擦以及工件材料中有關(guān)化學(xué)元素與之發(fā)生粘結(jié)、親和而引起的，即其磨損機(jī)制主要包括：①氧化磨損和相變磨損。CBN刀具高速切削時(shí)的平均切削溫度可達(dá)1000～1200℃，在此高溫下，即使在常壓和空氣氣氛中也足以使CBN刀具刀尖區(qū)產(chǎn)生氧化、放氮甚至相變。而CBN刀具一經(jīng)氧化和相變即會(huì)喪失其切削能力。②粘結(jié)磨損。在一定壓力和高溫條件下，刀尖與被加工材料接觸區(qū)隨著切屑不斷流出，雙方均不斷裸露出新的表面。盡管CBN對(duì)Fe族元素有較高化學(xué)惰性，但對(duì)其它元素并非如此，當(dāng)條件適合時(shí)，會(huì)使CBN活性增加、惰性降低，隨著與合金元素的親和傾向不斷增加，將導(dǎo)致出現(xiàn)粘結(jié)磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當(dāng)?shù)都鈪^(qū)溫度高達(dá) 1200℃左右時(shí)，局部CBN顆粒將呈現(xiàn)“半熔化”狀態(tài)，從而使粘結(jié)磨損大大加劇。③摩擦磨損。工件與刀具之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使CBN刀具發(fā)生摩擦磨損。④顆粒剝落與微崩刃。由于CBN刀具是由無數(shù)細(xì)小的CBN顆粒構(gòu)成，顆粒之間呈晶界間的精細(xì)裂紋連接，且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，因此當(dāng)高溫切屑流摩擦刮研CBN刀尖時(shí)，會(huì)因工件材料硬度不均或存在硬質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的微沖擊而造成CBN顆粒脫落或產(chǎn)生微崩刃。
造成CBN刀具磨損的上述多種因素并非只是獨(dú)立存在、單獨(dú)作用，而是相互影響、共同加劇，如氧化磨損和相變磨損必然伴隨著粘結(jié)磨損，并出現(xiàn)摩擦磨損、剝落磨損和微崩磨損。
（3）金剛石刀具
金剛石材料其可分為天然金剛石和人造金剛石。天然金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度和導(dǎo)熱系數(shù)。近年來開發(fā)的多種采用化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣氛釬焊金剛石技術(shù)使天然金剛石刀具的制造變得相對(duì)容易，從而使天然金剛石刀具在超精密鏡面切削領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代實(shí)現(xiàn)了利用高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石粉后，70年代制造出了金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石（PCD）刀具。PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。PCD刀具具有高硬度（8000～12000HV）、高導(dǎo)熱性、低熱脹系數(shù)、高彈性模量和低摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利，可高速切削加工各種有色金屬和耐磨性極強(qiáng)的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。目前正在研究和開發(fā)的化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石主要有兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30μm的薄層膜（CVD薄膜）；另一種是沉積厚度達(dá)1mm的無襯底金剛石厚層膜（CVD厚膜）。
三種主要的金剛石刀具材料———PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石的性能比較結(jié)果為：PCD的焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差；CVD厚膜的抗腐蝕性最好，機(jī)械磨削性、刃口質(zhì)量、斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性最差；人工合成單晶金剛石的刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最差。目前，金剛石刀具是高速切削（2500～5000m/ min）鋁合金較理想的刀具材料，但在高速切削鋼鐵及其合金時(shí)卻磨損較快，其磨損機(jī)理主要是由于碳與鐵具有較大親和作用，尤其在高溫下金剛石易與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此它不適于切削鋼鐵及其合金材料。
（4）金屬陶瓷刀具
金屬陶瓷（即TiC（N）基硬質(zhì)合金）的主要成分為 TiC（碳化鈦）、TiN（氮化鈦）和TiCN（碳氮化鈦）等。TiC（N）基硬質(zhì)合金包括具有高耐磨性的TiC+Ni（或Mo）合金、具有高韌性的 TiC+WC+TaC+Co合金、以TiN為主體的強(qiáng)韌合金和TiCN+NbC 高強(qiáng)韌合金等。與WC硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷的硬度、強(qiáng)度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能等均有顯著改善，尤其是高溫強(qiáng)度、高溫硬度、導(dǎo)熱性、抗氧化性和抗熱震性能得到提高，與鋼的親和力小，摩擦系數(shù)小，抗月牙洼磨損和抗粘結(jié)能力強(qiáng)，現(xiàn)已發(fā)展成為獨(dú)立系列的一類刀具材料。近年來開發(fā)的高氮含量、具有均勻微細(xì)硬質(zhì)組織的TiC（N）基硬質(zhì)合金具有良好的抗磨損性能和抗崩刃性，適于在200～400m/min的高速下切削普通鋼和合金鋼，也可用于鑄鐵的精加工。由于TiC 的抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散性能較好，所以耐磨性好，但抗塑性變形能力較差，在對(duì)高硬材料進(jìn)行高速切削時(shí)常因刀刃的塑性變形而導(dǎo)致刀刃損壞。
（5）涂層刀具
涂層刀具具有很強(qiáng)的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。涂層的摩擦系數(shù)較低，能有效降低切削時(shí)的切削力及切削溫度，因而可大大提高刀具耐用度。TiC涂層的硬度高、耐磨性好，適用于可能產(chǎn)生劇烈磨損的刀具；TiN涂層與被切削金屬的親和力小、潤(rùn)濕性好、抗氧化性強(qiáng)，適用于容易發(fā)生粘結(jié)磨損的刀具；Al2O3涂層在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，適用于高速切削時(shí)產(chǎn)生大量切削熱的刀具。目前應(yīng)用較廣泛的主要是在硬質(zhì)合金和高速鋼刀體上涂覆不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化鋁（Al2O3）、碳氮化鈦（TiCN）、氮化鋁鈦（TiAlN）、碳氮化鋁鈦（TiAl-CN）等涂層具有優(yōu)異的高溫性能。WC基、TiC（N）基硬質(zhì)合金和陶瓷等材料都可作為涂層刀具的基體。
涂層技術(shù)發(fā)展很快，目前已從單涂層發(fā)展為多涂層。應(yīng)用較廣泛的涂層工藝有化學(xué)氣相沉積法（CVD法）和物理氣相沉積法（PVD法）。PVD法主要用于高速鋼刀具涂層；CVD法和PVD法均可用于硬質(zhì)合金刀具涂層。PVD法涂層的硬質(zhì)合金刀具有較好的抗破損性能，適于斷續(xù)切削，但耐磨性不如CVD法涂層的硬質(zhì)合金刀具。目前適用于高速切削的硬質(zhì)合金涂層刀具的涂層物質(zhì)主要有采用CVD法的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN、TiN+Al2O3、 TiCN等和采用PVD法的TiAlN/TiN復(fù)合涂層、TiAlN等。選用不同涂層物質(zhì)的硬質(zhì)合金涂層刀具可以200～400m/min的切削速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、合金鑄鐵等。近年來開發(fā)的氮化碳（CNx）和其它氮化物（TiN/NbN、TiN/VN等）涂層在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，適合于高速切削。
近年開發(fā)的納米TiN/AlN復(fù)合涂層銑刀片的涂層層數(shù)達(dá)2000層，每層厚度為2.5nm，可在高速下進(jìn)行切削。涂層刀具用于高速切削時(shí)，由于切削溫度較高，可使涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度削弱，而且容易產(chǎn)生剝落、崩碎等損傷現(xiàn)象。
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