数控刀具材料的合理选择

“工欲善其事，必先利其器”这句中国名言已成为国内外的共识。因此，合理选用刀具材料是成功进行数控加工的关键。毎一品种的刀具材料都有其最佳加工对象，也即存在切削刀具材料与加工对象的合理匹配问题。切削刀具材料与加工对象的匹配主要指二者的力学性能、物理性能和化学性能相匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。

表1-刀具材料性能

上表是比较常见的刀具材料性能（可以查加工手册）

下面我们从两个方面探讨下如何选用刀具材料

一、按加工对象的力学性能来选择切削刀具材料

加工对象的力学性能是指加工对象在加工时所体现出来的强度、硬度和韧性等。具有不同力学性能的刀具材料所适合加工的工件材料有所不同。刀具材料的硬度大小顺序为：

金刚石刀具>立方氮化硼刀具>陶瓷刀具>硬质合金>高速钢。

刀具材料的抗弯强度大小顺序为：高速钢>硬质合金>陶瓷刀具>金刚石刀具和立方氮化硼刀具。

刀具材料的断裂韧度大小顺序为：高速钢>硬质合金>立方氮化硼、金刚石和陶瓷刀具。

高硬度的工件材料，必须用高硬度的刀具来加工，如立方氮化硼刀具和陶瓷刀具能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、工具钢和冷硬铸铁等的高速精车加工，可实现“以车代磨”；而低硬度的高速钢刀具不能用来加工淬硬钢和冷硬铸铁等高硬度材料。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬质合金中含钴量增多时，其强度和韧性增加，硬度降低，适合于粗加工；含钴量减少时，其硬度及耐磨性增加，适合于精加工。但普通硬质合金刀具只适合于在较低的切削速度范围内切削加工。在众多的刀具材料中其中陶瓷刀具具有优良的高温力学性能，其在高温切削中其切削速度可比硬质合金提高2-10倍。

二、按加工对象的物理性能来选择切削刀具材料

加工对象的物理性能是指加工对象在加工时所体现出来的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等物理性能。

刀县材料不同其所具有的物理性能是不同的，如高速钢具有高导热和低熔点的性能，陶瓷刀具具有高熔点和低热胀的性能，金刚石具有高导热和低热胀的性能，不同物理性能的刀县所适合加工的工件材料有所不同。例如加工热导性差的工件时，应采用导热较好的刀具材料，以使切削热得以迅速传出去而降低切削温度。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5~9倍，为铜的2~6倍。由于导热系数及热扩散率高，切削热窨易散出，故刀具切削部分温度低。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。因此，金刚石的刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。立方氮化硼的导热性虽然不如金刚石高，但却大大高于高速钢和硬质合金。随着切削温度的提高，立方氮化硼刀具的导热系逐渐增加，可导致刀尖处切削温度降低，减少刀具的扩散磨损并有利于高速精加工时工件精度的提高。立方氮化硼的耐热性可达到1300~1500℃，比金刚石的耐热性几乎高1倍。

除了以上两个因素外，还需要考虑化学性能，如刀具材料和工件材料间会不会发生化学反应，如果会产生反应的话会加速刀具磨损。

一般而言，PCBN，陶瓷刀具、涂层硬质合金及TiCN基硬质合金刀具适合于钢铁等黑色金属的数控加工：而PCD刀具适合于对AL、Mg、Cu等有色金属材料及其合金和非金属材料的加工。这是常见的刀具材料适合加工的工件材料，不常见的可以查切削手册查询。

表2-各种刀具适合加工的材料

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