数控加工刀具材料应具备的基本性能

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数控加工刀具使用材料一般分为碳素工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料等。
   （1）高速钢是一种含较多W、Mo、Cr、V、Co等合金元素的高合金工具钢，分为普通高速钢（钨系高速钢、钨钼系高速钢、钼系高速钢、高碳高速钢）和超硬高速钢（钴高速钢、高钒高速钢、铝高速钢、含氮高速钢、含SiNbAl高速钢）、粉末冶金高速钢。高速钢具有良好的工艺性，在航空工业中常用于制造低速、复杂型面的刀具，如螺纹刀具、成形刀具、拉刀、插齿刀和滚刀等。当工艺系统刚性好时，选择高速钢材料应以耐磨性为主；工艺系统刚性差时，应以韧性为主；刀具型面复杂时，应考虑材料厂的切削加工性。为提高速度钢刀具的切削性能，在高速钢基体上用物理学气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）方法涂覆一层致密、坚硬、厚度为几微米的氮化物、碳化物材料，常见的涂层材料有TiN、TiC、HfN、TaN、ZrN和VC等。
   （2）硬质合金是由高硬度难熔金属碳化物（硬质相）和金属粘接剂（粘结相）经粉末冶金方法制成的，常用的硬质相是WC、TiC、TaC和NbC等，粘结相为Co。国际标准化组织于1975年公布了切削加工用硬质合金的分类分组代号标准ISO 513—1975，将硬质合金分为P（蓝色，适合加工长切屑的黑色金属）、M（黄色，适合加工长短切屑的黑色和有色金属）、K（红色，适合加工短切屑的黑色和有色金属以及非金属材料）三类。我国参照该标准制定了国家标准GB 2075—1987，将硬质合金分为钨钴类（W—Co，相当于ISO标准的K类）、钨钛钴类（W—TiC—Co，相当于ISO标准的P类）、钨钛钽（铌）钴类（W—TiC—TaC(NbC)—Co，相当于ISO标准的M类）。随着生产发展的需要，出现了很多硬质合金新品种，例如碳化钛基硬质合金、钢结硬质合金、超细晶粒硬质合金等。为提高硬质合金刀具的韧性和耐磨性，采用CVD或PVD方法在韧性较好的硬质合金基体上涂覆一层或多层高硬度、高耐磨性的材料，一种涂层材料可以代替几种普通硬质合金。硬质合金的涂层材料有：碳化物（TiC、HfC、ZrC、Cr3C2、VC等）、氮化物（TiN、NbN、TaN、Si3N4、VN等）、氧化物（Al2O3、TiO3、HfO2、Ta2O5、SiO2等）、硼化物（TiB2、TaB2、Cr2B、WB2等）、硅化物（MoSi、Wsi2、TaSi等）、聚晶金刚石与聚晶立方氮化硼，上述涂层中应用最多的是TiC、TiN和Al2O3。硬质合金涂层有单层、双层、三层等，最多可达十几层。复合涂层综合了各单涂层物质的优点，具有更好的切削性能和更广的适用范围。
    硬质合金涂层刀具、聚晶增强陶瓷刀具具有兼顾高硬度的刀刃部和高韧性基体的特性。其中聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片的硬度可达3500HV～4500HV；聚晶金刚石（PCD）的硬度可达6000HV～10000HV。
   （3）陶瓷刀具材料的主要成分是氧化铝（Al2O3）和氮化硅（Si3N4），为改善其强度和韧性，细化晶粒，提高其他力学性能，常添加一些氧化物、碳化物以及Ni、Cr、Ti、Co等金属，作为商品的陶瓷刀具多采用可转位刀片形式，解决了焊接和刃磨的困难。陶瓷刀具材料按其主要成分可分为氧化铝系、氮化硅系和复合氧化铝氧化硅系三大类。陶瓷刀具可用于加工碳钢、合金钢、高强度钢、不锈钢、高温合金等金属材料。Al2O3基陶瓷易与铝亲和，不宜加工铝、镁、锆、钽等合金，在高速切削时容易烧伤；含有TiC的陶瓷刀具加工钛合金时扩散磨损严重。陶瓷刀具特别适于加工高硬度精度的大型特长零件，不宜用于冲击大的切削和重切削加工。

    （4）超硬刀具材料主要指金刚石和立方氮化硼（CBN）。超硬刀具材料具有很高的切削性能，可加工硬度很高的工件材料，实现热处理后以切削代替磨削加工，可大大减少因热处理变形对生产率和加工精度的影响。金刚石刀具适于在高速下对有色金属及其合金进行精细加工。也可用于预烧后的硬质合金毛坯，一般不适于加工黑色金属，因为金刚石与铁族材料有很强的化学亲和力，在高温时金刚石中的碳原子会扩散到铁族材料中去，发生严重的扩散磨损。金刚石刀具强度低、脆性大，对振动很敏感，耐热性差，当切削温度超过700℃～800℃时产生同素异构转变成石墨，完全失去硬度；CBN刀具适于在高速下加工淬硬钢、高温合金（镍基、钴基）、硬质合金等，也可用于加工钛合金。CBN刀具不宜在低速下进行切削，因为它是以负前角与高速切削所产生的高热不断在切削区极微小范围内使工件材料软化进行切削加工的。CBN刀具不宜切削软的铁族材料、未淬火钢和铝合金等，因为容易产生积屑廇，引起切削力波动，使被加工表面恶化，降低刀具寿命。