隨著CNC加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用，刀具材料也不斷更新和發(fā)展，高速切削加工已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段。高速切削加工的切削速度是常規(guī)切削的5～10倍，對刀具材料以及刀具結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)等都提出了新的要求，尤其是對刀具的材料有更高的要求，高速切削刀具的材料要具有高的強(qiáng)度、韌性和硬度，良好的熱穩(wěn)定性和熱硬性、良好的高溫力學(xué)性能、較小的化學(xué)親合力和耐磨性。這里就針對高速切削的刀具材料和性能及其合理選擇措施進(jìn)行探討。

高速切削的刀具分類和性能

涂層刀具

涂層刀具是在刀具基體上涂覆硬質(zhì)耐磨金屬化合物薄膜，以達(dá)到提高刀具表面的硬度和耐磨性的目的。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷和陶瓷等。涂層刀具可以分成硬涂層刀具和軟涂層刀具。硬涂層刀具的涂層材料主要有氮化鈦（TiN）、碳化鈦（TiC）、氧化鋁（Al2O3）、碳氮化鈦（TiCN）、氮化鋁鈦（TiAlN），碳氮化鋁鈦（TiAlCN）等。硬涂層刀具的主要特點(diǎn)是硬度高、耐磨性能好。軟涂層刀具是以 MoS2和 WS2作為涂層材料的高速鋼刀具，軟涂層刀具可以減少磨擦，降低切削力和切削溫度。涂層可以是單涂層，也可以是雙涂層或多涂層，甚至是幾種涂層材料復(fù)合而成的復(fù)合涂層。復(fù)合涂層可以是TiC-Al2O3-TiN，TiCN和 TiAlN多元復(fù)合涂層，最新又發(fā)展了TiN/NbN，TiN/CN等多元復(fù)合薄膜。TiN 涂層的硬度高、耐磨性好，TiC涂層與金屬的親合力小，抗氧化性強(qiáng)，TiAlN具有良好的高速切削性能，Al2O3涂層有良好的熱穩(wěn)定性。TiAlN層在高速切削中性能優(yōu)異，最高切削溫度可達(dá)800℃。

陶瓷刀具

陶瓷刀具的材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750~1000MPa)，耐磨性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗粘結(jié)性能良好，摩擦系數(shù)低且價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度，1200℃時硬度達(dá)到HRA80。正常切削時，陶瓷刀具耐用度極高，切削速度可比硬質(zhì)合金提高2~5倍，。近幾年來，由于控制了原料純度和顆粒尺寸細(xì)化，添加各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善其性能，還可通過顆粒、晶須、相變、微裂紋和幾種增韌機(jī)理的協(xié)同作用提高其斷裂韌性，不僅使抗彎強(qiáng)度提高到0.9~1.0GPa(高的可達(dá)1.3-1.5GPa)，而且斷裂韌度和抗沖擊性能都有很大提高，應(yīng)用範(fàn)圍日益擴(kuò)大，除可用于一般的精加工和半精加工外，也可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工，在國際上公認(rèn)為是提高生產(chǎn)效率最有潛質(zhì)的刀具。目前，陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工鋼、鑄鐵及其合金等材料，刀具壽命比硬質(zhì)合金高幾倍、甚至幾十倍。與金剛石和CBN（立方氮化硼）等超硬刀具相比，陶瓷的價格相對較低。

金屬陶瓷刀具

金屬陶瓷具有較高的室溫硬度、高溫硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力強(qiáng)和化學(xué)穩(wěn)定性好。金屬陶瓷刀具的材料主要包括高耐磨性能的TiC基硬質(zhì)合金(TiC+Ni或Mo)、高韌性的TiC基硬質(zhì)合金( TiC+TaC+WC)、強(qiáng)韌的TiN基硬質(zhì)合金和高強(qiáng)韌性的TiCN基硬質(zhì)合金(TiCN＋NbC)等。這些合金做成的刀具可在υc=300m/min～500m/min范圍內(nèi)高速加工鋼和合金鋼，精加工鑄鐵。金屬陶瓷可制成鉆頭、銑刀與滾刀。如日本研制的金屬陶瓷滾刀，υc=600m/min，約是硬質(zhì)合金滾刀的10～20倍，加工表面粗糙度值Rmax為2μm。

立方氮化硼（CBN）刀具

立方氮化硼（CBN）刀具具有較高的硬度，僅次于金剛石（可達(dá)8000HV～9000HV），并且熱穩(wěn)定性高（達(dá)1250℃～1350℃），對鐵族元素化學(xué)惰性大，抗粘結(jié)能力強(qiáng)，而且用金剛石砂輪即可磨削開刃，故適于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難切削材料。由于立方氮化硼（CBN）刀具加工高硬度零件時可獲得良好的加工表面粗糙度，因此采用立方氮化硼（CBN）刀具可以實(shí)現(xiàn)以車代磨、以銑代磨，大幅度地提高加工效率。

聚晶金剛石（PCD）刀具

聚晶金剛石（PCD）刀具PCD刀具可實(shí)現(xiàn)有色金屬、非金屬耐磨材料的高速加工。據(jù)報(bào)導(dǎo)，鑲PCD的鉆頭加工Si-Al則合金的切削速度隊(duì)達(dá)300m/min～400m/min，PCD與硬質(zhì)合金的復(fù)合片鉆頭加工用Al合金、Mg合金、復(fù)合材料FRP、石墨、粉末冶金坯料，與硬質(zhì)合金刀具相比，刀具壽命提高了65～145倍；采用高強(qiáng)度Al合金刀體的PCD面銑刀加工用合金的速度υc達(dá) 3000m/min～4000m/min，有的達(dá)到7000m/min。近年來國外研制開發(fā)了金剛石薄膜刀具(車銑刀片、麻花鉆、立銑刀、絲錐等)，壽命是硬質(zhì)合合金刀具的10～140倍。

性能優(yōu)異的高速鋼和硬質(zhì)合金復(fù)雜刀具

用高性能鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼和硬質(zhì)合金制造的齒輪刀具，可用于齒輪的高速切削。用硬質(zhì)合金粉末和高速鋼粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齒輪滾刀，滾切速度可達(dá)150m/min～180m/min。進(jìn)行對TiAlN涂層處理后，可用于高速干切齒輪。用細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制造并涂復(fù)耐磨耐熱及潤滑涂層的麻花鉆加冷卻液加工碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼時，切削速度可達(dá)200m/min，干切時切削速度也可達(dá)150m/min。用細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制成的絲錐加工灰鑄鐵時，切削速度可達(dá)100m/min。

根據(jù)加工材料合理選擇刀具

如何正確地選擇刀具來加工相應(yīng)工件材料，進(jìn)而提高加工生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，是一個十分重要的問題。每一種刀具材料都有其特定的加工范圍，一般而言，CBN、金屬陶瓷刀具、陶瓷刀具、涂層刀具適合加工鋼鐵等黑色金屬材料。而PCD刀具適合加工鋁、鎂、銅等有色金屬及其合金和非金屬材料的高速加工。

根據(jù)上表可以合理地選擇合適的刀具材料。陶瓷刀具適用于加工各種鑄鐵、鋼件和鎳基高溫合金，不同品種和陶瓷刀具有不同的加工范圍，Al2O3基陶瓷刀具有良好的耐磨性、耐熱性且高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，可用于對鑄鐵、鋼及其合金的加工。Si3N4基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱振性好，適于斷續(xù)加工鑄鐵和合金鑄鐵。

金屬陶瓷刀具不僅具有陶瓷的硬度，還具有硬質(zhì)合金的高強(qiáng)度，抗粘結(jié)性和耐磨性好，與鋼的親合力小，適合中高速切削模具鋼，當(dāng)切削速度低度于750 m/min時，可對鑄鐵件進(jìn)行加工。

金鋼石刀具適合加工非金屬材料、有色金屬及其合金。由于金剛石的熱穩(wěn)定性比較差，與鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親合力，所以PCD不適合加工鋼鐵類材料，金剛石摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導(dǎo)率高，切削時不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好。最適合用于超精密加工非鐵金屬材料、有色金屬和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、粉末燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材（尤其是實(shí)心木和膠合板等復(fù)合材料）。

立方氮化硼刀具適于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難切削材料，被加工材料硬度越高越能體現(xiàn)立方氮化硼刀具的優(yōu)勢。國外還研制了CBN含量不同的CBN刀具，以充分發(fā)揮CBN刀具的切削性能。據(jù)報(bào)導(dǎo)， BN-10加工灰鑄鐵的速度可達(dá)2000m/min。

刀具材料的不斷更新，使切削加工向著高速和超高速的方面發(fā)展，各種刀具材料都與相應(yīng)的工件材料相匹配，并有著不同的切削速度范圍，涂層刀具將會在高速切削領(lǐng)域占主導(dǎo)地位；陶瓷刀具的自身優(yōu)勢將會得到更廣泛的發(fā)展；CBN和PCD將會在高速切削中占有重要地位，且應(yīng)用將會越來越廣泛。加強(qiáng)高速切削刀具材料的研究和開發(fā)，將會對高速切削技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有重大的意義。

從高速切削機(jī)理的研究中我們看到，隨著切削速度的提高，金屬切除率得到極大的提高，材料的高應(yīng)變率（在切削速度500m/min時約為1.67×105/s，切削溫度達(dá)到1400℃）使切屑成形過程以及刀具與工件之間接觸面上發(fā)生的各種現(xiàn)象都與傳統(tǒng)切削條件下的情況不一樣。刀具的熱硬性和刀具磨損問題成為關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)高速切削，必須有適合于高速切削的刀具材料和刀具制造技術(shù)來支持。

現(xiàn)在使用的金屬切削刀具材料可分為九種，包括從切削速度最低、耐磨性能最差的高速鋼到高速性能最好的聚晶金剛石刀具。高速切削還需要同時具有韌性好、抗沖擊能力強(qiáng)和耐磨性好的刀具材料。

一般來說，性能較低的刀具，如高速鋼和非涂層硬質(zhì)合金，在普通切削加工中應(yīng)用面廣，但高速性能不好。而高性能的刀具，例如聚晶金剛石刀具，是所有刀具材料中最硬的，具有非常高的耐磨性和速度能力，切削熱對它幾乎沒有什么影響，在高速加工有色金屬和非金屬材料時充分體現(xiàn)出了它的優(yōu)越性。但是它的抗沖擊能力差，在切削鋼和鑄鐵類材料時的熱性能很差。因?yàn)樵诟咚偾邢麒F質(zhì)金屬時，刀具材料中的碳原子會向工件擴(kuò)散，引起刀具磨損加劇。

硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用量最大，占各種刀具銷售額總量的80％。普通速度的金屬切削90%采用硬質(zhì)合金刀具。硬質(zhì)合金具有比較好的抗沖擊韌度，但是高速性能不好。另外，高速切削刀具還要具有極高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性，這方面硬質(zhì)合金也不能滿足要求。

CBN刀具耐熱性極好，可以在高溫下切削硬材料，但是價格昂貴，而且不能加工軟金屬材料。而化學(xué)穩(wěn)定性好的鋁基陶瓷材料，正好適合于這種加工，但是缺乏熱硬性，不能用于高速加工。

集中不同特性刀具材料的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)新的刀具材料，使之同時具有抗沖擊韌度和高的耐磨性，是高速切削刀具研究中要解決的主要問題之一。在具有比較好的杭沖擊韌度的刀具基體材料上，用熱硬性和耐磨性好的材料進(jìn)行表面涂層，產(chǎn)生新的刀具，常常具有兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，這類刀具在高速切削中具有很大的適用范圍。

在這種思想指導(dǎo)下，先后出現(xiàn)了硬質(zhì)合金涂層刀具、CBN涂層刀具和PCD涂層刀具等復(fù)合材料新刀具，以適用于高速切削不同的金屬材料。

適用于高速切削的涂層硬質(zhì)合金刀具，由于使用了耐熱性好、硬度高的涂層材料以及多層涂層技術(shù)，使涂層硬質(zhì)合金刀具的切削范圍大、壽命長，其切削性能大大優(yōu)于非涂層硬質(zhì)合金。因此，涂層硬質(zhì)合金大有取代普通非涂層硬質(zhì)合金的趨勢。

刀具涂層技術(shù)不僅可用存硬后合金刀具上，而且在其他刀具材料上也得到很好的效果，如金屬陶瓷、陶瓷等。

陶瓷刀具也是可以用于高速切削的刀具，是近年來刀具材料研究發(fā)展的一個重要組成部分。晶須增強(qiáng)陶瓷刀具是一種特殊材料的刀具，由于它具有抗沖擊韌度好、抗熱沖擊性能強(qiáng)的特點(diǎn)，很適合于高速加工。

高速切削刀具要解決的另一個問題是在刀片上磨出或壓出一定幾何形狀的斷屑槽，以便實(shí)現(xiàn)斷屑和控制切屑方向，這也是提高加工效率和提高刀具耐用度的重要技術(shù)。

高速切削刀具應(yīng)該具有優(yōu)良的抗沖擊韌度和抗熱沖擊性能，更好的耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及更好的斷屑效果，并適應(yīng)于更大的金屬切削范圍。

高速切削發(fā)展趨勢

高速切削的發(fā)展趨勢主要有：

(1)開發(fā)和研制新一代高速大功率機(jī)床，進(jìn)一步改善和提高主軸性能。

(2)新型高耐磨、耐熱刀具材料有待開發(fā)，高速刀具結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步完善。因?yàn)楦咚偾邢鞯毒咧苯記Q定高速切削的效益、質(zhì)量和安全，是推廣和實(shí)施高速切削技術(shù)的基礎(chǔ)。

(3)開發(fā)推廣干切削和硬切削新工藝。近幾年，國外在發(fā)展高速切削的過程中已開發(fā)和應(yīng)用了干切削和硬切削(即切削淬硬工件)新工藝。由于千切削有保護(hù)環(huán)境的作用，硬切削能代替磨削提高工效的作用，而得到了新的發(fā)展、但這兩種切削都要求高性能的刀具材料。

因此，不難而知，高速切削刀具材料，將在我國的社會主義事業(yè)建設(shè)中，占有不可替代的作用。