數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)、硬質合金、陶瓷、立方氮化硼及金剛石等,其中高速鋼和硬質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。與硬質合金相比,高速鋼的塑性、韌性、導熱性和工藝性好,可以制造形狀復雜的刀具;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。普通高速鋼碳的質量分數為0.7%~0.9%,主要用于數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,耐熱性和耐磨性進一步提高。高性能高速鋼的常溫硬度可達67~70HRC,高溫硬度也相應提高,可用于高強度鋼、高溫合金、鈦合金等數控銑床難加工材料的切削加工,并可提高刀具使用壽命。
2、硬質合金。硬質合金是由硬質相(高硬、難熔的金屬碳化物,如WC、TiC、TaC、NbC等)和粘結相(金屬粘結劑,如Co、Ni)等經粉末冶金方法制成的。與高速鋼相比,硬質合金具有如下特點:硬度高(89~93HRA)、耐熱性高(刀具壽命可提高幾倍到幾十倍,在刀具壽命相同時切削速度可提高4~10倍,在800~1000℃時仍可切削),耐磨性高,但其抗彎強度低(0.9~1.5GPa),斷裂韌度低。因此,硬質合金刀具承受切削振動和沖擊負荷能力差。根據硬質相的不同,硬質合金主要分為兩大類:
(1)WC(碳化鎢)基硬質合金。WC基硬質合金硬質相主要成分為WC。
1)鎢鈷類(YG類,也稱K類)硬質合金:硬質相(WC)+粘結相(Co)。
常用的牌號有YG3、YG6、YG8、YG3X等,其中數字表示Co的質量分數分別為3%、6%、8%,YG3X表示強度接近于YG3,由于屬細晶粒合金,耐磨性較高。
YG類硬質合金的抗彎強度、韌性較好,主要用于數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類硬質合金在640℃時會發(fā)生嚴重粘結,使刀具磨損,刀具壽命下降。
2)鎢鈦鈷類(YT類,也稱P類):硬質相(WC+TiC)+粘結相(Co)。
常用的牌號有YT5、YT15、YT30等,其中數字表示TiC的質量分數分別為5%、15%、30%。
YT類硬質合金比YG類硬質合金硬度高、耐熱性好,在數控銑床切削塑性材料時的耐磨性較好,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,因為YT類硬質合金中的Ti與被加工材料中的Ti的親和力較大,使刀具磨損較快。
3)鎢鈦鉭鈷類硬質合金(YW類,也稱M類),是在YT類硬質合金中加入了稀有金屬TaC??商?/span>高其抗彎強度、抗疲勞強度、沖擊韌度、高溫硬度、高溫強度、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合金,主要用于加工難加工材料。常用牌號有YW1和YW2。
國產的硬質合金一般有YG和YT兩大類。
(2)TiC(碳化鈦)基硬質合金(YN)TiC基硬質合金硬質相主要成分為TiC。這種合金有很高的耐磨性、較好的耐熱性和較強的抗氧化能力,化學穩(wěn)定性好,與工件材料的親和力小,抗粘結能力較強,可以加工鋼材、鑄鐵。唯有抗彎度不如WC基硬質合金,目前僅用于精加工和半精加工。TiC基硬質合金因抗塑性變形、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,數控銑床對刀具材料提出了更高的要求,推動了刀具新材料的不斷開發(fā)。
(1)涂層硬質合金。涂層硬質合金是采用韌性較好的基體(如硬質合金刀片或高速鋼等),通過化學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。
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,經壓制成形后燒結而成的刀具材料。陶瓷硬度高,耐氧化,被廣泛用于數控銑床高速切削加工中;但由于其強度低,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8000~9000HV,僅次于金剛石;其熱穩(wěn)定性很好,遠遠高于金剛石,可耐1300~1500℃以上的高溫;其化學穩(wěn)定性也很好,在高溫(1200~1300℃)時也不會與鐵族金屬起反應。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,都是碳的同素異構體。天然金剛石由于價格昂貴用得很少。人造金剛石是在高溫高壓下由石墨轉化而成的,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,因為高溫吋極易氧化、碳化,與鐵發(fā)生化學反應,刀具極易損壞。目前,金剛石主要用作牙科磨具和磨料。