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摘 要：由于高速切削技术具有高效、高精度和工序简化等优点，在现今的机械制造业中受到高度重视，是前途广阔的先进制造技术之一。本文介绍了高速切削中所使用的金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷和涂层刀具等的性能、适用范围和发展方向. 分析了在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配问题.探讨了了如何合理选择高速切削刀具。
关键词：高速切削；刀具材料
1 高速切削技术及刀具问题
高速切削（High-Speed Machining， HSM）是20世纪90年代迅速出现在实际应用中的先进加工技术，通常是指高主轴转速和高进给速度下的立铣加工，国际上在航空航天制造业、汽乖零什加工、模具加工业、以及精密零什加工等领域得到广泛应用。高速铣削可用于铜、铝合金等易切削金属以及钛台金、淬火钢、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料的加工。
由于高速切削技术具有高效、高精度和工序简化等优点，在现今的机械制造业中受到高度重视，是前途广阔的先进制造技术之一【1】。通常认为切削速度和进给速度比常规加工高5～10倍的加工方式就是高速加工，但它并非普通意义上的采用大的切削量来提高加工效率的一种加工方式，而是采用高转速、快进给、小切深和小步距来去除余量，完成零件加工的过程。由于刀具材料热性能（如熔点、高温力学性能、耐热性、抗热冲击性、抗氧化性能等）的不足，高速切削刀具失效的可能性随之增加。
2 常用高速切削刀具材料及其特点
目前使用的高速刀具材料种类繁多，主要有金刚石、陶瓷、立方氮化硼、TiC（N）基硬质合金和涂层刀具等，不同刀具材料具有不同的性能，有其特定的应用范围，分别介绍如下。
1） 金刚石
有四类金刚石可以用作刀具材料，分别是：天然金刚石、聚晶金刚石、人工合成单晶金刚石和化学气相沉积金刚石涂层刀具。天然金刚石价格最高，通过刃磨可以做成最锋利的刀具，在超精密加工领域，如加工微机械零件、光学镜面、导弹和火箭中的导航陀螺和计算机硬盘芯片等方面应用广泛。
2） 陶瓷
氧化铝基陶瓷的化学稳定性很好，与铁系金属材料的亲和力也很小，因此不易发生粘结磨损。氧化铝在铁中的溶解度很小，从而扩散磨损小，抗氧化能力强。氮化硅基陶瓷相比来说具有较高的强度、断裂韧度和抗热震性能，较低的热胀系数、杨氏模量和化学稳定性，与铸铁不易发生粘结，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要于铸铁材料的高速切削。
3） 立方氮化硼
与聚晶金剛石一样，立方氮化硼（CBN）材料也是在高温高压下经过人工合成的，具有与金刚石类似的多晶结构，具有优异的化学及热稳定性，高速切削加工中与铁族元素几乎不发生反应，这一性能要好于金刚石，所以在加工黑色金属时采用立方氮化硼而不是金刚石。聚晶立方氮化硼（PCBN）特别适于加工铸铁、耐热合金和硬度超过45 HRC的黑色金属，同时也适合于干切削，可以用2000m/min以上的速度加工灰铸铁。
4） TiC（N）基硬质合金
TiC（N）基硬质合金（即金属陶瓷）亦具有硬度高、化学稳定性好、抗磨损能力强，适于高速加工碳钢、不锈钢和可锻铸铁等，加工所得的表面粗糙度较低。常用的金属陶瓷有：（1）碳化钛基高耐磨性的TiC+Ni或Mo、高断裂韧度的TiC+WC+TaC+CO；（2）增韧氮化钛基金属陶瓷；（3）碳氮化钛基高耐磨和抗热震性的TiCN+NbC。
5） 涂层刀具
高速切削时刀具材料的性能高低很重要，在高温条件下，不但要有高硬度和抗磨损性能，而且要有高的强度和韧性。涂层刀具是解决这类矛盾的最佳方案之一。在具有高的强度和韧性的基体材料之上涂一层耐高温、耐磨损的材料即构成涂层材料，涂层和基体之间要求粘结牢固，不易脱落。涂层工艺有两种，分别为化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）。CVD法出现在20世纪70年代，其工艺是在l000℃高温的真空炉中通过真空镀膜或电弧蒸镀将涂层材料沉积在刀具基体表面上，大约4h可以沉积15？ m厚的涂层。涂层材料从碳化物，发展为后来的氮化钛、氧化铝和碳氮化钛。
3 高速切削时刀具材料的选择方法探讨
1） 考虑刀具材料与加工对象的力学性能匹配与否。
刀具材料的力学性能分硬度、韧性、抗弯强度等几个方面，常用高速切削刀具材料的力学性能见表2-1。
表2-1 刀具材料力学性能比较
2） 考虑刀具材料与加工对象的物理性能匹配与否。
刀具材料的物理性能分耐热温度、导热系数、热胀系数、抗热系数等方面，常用刀具材料的物理性能见表2-2。
表2-2刀具材料物理性能比较
注：因陶瓷分氧化铝基和炭化硅基两大系列，所以某些性能未作具体比较。
3） 考虑刀具材料与加工对象化学性能的匹配程度。
刀具材料的主要化学性能主要是抗氧化强度，几类刀具材料的抗氧化性能如：陶瓷>PCBN>硬质合金>金刚石>HSS。
4） 考虑其他因素。
在选择刀具时，除刀具材料及加工对象的力学性能、物理性能、化学性能之外，还要综合考虑加工中的实际工况、成本大小等因素。
4 总结
总之，在切削加工前，能否合理选择刀具材料非常关键，在选择时不但要考虑到刀具的力学性能还要综合考虑它们的物理和化学性能是否能够匹配加工对象，还要根据实际工况、成本大小等因素综合考虑，最终得出正确的选择。高速切削技术已成为切削加工的主流，加快其推广应用，将会创造巨大经济效益。
参考文献：
[1] Byme G，Domfeld D，Denkena B.Advancing cutting technology[J].Annals of the CIRP，2003，52（2）：483-507.
[2] 韩福庆.高速切削刀具材料的开发与选择.鹤壁煤业技师学，2002
[3] 刘战强，万熠，周军.高速切削刀具材料及其应用.山东大学机械工程学院，2006
[4] 涂杰.高速切削发展的瓶颈-刀具.南京化工职业技术学院机械系，2007
关键词：高速切削；刀具材料
1 高速切削技术及刀具问题
高速切削（High-Speed Machining， HSM）是20世纪90年代迅速出现在实际应用中的先进加工技术，通常是指高主轴转速和高进给速度下的立铣加工，国际上在航空航天制造业、汽乖零什加工、模具加工业、以及精密零什加工等领域得到广泛应用。高速铣削可用于铜、铝合金等易切削金属以及钛台金、淬火钢、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料的加工。
由于高速切削技术具有高效、高精度和工序简化等优点，在现今的机械制造业中受到高度重视，是前途广阔的先进制造技术之一【1】。通常认为切削速度和进给速度比常规加工高5～10倍的加工方式就是高速加工，但它并非普通意义上的采用大的切削量来提高加工效率的一种加工方式，而是采用高转速、快进给、小切深和小步距来去除余量，完成零件加工的过程。由于刀具材料热性能（如熔点、高温力学性能、耐热性、抗热冲击性、抗氧化性能等）的不足，高速切削刀具失效的可能性随之增加。
2 常用高速切削刀具材料及其特点
目前使用的高速刀具材料种类繁多，主要有金刚石、陶瓷、立方氮化硼、TiC（N）基硬质合金和涂层刀具等，不同刀具材料具有不同的性能，有其特定的应用范围，分别介绍如下。
1） 金刚石
有四类金刚石可以用作刀具材料，分别是：天然金刚石、聚晶金刚石、人工合成单晶金刚石和化学气相沉积金刚石涂层刀具。天然金刚石价格最高，通过刃磨可以做成最锋利的刀具，在超精密加工领域，如加工微机械零件、光学镜面、导弹和火箭中的导航陀螺和计算机硬盘芯片等方面应用广泛。
2） 陶瓷
氧化铝基陶瓷的化学稳定性很好，与铁系金属材料的亲和力也很小，因此不易发生粘结磨损。氧化铝在铁中的溶解度很小，从而扩散磨损小，抗氧化能力强。氮化硅基陶瓷相比来说具有较高的强度、断裂韧度和抗热震性能，较低的热胀系数、杨氏模量和化学稳定性，与铸铁不易发生粘结，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要于铸铁材料的高速切削。
3） 立方氮化硼
与聚晶金剛石一样，立方氮化硼（CBN）材料也是在高温高压下经过人工合成的，具有与金刚石类似的多晶结构，具有优异的化学及热稳定性，高速切削加工中与铁族元素几乎不发生反应，这一性能要好于金刚石，所以在加工黑色金属时采用立方氮化硼而不是金刚石。聚晶立方氮化硼（PCBN）特别适于加工铸铁、耐热合金和硬度超过45 HRC的黑色金属，同时也适合于干切削，可以用2000m/min以上的速度加工灰铸铁。
4） TiC（N）基硬质合金
TiC（N）基硬质合金（即金属陶瓷）亦具有硬度高、化学稳定性好、抗磨损能力强，适于高速加工碳钢、不锈钢和可锻铸铁等，加工所得的表面粗糙度较低。常用的金属陶瓷有：（1）碳化钛基高耐磨性的TiC+Ni或Mo、高断裂韧度的TiC+WC+TaC+CO；（2）增韧氮化钛基金属陶瓷；（3）碳氮化钛基高耐磨和抗热震性的TiCN+NbC。
5） 涂层刀具
高速切削时刀具材料的性能高低很重要，在高温条件下，不但要有高硬度和抗磨损性能，而且要有高的强度和韧性。涂层刀具是解决这类矛盾的最佳方案之一。在具有高的强度和韧性的基体材料之上涂一层耐高温、耐磨损的材料即构成涂层材料，涂层和基体之间要求粘结牢固，不易脱落。涂层工艺有两种，分别为化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）。CVD法出现在20世纪70年代，其工艺是在l000℃高温的真空炉中通过真空镀膜或电弧蒸镀将涂层材料沉积在刀具基体表面上，大约4h可以沉积15？ m厚的涂层。涂层材料从碳化物，发展为后来的氮化钛、氧化铝和碳氮化钛。
3 高速切削时刀具材料的选择方法探讨
1） 考虑刀具材料与加工对象的力学性能匹配与否。
刀具材料的力学性能分硬度、韧性、抗弯强度等几个方面，常用高速切削刀具材料的力学性能见表2-1。
表2-1 刀具材料力学性能比较
2） 考虑刀具材料与加工对象的物理性能匹配与否。
刀具材料的物理性能分耐热温度、导热系数、热胀系数、抗热系数等方面，常用刀具材料的物理性能见表2-2。
表2-2刀具材料物理性能比较
注：因陶瓷分氧化铝基和炭化硅基两大系列，所以某些性能未作具体比较。
3） 考虑刀具材料与加工对象化学性能的匹配程度。
刀具材料的主要化学性能主要是抗氧化强度，几类刀具材料的抗氧化性能如：陶瓷>PCBN>硬质合金>金刚石>HSS。
4） 考虑其他因素。
在选择刀具时，除刀具材料及加工对象的力学性能、物理性能、化学性能之外，还要综合考虑加工中的实际工况、成本大小等因素。
4 总结
总之，在切削加工前，能否合理选择刀具材料非常关键，在选择时不但要考虑到刀具的力学性能还要综合考虑它们的物理和化学性能是否能够匹配加工对象，还要根据实际工况、成本大小等因素综合考虑，最终得出正确的选择。高速切削技术已成为切削加工的主流，加快其推广应用，将会创造巨大经济效益。
参考文献：
[1] Byme G，Domfeld D，Denkena B.Advancing cutting technology[J].Annals of the CIRP，2003，52（2）：483-507.
[2] 韩福庆.高速切削刀具材料的开发与选择.鹤壁煤业技师学，2002
[3] 刘战强，万熠，周军.高速切削刀具材料及其应用.山东大学机械工程学院，2006
[4] 涂杰.高速切削发展的瓶颈-刀具.南京化工职业技术学院机械系，2007