目前，各種難加工材料如淬硬鋼、超硬燒結(jié)金屬、耐熱超級合金、雙金屬材料等已日益廣泛地應(yīng)用于工業(yè)零件的制造。雖然用此類材料制造的零件可獲得優(yōu)異的使用性能，但同時也帶來了一個難題：如何以合理的每件加工成本實現(xiàn)零件的最終成形加工。值得慶幸的是，如今刀具供應(yīng)商已成功開發(fā)出了各種用于銑削、車削加工難加工材料的新型切削刀片，如涂層硬質(zhì)合金刀片、金屬陶瓷刀片、CBN刀片、PCD刀片等。這些新型材料刀片采用了特殊的幾何形狀和表面涂層，具有優(yōu)異的耐磨損性能，并可承受加工過程中的機(jī)械沖擊和熱沖擊。但是，如何在生產(chǎn)中合理、有效地使用這些切削刀片，還需要與掌握專業(yè)知識的刀具供應(yīng)商密切配合。

　　由于切削刀片的成本相對較低(一般硬質(zhì)合金刀片的成本僅占加工總成本的3%，CBN刀片占加工總成本的5%～6%)，因此，為節(jié)約加工成本而一 味選用較便宜的刀片實際上可能并不劃算。新型材料刀片雖然價格較貴，但可以縮短加工時間，延長刀具壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此可能具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

　　另一方面，脫離實際加工需要而盲目選用新型材料刀片，也可能增大加工成本(CBN刀片的價格可達(dá)硬質(zhì)合金刀片的8～10倍)。此外，使用新型材 料刀片時，如采用不正確的切削速度和進(jìn)給率，也會影響工件加工質(zhì)量和刀具使用壽命。因此，選用難加工材料切削刀片時需要正確評估加工的經(jīng)濟(jì)性和綜合考慮整 個加工工藝過程。

　　CBN刀片經(jīng)過了強(qiáng)化和鈍化處理，在切削硬度>50HRC的工件材料時可有效避免崩刃現(xiàn)象

　　一、加工經(jīng)濟(jì)性的綜合權(quán)衡

　　選擇切削刀片時，需要對整個加工任務(wù)進(jìn)行評估。在可以滿足工件尺寸精度和表面光潔度要求，并考慮了加工時間和刀片更換的前提下，選用價格相對較 低的硬質(zhì)合金刀片可以實現(xiàn)較好的加工經(jīng)濟(jì)性。通過準(zhǔn)確了解和綜合權(quán)衡生產(chǎn)批量、加工時間和刀片性能，就能合理選用切削刀片，達(dá)到提高生產(chǎn)率的加工效果。

　　以銑削加工材質(zhì)為燒結(jié)碳化鈦的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片為例，當(dāng)工件批量較小時，選用涂層硬質(zhì)合金刀片也可獲得較好的加工效果。在35m/min的切削速 度下，硬質(zhì)合金刀片的切削刃壽命僅為5～10分鐘，而大批量加工難加工材料工件的合理刀片壽命一般要求達(dá)到15～30分鐘。在小批量加工中，較短的刀片壽 命和較頻繁的更換刀片對生產(chǎn)率的影響并不明顯;但在大批量滿負(fù)荷加工中，較長的刀片壽命對于減少換刀輔助時間、降低勞動強(qiáng)度、提高機(jī)床利用率和生產(chǎn)能力則 具有至關(guān)重要的意義。因此，當(dāng)渦輪機(jī)葉片的加工批量較大時，選用硬度更高、價格較貴的CBN刀片可能更為合理。

　　為了充分發(fā)揮先進(jìn)材料刀片的切削性能，還需要選用正確的進(jìn)給率和切削速度。以Sandvik Coromant公司的CBN刀片為例，該刀片的切削刃經(jīng)過了強(qiáng)化和鈍化處理，在切削硬度>50HRC的工件材料時可有效避免崩刃現(xiàn)象。盡管CBN刀片韌 性極佳，但對切削參數(shù)的選取仍十分嚴(yán)格，如所選切削速度高于或低于理想值的10%，則可能大大降低刀片的切削性能。

　　為了實施難加工材料的切削加工，可考慮向?qū)�業(yè)刀具供應(yīng)商尋求技術(shù)支持，刀具供應(yīng)商可基于其它相同的加工實例提供合理的解決方案。在需要進(jìn)行切削 試驗時，通�？刹捎迷囧e(trial-and-error)方式，即首先用硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行切削，然后換用新型材料刀片進(jìn)行對比切削，比較不同刀片的加工 效果。采用先進(jìn)的刀片形狀、高剛性刀柄和優(yōu)化加工程序，通常可使價格較低的硬質(zhì)合金刀片適合于難加工材料的切削。是否需要換用新型材料刀片，則應(yīng)根據(jù)具體 的加工任務(wù)及加工條件而定。對于同一大類的難加工材料，通常在切削刀片的選用上具有一定共性。

　　二、淬硬鋼的切削加工

　　目前，許多合金鋼工件對硬度的要求越來越高。過去，工具鋼的應(yīng)用硬度通常為45HRC，而現(xiàn)在模具工業(yè)使用的工具鋼已普遍要求淬硬到 63HRC。為了避免熱處理變形，需要對一些過去只能在熱處理之前進(jìn)行切削加工的模具實施完全淬硬狀態(tài)下的精密銑削加工。在銑削完全淬硬鋼時，產(chǎn)生的切削 熱和切削壓力可能引起切削刀片的塑性變形并使刀片迅速失效。如銑削硬度為60HRC的淬硬鋼(材料中的碳化物顆粒硬度可達(dá)90HRC)時，普通的涂層硬質(zhì) 合金刀片將發(fā)生后刀面快速磨損。

　　銑削硬度為60HRC的淬硬鋼(材料中的碳化物顆粒硬度可達(dá)90HRC)時，普通的涂層硬質(zhì)合金刀片將發(fā)生后刀面快速磨損

　　雖然淬硬鋼不易切削，但采用硬質(zhì)合金刀片仍可實現(xiàn)對完全淬硬鋼工件的經(jīng)濟(jì)性加工。以航空零部件的加工為例，某大型飛機(jī)制造企業(yè)用Sandvik 公司的GC1025硬質(zhì)合金刀片替換原來使用的金屬陶瓷刀片后，成功完成了對材料為淬硬的3000M鋼(4340變質(zhì)處理)的大尺寸鍛件的二次孔加工。被 加工孔的大部分加工余量已在熱處理之前(材料硬度30～32HRC)切除，但為了修正熱處理變形，這種大尺寸工件上的精密孔必須在工件完全淬硬后(硬度達(dá) 54～55HRC)進(jìn)行二次切削加工。由于被加工孔位于工件深處，特殊的工件形貌使加工相當(dāng)困難，因此需要經(jīng)過三次走刀切削才能達(dá)到要求的尺寸精度和表面 光潔度。高硬度的材料加上斷續(xù)切削方式，使原來使用的金屬陶瓷刀片還未完成一次走刀其切削刃即崩損失效，而崩壞的刀片可能造成工件報廢的危險。換用經(jīng) PVD涂層的細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀片后，刀具的韌性和鋒銳性顯著提高，可以順利完成6～9次走刀切削。換用硬質(zhì)合金刀片后，刀具供應(yīng)商推薦將切削速度從原來的 90m/min降低到53m/min，但切削深度保持不變。切削速度降低后，硬質(zhì)合金刀片完成對孔的三次走刀切削需時約20分鐘，而原來使用金屬陶瓷刀具 加工則需要一個多小時。更為重要的是增強(qiáng)了硬質(zhì)合金刀片切削刃的安全性，大大減少了因刀具崩刃導(dǎo)致昂貴工件報廢的危險。

　　為了獲得硬質(zhì)合金刀片銑削淬硬鋼的合理切削參數(shù)，可進(jìn)行刀具切削試驗。試切時，切削速度的選取通�？蓮�30m/min起，直至增加到 45～55m/min;進(jìn)給率通常為0.075～0.1mm/每齒。一般來說，采用零前角或小負(fù)前角的刀片形狀比采用正前角的刀片形狀強(qiáng)度更高。加工淬硬 鋼時，采用圓形硬質(zhì)合金刀片也較為有利，因為圓形刀片強(qiáng)度較高，且外形圓鈍的切削刃不易發(fā)生破損。

　　選擇硬質(zhì)合金刀片牌號時，可考慮選用高韌性牌號。此類牌號刀片的切削刃安全性較好，可承受切削淬硬鋼時較大的徑向切削力和劇烈的切入、切出沖 擊。此外，特殊設(shè)計的高溫硬質(zhì)合金牌號可以承受切削淬硬鋼(HRC60)時產(chǎn)生的大量切削熱。帶氧化鋁涂層的抗沖擊硬質(zhì)合金刀片也能抗擊銑削淬硬鋼時產(chǎn)生 的高溫。

　　三、粉末合金的切削加工

　　隨著粉末冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用于不同領(lǐng)域的各種超硬燒結(jié)金屬(粉末合金)材料層出不窮。如某制造商開發(fā)了一種包含碳化鎢(WC)或碳化鈦 (TiC)顆粒的復(fù)合型粉末鎳合金，其硬度達(dá)到53～60HRC，鎳合金基體中的碳化物顆粒硬度可達(dá)90HRC。銑削加工這種材料時，涂層硬質(zhì)合金刀片很 快會發(fā)生后刀面磨損，主切削刃被磨損為扁平狀;材料微觀結(jié)構(gòu)中存在的超硬顆粒會引起“微振顫”，導(dǎo)致刀片加速磨損;切削工件時產(chǎn)生的剪切應(yīng)力還可能造成硬 質(zhì)合金刀片碎裂。

　　采用CBN刀片則可較好解決含碳化鎢和碳化鈦顆粒的硬質(zhì)粉末合金材料的切削加工問題。改進(jìn)的刀片幾何形狀可以有效克服“微振顫”現(xiàn)象。某用戶銑 削加工復(fù)合型粉末合金工件時發(fā)現(xiàn)，新型CBN刀片的加工壽命比最好的硬質(zhì)合金刀片提高了2000倍以上。切削試驗表明，用安裝了5個CBN刀片的面銑刀切 削加工硬質(zhì)粉末合金材料(切削速度60m/min，進(jìn)給率0.18mm/每刃)，其加工效率可比放電加工(線切割)提高75%。

　　為了充分發(fā)揮CBN刀片的最佳性能，必須將切削參數(shù)嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi)。雖然50m/min左右的切削速度和0.1～0.15mm/每齒的進(jìn) 給率顯得并不高，但在加工粉末合金材料時卻能獲得很高的生產(chǎn)率。通過30～60秒鐘的試切，可以準(zhǔn)確地確定最佳切削參數(shù)。試切時，可從低速切削開始，逐漸 增大切削速度，直至刀片切削刃出現(xiàn)過度磨損為止。

　　加工難加工材料時，為了使刀片切削刃溫度保持恒定，一般應(yīng)采用干式切削。在大多數(shù)情況下，具有雙負(fù)角幾何形狀的圓形刀具加工效果最好，且切削深度通常應(yīng)控制在1～2mm。

　　銑削屬于斷續(xù)切削。加工時，硬度達(dá)60HRC或更高的工件材料對刀具持續(xù)不斷的沖擊將造成巨大的加工應(yīng)力。因此，為了在銑削加工中提供足夠高的抗沖擊能力，要求加工機(jī)床和工具系統(tǒng)必須具有最高的剛性、最小的懸伸長度和最大的強(qiáng)度。

　　四、耐熱超級合金的切削加工

　　為航空航天工業(yè)開發(fā)的耐熱超級合金(HRSAs)現(xiàn)在正越來越廣泛地應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、半導(dǎo)體、發(fā)電設(shè)備等行業(yè)。除了常見的耐熱超級合金牌號 (如Inconel 718/625、Waspalloy、6A14V鈦合金等)以外，現(xiàn)在又開發(fā)出了多種新型鈦基合金和鋁/鎂基合金牌號。所有的耐熱超級合金均屬于難加工材 料范疇。

　　超級合金的硬度很高，某些鈦合金牌號的加工硬度達(dá)到330HB。對于普通合金而言，當(dāng)切削區(qū)溫度高于1100℃時，材料中的分子結(jié)合鏈就會發(fā)生軟化，并出現(xiàn)有利于成屑的流動區(qū)。反之，耐熱超級合金優(yōu)良的抗高溫性能使其在切削加工全過程中均保持高硬度。

　　耐熱超級合金被切削時還具有冷作硬化傾向，很容易造成切削刀片過早崩刃失效。切削時，工件的被切表面會生成耐磨的冷硬鱗屑層，使刀片切削刃快速磨損。

　　加工淬硬鋼時，采用圓形硬質(zhì)合金刀片也較為有利，因為圓形強(qiáng)度較高，切削刃不易發(fā)生破損

　　鑒于超級合金的難加工特性，加工時通常采用較低的切削速度。例如，用Sandvik GC2040牌號硬質(zhì)合金刀片銑削超級合金Inconel 718材質(zhì)剎車鍵的切削速度為60m/min;用Sandvik 7020 CBN刀片對Inconel 718進(jìn)行外圓/端面車削的切削速度為80m/min。與此對比，用未涂層硬質(zhì)合金刀片切削工具鋼的切削速度一般可達(dá)120～240m/min。切削超級 合金時的進(jìn)給量通常與切削工具鋼的進(jìn)給量相當(dāng)。

　　加工超級合金時，切削刀片的選擇主要取決于被加工材料和工件類型。為了提高加工效率，加工薄壁工件時可選用具有正前角切削刃的硬質(zhì)合金刀片，而 加工厚壁工件時則需要選用具有負(fù)前角切削刃的陶瓷刀片，以增強(qiáng)刀片切削時的“耕犁”作用。對于大多數(shù)難加工材料，應(yīng)首選干式切削，以保持刀片切削刃溫度恒 定。但在加工鈦合金時，即使切削速度很低，也必須使用冷卻液。

　　由于耐熱超級合金在切削過程中始終保持高硬度，因此會加速切削刀片端部倒圓的磨損。采用切削刃圓鈍的圓形刀片可大大提高切削刃的強(qiáng)度，但超級合 金的冷作硬化傾向會導(dǎo)致刀片崩刃現(xiàn)象加劇。通過在連續(xù)多次走刀時改變切削深度，可使刀片避開工件表面形成的冷作硬化層，從而減少刀片崩刃，延長切削刃的工 作壽命。一次走刀的切深變化量可為7.6mm，后序切削的切深變化量可為3.2mm和2.5mm。

　　五、雙金屬材料的切削加工

　　雙金屬材料的構(gòu)成是將較硬的材料置于選定的易磨損部位，然后在周圍環(huán)繞(或混合)其它較軟的合金材料。雙金屬材料在汽車工業(yè)及其它行業(yè)的應(yīng)用越 來越廣泛，同時也帶來了特殊的加工難題。CBN刀片可以高效切削硬度大于50HRC的硬合金，但在切削雙金屬材料中的軟合金時卻可能發(fā)生碎裂。PCD刀片 能夠切削加工耐磨鋁合金，但在切削鐵族金屬材料時則容易發(fā)生過度磨損。

　　為了實現(xiàn)雙金屬材料的高效加工，需要用戶、刀具供應(yīng)商和機(jī)床制造商共同開發(fā)精確的切削加工程序。例如，某種雙金屬材料是將高硬度的復(fù)合型粉末合 金通過熱均衡壓制工藝嵌入價格便宜的316不銹鋼基體中制成。加工時，需要編制螺旋插補(bǔ)刀軌程序并輸入機(jī)床控制系統(tǒng)，以優(yōu)化的進(jìn)給量和切削速度首先加工粉 末合金材料部位，然后再加工基體部分。

　　為了高效加工由鋁合金和鑄鐵氣缸墊組合構(gòu)成的雙金屬氣缸體，汽車制造商必須同時克服鋁合金的耐磨性和鑄鐵的高硬度。由于較硬的鑄鐵氣缸墊(易磨 損部位)與較軟的鋁合金缸體難以隔離，因此不宜采用分別加工方式。但是，通過合理編制機(jī)床加工程序，采用極低的切削速度和極小的切削深度，可使耐磨損 PCD刀片能夠同時加工鋁合金和鑄鐵兩種材料，從而避免了在加工過程中頻繁換刀。