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採用CBN刀具切削加工燒結合金

日期：2011-3-2　 來源：《工具展望》 

　　CBN刀具是在刀尖部位使用立方氮化硼(CBN)燒結體的刀具。這種燒結體是由硬度僅次於金剛石的CBN粉末、陶瓷和金屬結合劑製成。CBN不僅硬度很高，而且對鐵族金屬的化學反應極低，因此被廣泛應用于高硬度鋼、燒結合金、鑄鐵等材料的加工。

　　根據燒結體中CBN含量的多少，CBN刀具大致可分為兩大類：一類CBN顆粒含量較少，且分散在結合劑中，主要用於高硬度鋼的切削。三菱材料公司的MB8025、MB825牌號和塗層CBN牌號MBC020、MBC010等都屬於這一類。另一類CBN顆粒之間結合較緊密，多用於燒結合金的切削。三菱材料公司的MB730即屬此類。

　　所謂燒結合金，是指採用粉末冶金方法製造的合金材料。粉末冶金法主要用於高溫合金和硬質合金的製造。不過近年來，由於淨成形技術的採用，降低了加工成本，增大了材料設計的自由度，並使材料的耐磨性、強度等各種機械性能進一步提高，因此粉末冶金法也被廣泛用於汽車、家電、機器等零部件的製造。

　　鐵系燒結合金的加工

　　燒結合金機械零部件的使用量每年都在增加，日本國內產值已經達到1200億日元。其用途因產業不同而各異，以汽車為代表的運輸機械的使用量占到92%，據說每輛日本汽車使用的燒結合金機械零部件重達8.7kg。主要用於機械零部件的F-Cu-C系燒結合金具有良好的切削性能，可採用硬質合金、金屬陶瓷及CBN等刀具材料加工。為了與新開發的CBN刀具產品進行對比，使用了金屬陶瓷刀具材料NX2525。切削加工(加工方式：φ44×15mm外圓連續切削;切削刀具：CNMA120408;切削用量：vc=190m/min，f=0.15mm/r，ap=0.1mm;冷卻狀況：濕切削)評價結果表明，與金屬陶瓷相比，CBN的耐磨性能更好。但是，CBN刀具的單價高於金屬陶瓷刀具。因此，在此類加工中，有必要綜合考慮價格、壽命和加工效率。

　　近年來，為了改善機器特性，通過熱處理、高密度化或添加元素等方式製成的燒結合金材料使用量有增加的趨勢，而且這些燒結合金的切削性能越來越差。CBN刀具對於切削加工此類材質十分有效。

　　添加了元素的F-Cu-C-Ni-Mo系燒結合金(MPIF規格：FD-0208)的切削性能評價結果表明，在加工這種燒結合金時，金屬陶瓷刀具材料NX2525與CBN刀具材料的耐磨損性差距顯著，即使考慮了兩種刀具的價格差異，CBN刀具也更具優勢。

　　不同CBN刀具材料的比較結果表明，刀尖CBN含量較高的MB730比MB825加工效果更好。此外，MB730的刃口保持性良好，適合採用鋒利刀尖，在切削加工燒結合金時，可有效抑制毛刺的產生;而毛刺常常成為縮短刀具壽命的原因。

　　閥座環的加工

　　閥座環主要用於汽車及船舶發動機的閥座，要求具有耐熱性、耐磨耗性以及自潤滑性。為了滿足這些使用要求，需要在基材中分佈更多硬質顆粒。因此，與常規燒結合金相比，其可切削性更差。閥座環的加工方法有切槽加工和橫向切削，它們對刀尖的性能要求各不相同。從加工形態來看，切槽加工適合採用耐磨性好、抗崩韌性強的CBN刀具材質;而橫向切削更適合採用耐磨耗性好的CBN刀具材質。

　　考慮到加工效率，切槽加工方法要優於橫向切削方法。切槽加工時，CBN含量較高的刀具適合加工硬質顆粒較少、硬度在Hv250以下的被加工材料;而對於硬度超過Hv250、硬質顆粒較多的被加工材料，則選用抗崩刃性能好的MB825刀具牌號較為適合，因為它所包含的CBN顆粒較細，並使用了比一般TiN結合劑更硬的TiC結合劑。而對於硬度更高(Hv300以上)閥座材料的切槽加工，則適合採用以高強度CBN材質製成的MB835牌號。

　　用CBN刀具對硬質顆粒分散型燒結合金進行切槽加工(加工機床：NC25S數控車床;刀具形狀：TPG×160304;切削用量：vc=166.0m/min，fr=0.07mm/r，ap=0.25mm;冷卻液：無氯乳化液PFE397)。由結果可見，與加工機械零部件用燒結合金時相反，CBN含量較少的MB825比MB730耐磨損性能更好。

　　不同用途的燒結合金其種類也各不相同。隨著工件材料機械性能的提高，其可切削性越來越差，CBN刀具的使用率也隨之增加。但是，根據燒結合金的種類合理選用CBN刀具材質，對於提高加工效率和工件品質至關重要。

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現今，鋁合金材高效高速數控加工機床技術已相當成熟，並得到了廣泛應用。隨著鈦合金材整體構件在大型飛機上的應用增多，其切削加工的低效已成為大型飛機快速製造的瓶頸，配置有高功率高轉矩主軸的鈦合金材高速數控MC機床已成為許多航宇製造業用戶特別關注和優先考慮的現代化先進關鍵製造裝備之一。所有這些，促使工業界更加關注鈦合金材HEM-HSM加工技術及其裝備的發展與工業應用。世界許多著名數控機床和主軸製造商也都加強了對該技術領域的開發研究力度，一些機床製造商甚至還成立專門的研發中心，積極為航宇製造業推出了多種類型用於大型複雜鈦合金材整體結構件HEM-HSM加工應用的數控加工機床。

眾所周知，直到目前為止工業界對高速加工技術HSM還未有一種統一、明確、權威和公認的定義。實際上，HSM 技術中“高速”是為一種相對性概念，對不同工件材料或不同切削工藝類型其HSM定義的“高速”速度範圍則是不同的。鈦合金材相對材料可加工性Kr僅為0.22~0.35，屬很難切削加工之金屬材，其高速切削速度範圍（100~1,200m/min）遠低於鋁合金材（2,500~7,500m/min）。比如一把直徑50mm刀具，在主軸轉速4,000r/min時其切削速度為628m/min，對鋁合金材而言，這挨不上高速的邊，但對鈦合金材而言，這已是較高速了。顯然，用於鈦合金材HEM-HSM加工應用的高速數控加工機床明顯不同於鋁合金材場合，簡單地講，對鋁合金材需要高功率高轉速主軸的數控加工機床，對鈦合金材則需要高功率高轉矩主軸的數控加工機床。

鈦合金材為何難切削加工

鈦合金材具有高強度、高硬度和低密度材料特性，如鈦合金Ti-6Al-4V（簡稱Ti-6-4）抗拉強度達900MPa，硬度為250∼375HB，密度4.42 g/cm3，使得鈦合金材整體結構件除在現代軍用飛機上得到廣泛應用外，在現代大型客機上也得到了越來越多的應用，其用材重量占飛機結構總重量百分比數呈現快速上升趨勢，並已開始超過了鋼結構件。因此，實現鈦合金材結構件高效率切削加工已成為大型飛機製造生產之關鍵。然而，和鋁合金材相比，鈦合金材屬很難加工金屬材，其切削加工的難點主要表現在如下若干方面：

大切削力

眾所周知，通常金屬材料的硬度和強度越高，則其切削加工所需要的切削力就越大，切削溫度就越高，刀具磨損就越快，故相對可加工性也就越差。如鋁合金材相對可加工性係數Kr為2.0∼7.5，高強度鋼Kr為0.3∼0.7，鈦合金Kr為0.22∼0.35，而航空高強度高溫合金Kr僅0.07∼0.3。因此，和切削加工鋁合金等輕金屬材相比，鈦合金材切削加工需要更大切削力，通常需近1,000∼數千牛（Newton，N），是普通鋼材的2∼4倍，是鋁合金材的10∼40倍。如用一把4齒直徑32mm的端銑刀，切深19mm，以20 cm3/min金屬切除率切削加工鈦合金材時將會產生4,445N (1,000 lbs)負載力，若刀具磨損50%，負載力將增加至8,890N。因此，加工鈦合金等硬合金材需要大切削力就意味著需要高轉矩主軸，或就意味著僅允許使用較低切削速度，大約僅為鋁合金材時的10%。

高切削溫度

切削加工鈦合金材時，通常切屑與刀具前刀接觸面較小，切削點的溫度極高，可達1,100~1,200℃左右，切削區高溫狀態易使刀尖很快熔化或粘結，導致刀具磨損嚴重。

此外，鈦合金材熱傳導係數低，大約僅為合金鋼的15%，鋁合金材的5%，（鈦熱傳導係數15.24 W/mK；鈦合金Ti-6-4為7.56 W/mK；AISI 4340 合金鋼為44.6 W/mK；45號鋼為50.2 W/mK；7075鋁合金為130W/mK），大約80%切削加工過程中所產生的熱量傳入到刀具中，而不像典型高速切削加工鋁合金等金屬材那樣有75%熱量傳入到切屑中，傳到刀具僅約15%。因此，鈦合金切削過程中刀具切削點的高溫熱量很難由切屑快速帶走，加速了刀具磨損。這也就決定了對鈦合金材必須採用高壓大流量冷卻液切削加工。 

本篇文章來源於 “切削技術網站”網址：http://www.e-cuttech.com/ReadNews/9569.html

在MAG的低溫加工系統中，溫度為-196℃的液氮通過主軸、刀柄和刀體內部的管道流動，然後通過在切削刀片中用放電加工方式加工的出口，到達距剪切面不到1mm處。

在低溫加工系統中，液態二氧化碳和液氮可以作為有效的冷卻劑。以前的低溫加工系統都是通過管道將超冷液體從外部引到刀具/工件介面處，為了在切削難加工材料時提高切削速度和延長刀具壽命，機床製造商MAG工業自動化系統公司開發了主軸內冷卻低溫加工新技術。

據MAG公司高級刀具工程師George Georgiou介紹，在MAG的低溫加工系統中，溫度為-196℃的液氮通過主軸、刀柄和刀體內部的管道流動，然後通過在切削刀片中用放電加工（EDM）方式加工的出口，到達距剪切面不到1mm處。Georgiou說，“低溫冷卻液對切削時產生的高溫具有超強冷卻能力，可以防止切削熱傳入刀具切削刃。”

他補充說，主軸內採用真空管道來絕熱，刀柄和刀體（包括安裝刀片的刀座）中的管道則採用了一種導熱率極低的材料。到達切削點時，最初加注的液氮仍有近50%保持液態。在將切削熱從刀具/工件介面處帶走後，原來的液體變為氣體（其中包含80%的氮氣）散入周圍的空氣中。為了防止局部區域氮氣濃度過高，使氧氣含量減少，採用了多個感測器監測周圍空氣中的氮氣含量，如果發現環境空氣品質不安全，則會暫時關閉液氮流。

MAG公司估計，在低溫銑削和鏜削時，每個切削刃每分鐘大約要消耗0.04升冷卻劑；而在低溫鑽削和攻絲中，冷卻劑的消耗量要少一些，因為加工時刀具被包圍在工件內。

內冷卻低溫加工還可以與外部供液的最小量潤滑（MQL）技術合併使用，以減小刀具的摩擦與粘附。這是因為，低溫加工的目標是減小由切削熱引起的刀具磨損，但並不能起到潤滑作用，因此需要借助於MQL技術。MQL可以有效防止因刀具過熱和軟化而造成的磨損加快。

儘管這種低溫加工技術仍然處於開發過程中，但據MAG公司介紹，應用該技術銑削蠕墨鑄鐵（CGI）時，可使硬質合金刀具的切削速度提高60%，使聚晶金剛石（PCD）刀具的切削速度提高3倍。該公司設計副總裁Doug Watts說，“通過外加MQL潤滑，可使硬質合金刀具的切削速度提高到原來的3倍，但PCD刀具的切削速度在已提高3倍的基礎上未見再提高。這些切削試驗重點關注切削速度的提高，而刀具壽命則保持在與採用常規冷卻液時相同的水準上。”

Georgiou指出，在使用MQL潤滑時，PCD刀具的切削速度沒有進一步提高的原因在於，與硬質合金相比，PCD這種超硬材料更不容易磨損，而且能更有效地傳熱。當以大約100m/min的切削速度加工有色金屬材料時，切削熱通常會使PCD分解為碳並失效。在低溫加工中，金剛石在更高的切削速度下仍能保持其性能穩定。

除了蠕墨鑄鐵以外，MAG還對鈦合金和不銹鋼進行了低溫加工試驗。Georgiou說，“今後在航空製造業將會有大規模的資金投入。作為使用越來越多的航空材料，鈦合金不僅切削性不好，而且傳熱性也很差，但我們用低溫技術加工獲得了非常不錯的結果。”

MAG公司計畫，在其機床上提供商品化低溫加工主軸之前，將在IMTS展覽會上展示這項技術，並向其合作夥伴和用戶提供用於改造機床的低溫加工旋轉元件，使他們可以比較低溫加工與常規加工系統的使用效果。

原載:《工具展望》

上載於:2011-11-8 13:25:28

本篇文章來源於 “切削技術網站” 網址：http://www.e-cuttech.com/ReadNews/9569.html

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刀具選擇和切削用量的確定

資料來源: 中國機械夢想社區

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為滿足人骨的要求，應使用高度耐腐蝕和耐磨損的鈦合金、不銹鋼和特殊合金，這對於目前現有的刀具進行有效加工提出了極大的挑戰。

　　山特維克可樂滿針對植入體例如接骨螺釘或髖關節開發了一系列出色的刀具解決方案，為實現當今醫學領域最尖端的複雜零件的高效加工提供了極大的便利。

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　　山特維克可樂滿為提升現在乃至將來的醫療品質開啟了一扇創新之門！

資料來源: 專家知道  金屬加工在線   2011-10-28

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對於模具製造商來說，高效而經濟地加工零件是對其生產能力的永恆要求。在粗加工中，為了去除大量金屬材料，過去車間遵循的傳統常識是基於其金屬切除率的大小來選擇刀具，這將導致選用切除率盡可能最大的刀具來開始粗加工，然後工件尺寸逐漸減小，直至達到要求的形狀和光潔度。粗銑加工通常採用球頭立銑刀或紐扣銑刀。然而，這種加工方法可能會產生很大的應力，因此需要採用剛性極好的加工中心、牢固的夾具和具有良好韌性的切削刀具。

　　插銑已成為能快速去除金屬材料的另一種深受歡迎的加工方法。插銑的切削力沿軸向傳入主軸，而不是沿徑向作用於刀具，徑向切削力可能會造成刀具撓曲，從而降低加工精度和縮短刀具壽命。然而，插銑存在的一個問題是，刀具轉位到每一個新位置，都要不斷進入和退出凹腔。

　　大進給銑削基本原理        

　　如今，隨著更多加工車間具備了高速數控加工能力和掌握了複雜的CAM編程技術，大進給銑削(HFM)正成為在最短時間內去除盡可能多工件材料的一種可選方法。大進給銑削主要是為提高金屬切除率，以提高生產率和縮短加工時間而開發的一種粗加工方法。大進給銑削採用較小的切削深度(通常不超過2mm)，產生較薄的切屑，這些切屑能從切削刃上帶走大量切削熱。大進給銑削的每齒進給量通常可高達常規銑削的5倍。這種銑削方式可減少產生的切削熱，從而延長刀具壽命，並提供更高的金屬切除率——超過1,000cm3/每分鐘，比傳統銑削方式快1-2倍。

　　大進給銑削具有這些優點的原因是採用了小的安裝角(45°或更小)，從而使徑向切削力最小化、軸向切削力最大化。與插銑類似，切削力沿軸向傳入機床主軸，從而降低了振動的風險，使加工更為平穩。反過來，這又使得即便在大懸伸加工時，也可以採用更大的切削用量。而且，與插銑不同的是，大進給銑削時，刀具始終處於吃刀狀態。

　　大進給銑削能縮短加工時間的另一個原因是可以減少工序數量。由於採用小切深的大進給粗銑加工能夠加工出接近成品要求形狀的近淨外形，因此常常可以省略半精加工工序，從而簡化數控編程。另外，大進給銑削加工不需要增加機床的轉速。

　　大進給銑削入門

　　為了實現大進給銑削加工，用戶需要對整個加工系統進行評估。首先，要求機床具有高速CNC加工控制功能、很高的主軸精度和防止主軸膨脹的熱穩定性。其次，要求CAM軟體程式能夠處理刀具路徑平滑策略——如轉角圓整和採用螺旋切削路徑。平滑的刀具路徑通過小吃刀量加工，使刀具能平緩地對工件進行分層切削，而刀具的螺旋進給運動可以減小切削衝擊、能源消耗和切削力。

　　此外，大進給銑削所用的切削刀片也至關重要。這些刀片的切削部位較厚、圓弧半徑較大、幾何結構強度較高。這就意味著，可以採用很高的切削速度，同時仍然能保證加工的可靠性與安全性。對於大部分大進給銑削而言，應首選三角形刀片而不是圓刀片，理由是其主切削力位於切削刃的底部。當然，在有些情況下也可以選用方形刀片，但必須採用較小的安裝角。一般來說，在穩定的切削條件下用大功率機床進行大進給重載粗銑加工時，或在臥式銑床上加工時，需要採用方形刀片，這樣可使排屑更為有效。但在立式銑床或功率較小、轉速較高的機床上加工時，三角形刀片是一種安全的選擇，並且它具有優異的排屑能力。

　　大進給銑削的應用

　　(1)端面銑削

　　大進給銑削方法非常適合端面銑削加工(尤其是大批量加工)，它可以為後續加工或最終精加工奠定良好的基礎。在大部分大進給銑削加工中，通常都能夠達到非常高的尺寸精度，以至於只需再進行最終精加工即可。由於這種加工涉及的工件毛坯較大，因此使用最多的是大直徑銑刀。這就意味著，需要使用刀體上帶有刀夾、安裝三角形刀片的刀具。大進給面銑也很適合加工大部分軟材料。

　　大進給銑削方式可用于高效銑削型腔，特別適合模具加工。刀具的選擇和其他切削參數的確定主要取決於被加工材料、被加工零件的尺寸和剛度。在對粗糙表面進行仿形銑削時，採用大進給銑削方法也非常實用。

　　(2)螺旋插補銑削

　　在螺旋插補銑削中，大進給銑削方法對於大直徑孔的加工也是非常適宜的解決方案——它可以省略預加工或鑽預孔。大進給銑刀可實現與工件壁截面的接觸最小化。其優點是，與具有90°安裝角的傳統銑刀相比，大進給銑刀的加工過程更穩定。

　　大進給加工銑刀還可以用於插銑加工。它們特別適合加工難切削材料(如鈦合金和其他輕質合金)。大進給銑削同樣適合用於大懸伸加工。它可以減小振動風險，延長刀具壽命。但是，在刀具懸伸長度大於3倍直徑的加工中，應避免使用方型刀片。不過，用大進給銑刀進行插銑加工依賴于正常的進給率與較大的切削深度相結合。

　　儘管大進給銑削並不是一種萬能的解決方案，但在實現高金屬切除率、充分利用當今機床的全部加工能力和延長刀具壽命方面，它確實是一種非常不錯的加工方法。

資料來源:金屬加工在線

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高速鋼（HSS, High SpeedSteel）是我進入刀具行業時接觸最多的一類刀具材料。那時最常見的被稱為“ㄙ18”（ㄙ的發音為拼音“si”），其來源應該是來自前蘇聯。




後來知道，我們當時所用的高速鋼應被稱為“普通高速鋼”，還有比它性能更好的，如從合金成分上要明顯優於它的鋁高速鋼，鈷高速鋼（HSS-Co）等，或從冶煉方法上要明顯優於它的粉末冶金高速鋼（PM-HSS，PowderMetallurgy High SpeedSteel）；當然也有比它性能更低一些的所謂“低合金高速鋼”。



現在有些人對“高速鋼”這個名字有些不解，因為它的速度比起眼下正在流行的硬質合金來要低許多。但就高速鋼誕生的時候，它的速度的確比原有的刀具材料高很多。



在大約1900年前後，當美國機械工程師泰勒（F•WTaylor）和冶金工程師懷特（M•White）發明它時，人們普遍用來切削的刀具是合金工具鋼。

1900年由美國匹茲堡伯利恒鋼鐵公司生產的W18Cr4V（即ㄙ18，又稱T1，18-4-1，現國際標準代號為18-0-1）高速鋼在巴黎博覽會上的公開演示，成為高速鋼發展史上第一個無可置疑的里程碑。十年後的1910年，一位英國人這樣寫道：“在1900年巴黎博覽會上，一些工程師看到了一部高速運轉的車床，上面裝有一個工具，正用它尖頭的熾熱消除一個暗藍色碎片，工程師們意識到他們親眼見證了工具鋼和機床方面的一個革命的開始。”



高速鋼的發明使切削中碳鋼的速度提高到大約30m/min。拿一個直徑65mm，長度1000mm的45鋼工件來說，原來的加工時間需要100分鐘，而應用高速鋼只需要約25分鐘。因此，人們對它的速度驚歎不已，稱其為“高速鋼”。W18Cr4V作為一個經典的高速鋼牌號，一直延續使用至今。只是由於鎢資源的缺乏，以及高鎢高速鋼在熱成形工藝性方面的一些不足，在近20年裏，它的統治地位才逐漸被W6Mo5Cr4V2（即M2）所取代。



高速鋼刀具材料主要由兩種基本成分構成：一種是金屬碳化物（碳化鎢、碳化鉬或碳化釩），它賦予刀具較好的耐磨性；二是分佈在周圍的鋼基體，它使刀具具有較好的韌性和吸收衝擊、防止碎裂的能力。

碳化鎢（WC）在大幅度提高高速鋼的切削速度方面的貢獻是決定性的，我個人的看法，是這一發現對於以後硬質合金的發明也具有奠基石的作用。如今我們大量使用的鎢基硬質合金，其主要的硬質相（對刀具硬度、耐磨性其決定作用的成分）依然是碳化鎢。



高速鋼後來又被稱為“風鋼”。我在30年前進入上海工具廠時，絕大多數的工人師傅都是這麼稱呼高速鋼的。在學習有關熱處理的知識時，老師告訴我，其他許多鋼材在進行淬火時，當材料被加熱到完全奧氏體的相變溫度以後，必須放入水或其他介質中急速冷卻以得到堅硬的“馬氏體”組織，如果冷卻速度慢了（例如在空氣中冷卻），就會變成較軟的珠光體、滲碳體等組織，硬度就會比較低；而高速鋼在加熱到“奧氏體”組織後即使在空氣中冷卻，也會得到“馬氏體”組織，即高速鋼能夠在“風”中淬硬，它“風鋼”的名稱由此而來。



實踐發現高速鋼的晶粒大小對高速鋼的性能產生著巨大的影響。在網站上曾經發過一份資料，是《W18Cr4V鋼奧氏體晶粒度參考圖》，其中號碼數字較大的高速鋼（如11號）比號碼數位較小的（如8.5號）的性能優越許多。有資料稱，製備普通高速鋼時，是將熔化的鋼水從鋼水包中注入鑄模，使其緩慢冷卻凝固。此時，金屬碳化物從溶液中析出，並形成較大的團塊。高速鋼中添加的合金含量越多，碳化物團塊就越大。達到某一臨界點時，可形成尺寸極大的碳化物團塊（直徑可達40μm）。出現大的碳化物團塊的臨界點根據鋼錠的尺寸以及其他因素而略有不同，但一般是在碳化釩含量達到約4%時發生。通過對鋼錠進行鍛造、軋製等後續加工，可以粉碎其中一部分碳化物團塊，但不可能將其完全消除。雖然增加鋼材中金屬碳化物顆粒的數量可以改善材料的耐磨性，但隨著合金含量的增加，碳化物的尺寸及團塊數量也會隨之增加，這對於鋼材的韌性會產生極其不利的影響，因為大的碳化物團快可能成為產生裂紋的起始點。因此，國外很早就開展研究，追求高速鋼的細晶粒化。



20世紀60年代後期，粉末冶金高速鋼製造工藝在瑞典開發成功，並於70年代初期進入市場。該工藝可在高速鋼中加入較多合金元素而不會損害材料的強韌性或易磨性，從而可製成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削衝擊、適合高切除率加工和斷續切削加工的刀具。粉末冶金高速鋼的製備工藝與普通高速鋼的製備工藝不同，熔化的鋼水不是直接注入鑄模，而是通過一個小噴嘴將其吹入氮氣流中進行霧化，噴出的霧狀鋼水迅速冷卻為細小的鋼粒（直徑小於1μm）。由於鋼水溶液中的碳化物在快速冷卻過程中來不及沉澱和形成團快，因此獲得的鋼粒中碳化物顆粒細小且分佈均勻。將這些鋼粉過篩後置入一個鋼桶中，並將鋼粉中間的空氣抽淨形成真空狀態，然後在高溫、高壓下將鋼桶中的鋼粉壓制成型，即可得到緻密度為100%的粉末冶金高速鋼毛坯。這一製備工藝被稱為熱等靜壓 （hotisostaticpressing,HIPing）成型。然後可對毛坯進行鍛造、軋製等後續加工。利用熱等靜壓成型工藝製備的粉末冶金高速鋼中的碳化物顆粒非常細小，而且不管其合金含量為多少，這些碳化物顆粒都可均勻分佈於整個高速鋼基體中。



採用粉末冶金高速鋼製備工藝，鋼材生產商可以充分增加鋼中的金屬碳化物含量，而不會對材料的韌性或易磨性造成有害影響。雖然一些偏愛粉末冶金高速鋼的人喜歡將其譽為高速鋼與整體硬質合金的“混血兒”，但實際上它只是一種具有尺寸微小的碳化物顆粒和細化的鋼基體粒子結構的高速鋼。不過，它確實將高速鋼良好的韌性與硬質合金的高耐磨性很好地結合於一身。由於粉末冶金高速鋼中碳化物顆粒細小且分佈均勻，因此與碳化物含量相同的普通高速鋼相比，其強韌性大大提高。憑藉這一優勢，粉末冶金高速鋼刀具非常適合用於切削衝擊大和金屬切除率高的加工場合（如撓曲切削、斷續切削等）。此外，由於粉末冶金高速鋼的強韌性不會因金屬碳化物含量的增加而削弱，因此鋼材生產商可以在鋼中添加大量合金元素，以提高刀具材料的性能。



同時，由於鎢（W）資源屬於戰略性資源，現代的硬質合金又比較大量地使用鎢資源，低鎢高速鋼成為高速鋼研發的一個方向。科學家們發現了鉬（Mo）可以作為鎢的良好的替代品。研究發現，在高速鋼中一份鉬可以與兩份鎢的作用基本相當，因此開發出高速鋼的另一個經典牌號W6Mo5Cr4V2（即美國牌號M2，中國又有許多人將其簡稱為6-5-4-2，國際標準代號為6-5-2）。在中國使用M2高速鋼的過程中，許多人認識到其熱成形工藝性要比經典的 W18Cr4V（也稱為18-4-1）更好。我在上海工具廠工作時，該廠長期生產軋製直柄麻花鑽和扭制錐柄麻花鑽。我發現在熱成形時6-5-4-2的廢品率要遠遠低於18-4-1。因此，他們在生產熱成形鑽頭時基本上都使用6-5-4-2。但在其他產品上還有許多使用18-4-1，因為當時18-4-1似乎價格更低一些。

國外大量發展的是含鈷高速鋼（HSS-Co），後來國際上統一認定含鈷量在2%以上的含鈷高速鋼為高性能高速鋼（HSSE）。鈷對於提高高速鋼的性能的作用也是明顯的，它能促使碳化物在淬火加熱時更多地溶解在基體內，利用高的基體硬度來提高耐磨性。這種高速鋼硬度、熱硬性、耐磨性及可磨性都很好。國際上常規的鈷高速鋼的含鈷量通常是5%和8%。例如W2Mo9Cr4VCo8（美國牌號M42），其特點為含釩量不高（1%），含鈷量高（8%），熱處理硬度可達 67-70HRC，但也有採取特殊熱處理方法，得到67-68HRC硬度，使其切削性能（特別是間斷切削）得到改善，提高衝擊韌性。鈷高速鋼可製成各種刀具，用於切削難加工材料效果很好，又因其磨削性能好，可製成複雜刀具，國際上用得很普遍。但中國鈷資源缺乏，鈷高速鋼價格昂貴，約為普通高速鋼的5-8 倍。


因此，中國發展了鋁高速鋼。鋁高速鋼的牌號為 W6Mo5Cr4V2Al（又稱501鋼）、W6Mo5Cr4V5SiNbAl、W10Mo4Cr4VAl（又稱5F6鋼）等,主要加入鋁（Al）和矽 （Si）、鈮（Nb）元素，來提高熱硬性、耐磨性。適合中國資源情況，價格較低。熱處理硬度可達到68HRC，熱硬性也不錯。但是這種鋼易氧化及脫碳，可塑性、可磨性稍差，仍需改進。國內鋁高速鋼的工藝沒有得到普遍的解決，似乎只有原貴陽工具廠（現應屬於西南工具總廠）能夠批量生產鋁高速鋼刀具（主要是銑刀）。但目前似乎在國際上，並不認為鋁高速鋼可以作為高性能高速鋼，因為沒有證據表明，它在各方面可以與鈷高速鋼相提並論——雖然在個別領域上可以。

來源:全球數控刀具網


刀具材料的高速鋼應用

2011-10-13

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資料來源：中國小金屬資源信息網

鈷是具有光澤的鋼灰色金屬，熔點1493℃、比重8.9,比較硬而脆，鈷是鐵磁性的,在硬度、抗拉強度、機械加工性能、熱力學性質、電化學行為方面與鐵和鎳相類似。加熱到1150℃時磁性消失。鈷的化合價為2價和3價。在常溫下不和水作用，在潮濕的空氣中也很穩定。在空氣中加熱至300℃以上時氧化生成CoO，在白熱時燃燒成Co3O4。氫還原法制成的細金屬鈷粉在空氣中能自燃生成氧化鈷。 

鈷主要用於製取合金。鈷基合金是鈷和鉻、鎢、鐵、鎳組中的一種或幾種製成的合金的總稱。含有一定量鈷的刀具鋼可以顯著地提高鋼的耐磨性和切削性能。含鈷50%以上的司太立特硬質合金即使加熱到1000℃也不會失去其原有的硬度，如今這種硬質合金已成為含金切削工具和鋁間用的最重要材料。在這種材料中，鈷將合金組成中其他金屬碳化物晶粒結合在一起，使合金具更高的韌性，並減少對衝擊的敏感性能，這種合金熔焊在零件表面，可使零件的壽命提高3-7倍。航空航太技術中應用最廣泛的合金是鎳基合金，也可以使用鈷基合金，但兩種合金的“強度機制”不同。在溫度在1038℃以上時，鈷基合金的優越性顯示無遺。對於製造高效率的高溫發動機，鈷基合金恰到好處。 

在航空渦輪機的結構材料使用含20%-27%鉻的鈷基合金，可以不要保護覆層就能使材料達高抗氧化性。鈷金屬在電鍍、玻璃、染色、醫藥醫療等方面也有廣泛應用。用碳酸鋰與氧化鈷製成的鈷酸鋰是現代應用最普遍的高能電池正極材料。鈷還可能用來製造核武器，一種理論上的原子彈或氫彈,裝於鈷殼內,爆炸後可使鈷變成致命的放射性塵埃。

鈷在地殼中的平均含量為0.001%（品質），海洋中鈷總量約23億噸，自然界已知含鈷礦物近百種，但沒有單獨的鈷礦物，大多伴生於鎳、銅、鐵、鉛、鋅、銀、錳、等硫化物礦床中，且含鈷量較低。砷鈷礦和輝砷鈷礦是自然界中的主要鈷礦。把輝砷鈷礦或砷鈷灼燒成氧化物後用鋁還原制得。

鈷-60通常以中子轟擊金屬鈷制取。 全世界已探明鈷金屬儲量148萬噸,中國已探明鈷金屬儲量僅47萬噸。分佈於全國24個省（區），其中主要有甘肅、青海、山東、雲南、湖北、河北和山西。這七個省的合計儲量占全國總保有儲量的71%，其中以甘肅儲量最多，占全國的28%。此外，安徽、四川、新疆等省（區）也有一定的儲量。 世界鈷產量1986年達到頂峰3萬噸，以後不斷下降，到1989年只有2.5萬噸左右。薩伊和尚比亞是最大的鈷生產國，其產量約占世界總產量的70%。

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刀具材質的改良和發展是今日金屬加工發展的重要課題之一，因為良好的刀具材料能有效、迅速的完成切削工作，並保持良好的刀具壽命。一般常用車刀材質有下列幾種：

1 高碳鋼：

高碳鋼車刀是由含碳量0.8%~1.5%之間的一種碳鋼，經過淬火硬化後使用，因切削中的摩擦四很容易回火軟化，被高速鋼等其他刀具所取代。一般僅適合於軟金屬材料之切削，常用者有SK1，SK2、、、、SK7等。

 2 高速鋼：

高速鋼為一種鋼基合金俗名白車刀，含碳量0.7~0.85%之碳鋼中加入W、Cr、V及Co等合金元素而成。例如18-4-4高速鋼材料中含有18%鎢、4%鉻以及4%釩的高速鋼。高速鋼車刀切削中產生的摩擦熱可高達至6000C，適合轉速1000rpm以下及螺紋之車削，一般常用高速鋼車刀如SKH2、SKH4A、SKH5、SKH6、SKH9等。

 3 非鑄鐵合金刀具：

此為鈷、鉻及鎢的合金，因切削加工很難，以鑄造成形製造，故又叫超硬鑄合金，最具代表者為stellite，其刀具韌性及耐磨性極佳，在8200C溫度下其硬度仍不受影響，抗熱程度遠超出高速鋼，適合高速及較深之切削工作。

 4燒結碳化刀具：

碳化刀具為粉未冶金的產品，碳化鎢刀具主要成分為50%~90%鎢，並加入鈦、鉬、鉭等以鈷粉作為結合劑，再經加熱燒結完成。碳化刀具的硬度較任何其他材料均高，有最硬高碳鋼的三倍，適用於切削較硬金屬或石材，因其材質脆硬，故只能製成片狀，再焊於較具韌性之刀柄上，如此刀刃鈍化或崩裂時，可以更換另一刀口或換新刀片，這種夠車刀稱為捨棄式車刀。

碳化刀具依國際標準(ISO)其切削性質的不同，分成P、M、K三類，並分別以藍、黃、紅三種顏色來標識：

P類適於切削鋼材，有P01、P10、P20、P30、P40、P50六類，P01為高速精車刀，號碼小，耐磨性較高，P50為低速粗車刀，號碼大，韌性高，刀柄塗藍色以識別之。

K類適於切削石材、鑄鐵等脆硬材料，有K01、K10、K20、K30、K40五類，K01為高速精車刀，K40為低速粗車刀，此類刀柄塗以紅色以識別。

M類介於P類與M類之間，適於切削韌性較大的材料如不?鋼等，此類刀柄塗以黃色來識別之。

5 陶瓷車刀：

陶瓷車刀是由氧化鋁粉未，添加少量元素，再經由高溫燒結而成，其硬度、抗熱性、切削速度比碳化鎢高，但是因為質脆，故不適用於非連續或重車削，只適合高速精削。

6 鑽石刀具

作高級表面加工時，可使用圓形或表面有刃緣的工業用鑽石來進行光制。可得到更為光滑的表面，主要用來做銅合金或輕合金的精密車削，在車削時必須使用高速度，最低需在60~100m/min，通常在200~300m/min。

7 氧化硼

立方晶氧化硼(CBN)是近年來推廣的材料，硬度與耐磨性僅次於鑽石，此刀具適用於加工堅硬、耐磨的鐵族合金和鎳基合金、鈷基合金。

因工件之加工方式不同而採用不同的刀刃外形，一般可區分為：

(1)右手車刀：由右向左，車削工件外徑。

(2)左手車刀：由左向右，車削工件外徑。

(3)圓鼻車刀：刀刃為圓弧形，可以左右方向車削，適合圓角或曲面之車削。

(4)右側車刀：車削右側端面。

(5)左側車刀：車削左側端面。

(6)切斷刀：用於切斷或切槽。

(7)內孔車刀：用於車削內孔。

(8)外螺紋車刀：用於車削外螺紋。

(9)內螺紋車刀：用於車削內螺紋。

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資料來源：中國刀具網 

鹿角（STAG）：原自野生牡鹿，經火烤之後呈現輕微的烤色，是一種非常優雅的隨身小折刀材料。

骨節（BONE）：原自天然的動物骨頭，經挑選和加工後通常有特殊紋理，並可染上各種光亮的顏色，如綠色、蘭色和黑色等。是一種最為通用的隨身小折刀手柄材料。

G－10：原自玻璃纖維的積層塑膠板。她是玻璃纖維在樹脂中浸泡後再進行壓縮和烘烤而成，質地輕盈而又結實、堅硬，結構紋理為精心印製的格子花。由於她質地的輕盈和富於皺紋的表面結構，G－10是一種製造精巧小折刀的最理想材料。

膠木（MICARTA）：種類以亞麻膠合雲母紙板最為普通，結構類似於G－10。亞麻纖維層亦經過樹脂浸泡處理，質地輕盈堅固耐用，並且堅固耐用，並且很有檔次，比G－10更漂亮、更時髦。亞麻膠合雲母紙板沒有結構紋理，手幹非常光滑柔和。這種材料的製品需要有非常精湛而細膩的手工，所以她常用於製作價值昂貴的刀具。膠木相對比較柔軟，使用不會可能會劃傷。

碳纖（CARBONFIBER）：由無數股碳絲經樹脂織紋緊密編織而成，極具未來派外觀而令人耳目一新。在所有的輕型手柄用合材料中，碳纖最為堅固優良。這種材料給人直接的視覺吸引是碳絲的反光性，使其內部織紋清晰可見。另外碳纖還是一種精工材料，由她製成的刀具其價格相當昂貴。

自托（ZYTEL）：一種由杜邦首創的熱塑膠材料。在所有合成材料中造價最為低廉，所有在刀具的製作中使用最為廣泛。她不會破裂，抗衝擊耐磨擦。

子托（ZYTEL）具有輕微的結構紋理，但刀具公司在使用時通常刻制附加圖案，更具闖勁的外觀紋理使其輕微的結構紋理大放光芒。

鈦合金（TITANIUM）：一種不生銹的輕型合金，在金屬材料中最具有抗腐蝕性。最常用的鈦合金為64L／4V：鋁6％，釩4％，純鈦90％。她有一種“當不住的誘惑”，表面可進行陽極電鍍或珠光處理。除手柄外，鈦合金還可以作鎖定墊襯刀中的襯裏材料，真可謂刀具業的“彈性”金屬。

鋁合金（ALUMINUM）：與鈦合金一樣相同，鋁也是一種不生銹金屬。常用作手柄，給人一種堅硬感同時卻感覺不到太重。最常用的鋁合金材料是T66061，可進行熱處理。鋁合金表面處理的最常用方法為陽極電鍍。

陽極電鍍（ANODIZATION）：給金屬加色的一種電化學處理，特別有助於顏色處理，隨著所施加的電壓的變化，顏色可隨之變化：高壓時顏色較深，低壓時顏色較淺。

珠光處理（BEADBLASTING）：鋼、鋁或鈦等金屬的表面處理，常用於靈巧的小折刀和固定刃刀的處理，可提供百分之百的淡色柔和表面。

刀柄技術的應用

在機械產品設計中的應用技巧力矩電動機技術在機床上的應用盤類零件2的數控車床加工編程根源程式內蒙古一機首創空心抽油杆什麼是裝備製造業不同的PVD塗層圖解模具製造中的高速銑削與精密電火花加工提高加工效率：減少加工工序和複合加工齒型鏈傳動的設計計算結果自動換刀裝置的結構原理與維修步進電機小知識問答數控系統參數的設置與故障檢測及判斷獲得正確的平衡設計工程師有吃力不討好的工作。他們永無止境地花費精力去約束公差和提高精度來同失效和停機作鬥爭。他們連年累月地提高設計精度到1微米左右。他們是完美注意者。但是當刀具沒有恰當平衡時他們的徹底認真和密切注意細節產生浪費。使用不平衡的刀具加工。

獲得正確的平衡設計工程師有吃力不討好的工作。他們永無止境地花費精力去約束公差和提高精度來同失效和停機作鬥爭。他們連年累月地提高設計精度到1微米左右。他們是完美注意者。但是當刀具沒有恰當平衡時他們的徹底認真和密切注意細節產生浪費。使用不平衡的刀具加工零件和射擊自己的腳相近似。刀具在執行設計任務後會出現正常磨損。但是，設計用來執行那個任務的刀具假定是經過很好的平衡。如果你使用一個未平衡的刀具做這個活，你正引入新的磨損水準，不僅是刀具和主軸而且對要執行的零件。

不平衡能產生幾個影響：它能引入主軸及其部件額外的振動，它會不規則地磨損刀具，它能減少刀具的壽命並降低完成產品的品質。校正不平衡正確平衡的刀具能顯著減輕噪音和振動，這使得刀具壽命增加而且零件精度一致性更好。離心力以速度平方成正比的關係放大不平衡引起的振動。由此造成的振動增加使軸承、軸瓦、軸、主軸和齒輪壽命最小化。另外，如果你不去平衡刀具，會冒主軸製造商質保作廢的風險。很多質保特別指出品質保證僅在有足夠證據表明機床上使用的刀具正確平衡時才有效。在這個方面，刀具平衡能引起巨大的節約。在平衡刀具之前，你需要測量不平衡量的大小和每個選擇的校正平面的角度位置。

在兩種通用型式的平衡機上測定這些變數：不旋轉式或重力機用於測量單一平面（靜止的）不平衡，而旋轉式或離心機用於測量單一平面和／或兩平面（動態）不平衡。在正確的平面測定不平衡量的大小和角度後，你能通過從工件增加材料或去除材料的辦法進行校正。對於不是刀具的元件，最廣泛使用的材料添加方法是在元件上焊配重。對於輕微的不平衡量的元件的其他辦法有在元件體上增加焊料或在預鑽孔增加重量。對於刀具，當你測定的不平衡確定必須去除材料才能獲得正確的平衡，最容易和最有效的方法是鑽削。這是一種快速的調整，而且材料去除量能精確控制。另外一個選擇是銑削，它是平衡薄壁刀具或強制需要淺切削場合最有效。

理論上，完美的平衡在平衡刀具時是可以獲得的。在現實應用裏，因為成本的考慮和刀具的限制，完美的平衡僅在十分幸運時達到。因此，精度等級必須設置成允許一定量的把有害影響控制在一個可接受水準的殘餘不平衡。在ISO1940裏給出的精度通常產生滿意的結果，但確定你實施的標準適合要平衡的刀具。例如，和剛性負載螺旋槳相比，機床將很明顯地使用不同的數值。刀具選用和維護刀具平衡不只是測量不平衡量和增加或去除重量。

刀具選用至關重要。短的分量輕的刀具容易平衡到很好的精度，而大型的重的刀具要困難得多並有產生很大振動的傾向。你也能通過選擇已做過預平衡或預加工到最小不平衡的刀柄來節約時間和削減成本。更進一步你可以通過常規的維護和仔細的處理來減少必須平衡的數量。刀柄的任何表面損壞將影響平衡和同心度。

當旋轉速度爬升時刀柄缺陷的影響被放大。假如你的儀器測到每分鐘1000轉時可忽略的力，當轉速為每分鐘10000轉時力增加100倍，每分鐘20000轉時為400倍。極好的同心度還在高速主軸下更重要，因為如果刀具不在主軸中心線上回轉，它變成額外不平衡的首要因素。但是不平衡刀柄的影響在較低速度下也是明顯的。小的不平衡能引起你的加工中心主軸軸承損壞的很高的力，而且連續的很大的徑向力回導致軸承的早期失效和昂貴的機床維修費用。還有，要記住任何的調節（安裝或去除刀具組件，旋緊螺母或任何細微的扭轉或熔補）都需要某種程度的平衡。即使調節幹擾刀具的平衡量僅有幾克X毫米，這個不平衡量轉化成振動的增加，引起刀具磨損加快、表面光潔度惡化和零件形位元元元精度的下降（如鏜孔時圓度或直線度的丟失）。

精度恰當＝更好的平衡除了正確的維護和處理高品質的刀柄，刀具組件正確地裝到機床主軸是重要的。為獲得牢固穩定的連接刀柄匹配主軸錐孔應盡可能精確。刀柄配合得好和差的區別在高速下尤其明顯。你可能擁有世界上平衡得最好的刀具，但如果它沒有正確連到主軸上，那你是自找麻煩。當你認為今天出售的很多加工中心配備有最高轉速10000轉或以上的主軸，你不得不推論出刀柄的品質必須和主軸的性能同等水準。它們必定是牢固的、對中心的、適當平衡的，而且沒有表面損傷和污染。如果不是這樣，肯定發生振動，那將產生振顫並降低刀具壽命和表面光潔度。不是所有的刀具都需要平衡是正確的，尤其當處理過程引起成本增加和額外的步驟時。是否要做刀具平衡應視具體情況。

在高速下平衡效果最突出，但是在任何速度下平衡刀具產生更好的形位精度、提高表面光潔度和延長刀具壽命。平衡的刀具產出最佳的零件雖然它需要一些額外的時間和照料，恰當的平衡將延長你刀具和主軸的壽命並將增加可用時間，而且為客戶生產出精確的高品質的零件。

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