數(shù)控銑床在切削加工中常用的刀具材料有:工具鋼(包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼)、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼及金剛石等,其中高速鋼和硬質(zhì)合金為目前最常用的刀具材料。
1、高速鋼。高速鋼是含有w、Mo、Cr、V等合金元素較多的工具鋼,俗稱為鋒鋼或白鋼。與硬質(zhì)合金相比,高速鋼的塑性、韌性、導(dǎo)熱性和工藝性好,可以制造形狀復(fù)雜的刀具;硬度、耐磨性和耐熱性較差,故常用于制造低速刀具和成形刀具;加工材料范圍很廣泛,可加工鋼、鐵和有色金誠等。
高速鋼按化學(xué)成分可分為鎢系、鉬系;按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。
(1)普通高速鋼。普通高速鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%~0.9%,主要用于數(shù)控銑床加工一般工程材料。按含鎢量不同,普通高速鋼可分為鎢鋼和鎢鉬鋼。
(2)高性能高速鋼。在普通高速鋼內(nèi)增加C、V的含量和添加Co、A1等合金元素就得到高性能高速鋼,耐熱性和耐磨性進(jìn)一步提高。高性能高速鋼的常溫硬度可達(dá)67~70HRC,高溫硬度也相應(yīng)提高,可用于高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金等數(shù)控銑床難加工材料的切削加工,并可提高刀具使用壽命。
2、硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金是由硬質(zhì)相(高硬、難熔的金屬碳化物,如WC、TiC、TaC、NbC等)和粘結(jié)相(金屬粘結(jié)劑,如Co、Ni)等經(jīng)粉末冶金方法制成的。與高速鋼相比,硬質(zhì)合金具有如下特點(diǎn):硬度高(89~93HRA)、耐熱性高(刀具壽命可提高幾倍到幾十倍,在刀具壽命相同時(shí)切削速度可提高4~10倍,在800~1000℃時(shí)仍可切削),耐磨性高,但其抗彎強(qiáng)度低(0.9~1.5GPa),斷裂韌度低。因此,硬質(zhì)合金刀具承受切削振動(dòng)和沖擊負(fù)荷能力差。根據(jù)硬質(zhì)相的不同,硬質(zhì)合金主要分為兩大類:
(1)WC(碳化鎢)基硬質(zhì)合金。WC基硬質(zhì)合金硬質(zhì)相主要成分為WC。
1)鎢鈷類(YG類,也稱K類)硬質(zhì)合金:硬質(zhì)相(WC)+粘結(jié)相(Co)。
常用的牌號(hào)有YG3、YG6、YG8、YG3X等,其中數(shù)字表示Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、6%、8%,YG3X表示強(qiáng)度接近于YG3,由于屬細(xì)晶粒合金,耐磨性較高。
YG類硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度、韌性較好,主要用于數(shù)控銑床加工鑄鐵等脆性材料、有色金屬及非金屬材料。不適合加工鋼料,原因是YG類硬質(zhì)合金在640℃時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重粘結(jié),使刀具磨損,刀具壽命下降。
2)鎢鈦鈷類(YT類,也稱P類):硬質(zhì)相(WC+TiC)+粘結(jié)相(Co)。
常用的牌號(hào)有YT5、YT15、YT30等,其中數(shù)字表示TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、15%、30%。
YT類硬質(zhì)合金比YG類硬質(zhì)合金硬度高、耐熱性好,在數(shù)控銑床切削塑性材料時(shí)的耐磨性較好,但韌性較差,易崩刃,一般適合加工塑性材料,如鋼料等;一般不用于加工含Ti的材料,如lCrl5Ni9Ti,因?yàn)?/span>YT類硬質(zhì)合金中的Ti與被加工材料中的Ti的親和力較大,使刀具磨損較快。
3)鎢鈦鉭鈷類硬質(zhì)合金(YW類,也稱M類),是在YT類硬質(zhì)合金中加入了稀有金屬TaC??商?/span>高其抗彎強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、沖擊韌度、高溫硬度、高溫強(qiáng)度、抗氧化能力和耐磨性。這類合金可以加工鑄鐵及有色金屬,也可以加工鋼材,因此常稱為通用硬質(zhì)合金,主要用于加工難加工材料。常用牌號(hào)有YW1和YW2。
國產(chǎn)的硬質(zhì)合金一般有YG和YT兩大類。
(2)TiC(碳化鈦)基硬質(zhì)合金(YN)TiC基硬質(zhì)合金硬質(zhì)相主要成分為TiC。這種合金有很高的耐磨性、較好的耐熱性和較強(qiáng)的抗氧化能力,化學(xué)穩(wěn)定性好,與工件材料的親和力小,抗粘結(jié)能力較強(qiáng),可以加工鋼材、鑄鐵。唯有抗彎度不如WC基硬質(zhì)合金,目前僅用于精加工和半精加工。TiC基硬質(zhì)合金因抗塑性變形、抗崩刃能力差,不適于重切削及斷續(xù)切削。
3、數(shù)控銑床新型刀具材料。近年來,由于高硬度難加工材料的出現(xiàn),數(shù)控銑床對(duì)刀具材料提出了更高的要求,推動(dòng)了刀具新材料的不斷開發(fā)。
(1)涂層硬質(zhì)合金。涂層硬質(zhì)合金是采用韌性較好的基體(如硬質(zhì)合金刀片或高速鋼等),通過化學(xué)氣相沉積和真空濺射等方法,在基體表面涂以厚度為5~12μm的涂層材料,以提高刀具的抗磨損能力和使用壽命(硬質(zhì)合金刀具可提高1~3倍,高速鋼可提高2?10倍)。但涂層刀具存在鋒利性、韌性、抗崩刃性差及成本昂貴等缺點(diǎn)。
涂層材料為TiC、TiN、A1203等,適合于各種鋼材、鑄鐵的半精加廠和精加工,也適合于負(fù)荷較小的粗加工。
(2)陶瓷。陶瓷是以氧化鋁(A1203)或氮化硅(Si3N4)為主要成分,經(jīng)壓制成形后燒結(jié)而成的刀具材料。陶瓷硬度高,耐氧化,被廣泛用于數(shù)控銑床高速切削加工中;但由于其強(qiáng)度低,韌性差,長期以來主要用于精加工。
(3)立方氮化硼(CBN)。立方氮化硼是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型刀具材料,由六方氮化硼(俗稱白石墨)和催化劑(材料選自堿金屬,堿土金屬,錫、鉛、銻及其氮化物)在高溫高壓下合成。其硬度很高,可達(dá)8000~9000HV,僅次于金剛石;其熱穩(wěn)定性很好,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金剛石,可耐1300~1500℃以上的高溫;其化學(xué)穩(wěn)定性也很好,在高溫(1200~1300℃)時(shí)也不會(huì)與鐵族金屬起反應(yīng)。立方氮化硼一般用于高硬度、難加工材料的精加工。
(4)金剛石。金剛石分天然和人造兩種,都是碳的同素異構(gòu)體。天然金剛石由于價(jià)格昂貴用得很少。人造金剛石是在高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成的,其硬度接近于10000HV,故可用于高速精加工有色金屬及合金、非金屬硬脆材料。它不適合加工鐵族金屬,因?yàn)?/span>高溫吋極易氧化、碳化,與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng),刀具極易損壞。目前,金剛石主要用作牙科磨具和磨料。