在现代制造业中,切削加工占据着至关重要的地位,据统计,国外的加工比例高达80%~85%,在国内甚至达到90%。刀具作为切削加工的核心工具,无论是普通机床还是先进的NC、MC和FMC,都依赖于刀具进行切削。刀具的发展对生产效率和加工质量有直接影响,刀具材料、结构和几何形状是决定其性能的关键因素,其中刀具材料起着决定性作用。
国际生产工程学会的研究表明,刀具材料的改进每10年可使切削速度翻倍。从高速钢、硬质合金到高性能陶瓷、超硬材料,耐热温度由500~600℃提升至1200℃以上,切削速度超过1000m/min,这使得过去百年间切削加工效率提高了100多倍。刀具材料的发展史揭示了切削技术的进步历程。
在极端的工作条件下,刀具需要在高温和强烈摩擦中保持高效,因此,选择合适的材料至关重要。刀具材料需满足高硬度、耐磨性、耐热性、强度和韧性、良好的热物理性能以及工艺性等要求。根据工件材料和加工需求,应选用适合的刀具材料,如碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。
高速钢因其高合金成分,如W、Mo、Cr、V,具有良好的韧性和耐热性,是常用刀具之一。然而,其耐磨性和耐热性仍有提升空间。硬质合金则因其高硬度和耐高温性能,适用于各种切削,但其强度和韧性相对较弱。针对高硬度难加工材料的挑战,新型刀具材料如陶瓷、人造金刚石和立方氮化硼应运而生,各自有其适用的材料和加工场合。
尽管新型刀具材料不断涌现,但硬质合金刀具在切削加工中的应用仍将持续。未来的研究将聚焦于细化晶粒、涂层技术、热处理和强化技术等方面,以提升硬质合金刀具的综合性能,这是硬质合金刀具材料研究的重要发展方向。
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