高硬度鋼、硬粉末金屬、超耐熱合金以及雙金屬材料在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣。用這些材料制作的產(chǎn)品幾乎堅(jiān)不可摧，同時(shí)也給人們帶來了新的難題：怎樣才能以最 經(jīng)濟(jì)的方式將這些材料加工成最后的產(chǎn)品。令人欣慰的是刀具供應(yīng)廠家在開發(fā)銑削和車削加工高硬度材料的刀片方面有了新的進(jìn)展。目前，涂層硬質(zhì)合金、金屬陶 瓷、聚晶氮化硼（CBN）、以及聚晶金剛石（PCD）材料的刀片都得到了應(yīng)用。這些先進(jìn)材料制成的特殊形狀的刀片，表層附著的特殊涂層在加工時(shí)可以承受機(jī) 械沖擊和磨損時(shí)產(chǎn)生的熱量。但是，使用這些刀片時(shí)還需要其他外部條件，其中之一就是需要經(jīng)驗(yàn)豐富的刀具供應(yīng)商的密切配合。
　　刀片的費(fèi)用相對較低，硬質(zhì)合金刀片的成本約占總加工費(fèi)用的3%，CBN刀片占到5-6%，所以使用便宜的刀片是一種錯誤的節(jié)約方式。采用先進(jìn)材料的刀片可以在短期內(nèi)收回投資，且廢品率很低。
　　另一方面，在一副大銑刀上裝上刀片未必就是一個代價(jià)昂貴的錯誤。CBN刀片的費(fèi)用是硬質(zhì)合金刀片的8-10倍。在使用這些先進(jìn)材料的刀片時(shí)，如果切削速度 和進(jìn)給量不正確，將影響產(chǎn)品質(zhì)量和刀具壽命。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)庫存儲備困難，選擇合適的刀片需要正確評價(jià)加工效益及整個工藝過程。
　　物有所值
　　從整個加工過程來看，如果考慮調(diào)校和更換刀片的時(shí)間的話，即使使用費(fèi)用較低的硬質(zhì)合金刀具來滿足公差和表面精度要求，那么這筆費(fèi)用也是昂貴的。只有對生產(chǎn)能力、加工周期以及刀片性能綜合協(xié)調(diào)，才能最終形成真正的加工能力。
　　有一個很好的例子，在一次專門的小批量加工中，使用涂層硬質(zhì)合金刀片，成功的對一個燒結(jié)碳化鋇燃?xì)鉁u輪葉片進(jìn)行銑削加工。在切削速度為120sfm時(shí)，只 用5-10分鐘就完成了切削。在高硬度材料的大批量加工中，15-30分鐘的刀片壽命是可以接受的。但對于小批量工件，較短的刀具壽命和經(jīng)常性的更換刀具 并不是主要缺陷。然而，在滿負(fù)荷生產(chǎn)中延長刀片壽命變得很重要，這樣可以減少換刀時(shí)間、換刀人員、提高機(jī)器利用率和生產(chǎn)力?，F(xiàn)在硬質(zhì)合金刀片可以很好加工 渦輪葉片，如果加工量很大時(shí)，就應(yīng)采用硬度更高、費(fèi)用更昂貴的CBN刀片。
　　使用先進(jìn)材料刀片進(jìn)行加工必須選取正確的進(jìn)刀深度和切削速度。CBN刀片經(jīng)過強(qiáng)化、導(dǎo)角，在加工硬度超過50RC的材料時(shí)，可以防止刀片崩刃。盡管CBN 刀片剛性和韌性都很好，但仍需要修正切削機(jī)床的參數(shù)以保證加工精度的要求，切削速度偏差超過10%就會對加工效果產(chǎn)生很大的影響。
　　如果你需要加工高硬度材料，請考慮與你的刀具供應(yīng)商聯(lián)系，他們可以根據(jù)其他用戶解決類似問題的經(jīng)驗(yàn)為你提供解決方案。如果需要作試驗(yàn)，反復(fù)試驗(yàn)通常從硬質(zhì) 合金刀片開始，再逐步試用理度較高且較貴的刀片?，F(xiàn)代刀片幾何學(xué)、高剛性刀柄以及精確的加工程序使價(jià)格較低的硬質(zhì)合金恨片能夠勝任艱巨的切削工作。如果不 使用硬質(zhì)合金刀片，則需要根據(jù)具體情況選擇其它刀片，但種類繁多的材料還是會給加工造成很大困難。
　　合金鋼在各領(lǐng)域應(yīng)用很廣，其硬度正在逐步提高。以前工具鋼的硬度一般是45RC，現(xiàn)在，經(jīng)淬火處理的鋼材硬度達(dá)到63RC的情況在模具制造業(yè)中已很普遍。 模具廠家以前都是在熱處理以前進(jìn)行切削，現(xiàn)在為避免熱處理引起的變形，必須在熱處理硬化后對高硬度工具鋼進(jìn)行精加工。在對高硬度合金進(jìn)行銑削加工時(shí)，產(chǎn)生 的熱量和壓力會導(dǎo)致塑性變形而加速刀片磨損。
　　盡管如此，仍可以經(jīng)濟(jì)地用硬質(zhì)合金刀片加工高硬度鋼。比如在航天工業(yè)的加工中，一家專業(yè)航天器材制造商在一塊大的300M-4340改良型鍛造硬化鋼上重 鏜孔時(shí)，轉(zhuǎn)而使用Sandvik GC1025硬質(zhì)合金刀片。大部分金屬材料都是在熱處理以前，硬度為30-32RC時(shí)進(jìn)行加工的，然而，為了修正變形，必須對大工件上精密度要求高的孔進(jìn) 行復(fù)鏜，這時(shí)材料硬度高達(dá)54-55RC。 因?yàn)楣ぜ^厚，給加工增加了難度，需要對其重復(fù)鏜三次才能達(dá)到公差要求和表面精度要求。在第一次鏜孔還沒完成時(shí)，就因?yàn)榻饘偬沾傻毒咂茡p而中斷了。這給我 們一個警示：破損的刀刃有可能毀壞整個工件。相反，擁有堅(jiān)硬的PVD涂層和鋒利刀刃的先進(jìn)的精細(xì)的硬質(zhì)合金刀片，可以持續(xù)進(jìn)行6-9次切削。為了使用硬質(zhì) 合金刀片，供應(yīng)商推薦將切削速度從300sfm降低為175sfm,但仍保持相同的切削深度。用硬質(zhì)合金刀片以低切削速度進(jìn)行三次鏜孔加工耗時(shí)80分鐘左 右，而陶瓷合金刀具加工時(shí)間為一個小時(shí)。更重要的是，其附加的安全刀刃將因刃口破損而損傷貴重工件的可能性降到最小。 為找到用硬質(zhì)合金刀片銑削高硬度鋼材的合適的加工參數(shù)，切削速度一般從100sfm開始試驗(yàn)。試驗(yàn)性切削的速度可以由150sfm逐漸增加到 180sfm。通常進(jìn)給速度為0.003-0.004英寸每齒。對于刀片的幾何外形，零角度或微小的負(fù)前角刀片比正前角刀片的刃口強(qiáng)度高。圓形硬質(zhì)合金刀 片在加工高硬度材料時(shí)同樣有優(yōu)勢，這是因?yàn)闆]有容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的尖角。
　　在選擇硬質(zhì)合金刀具時(shí)，主要考慮其強(qiáng)度等級。安全性高的刃口可以承受很大的徑向切削力，以及刀片接觸和離開高硬度鋼時(shí)產(chǎn)生的沖擊。另一方面，這些經(jīng)過特別 處理的抗高溫材料可以承受加工硬度達(dá)60RC的鋼材時(shí)產(chǎn)生的熱量，附有氧化鋁涂層的抗沖擊硬質(zhì)合金刀片也能承受銑削時(shí)產(chǎn)生的高溫。
　　燒結(jié)金屬
　　由于粉末冶金技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了應(yīng)用漸廣的高硬度燒結(jié)金屬。一家生產(chǎn)商開發(fā)了一種含有鎢、碳化鋇的鎳粉合金，其硬度可以達(dá)到53RC-60RC。在鎳合金 的矩陣結(jié)構(gòu)中的碳化物顆粒硬度高達(dá)90RC。在加工這些材料時(shí)，涂層硬質(zhì)合金刀片的刃面很快磨損，最初的刃口被磨平，這是由于顯微結(jié)構(gòu)中的超硬顆粒產(chǎn)生的 細(xì)微振動會加速刀片的磨損。在加工這種高硬度材料時(shí)，硬質(zhì)合金刀片也可能受剪切力而破碎。
　　CBN刀片提供了一種效率很高的加工含有鎢和碳化鋇的高硬度粉末金屬的方法，其先進(jìn)的幾何形狀可以克服細(xì)微振動。一位加工粉末合金的用戶發(fā)現(xiàn)，使用CBN 刀片比最好的硬質(zhì)合金刀片的壽命要長2000倍。用一個有五塊刀片的平面銑刀，以200sfm的切削速度和0.007英寸/齒的進(jìn)給速度加工高硬度工件， 結(jié)果比電火花加工的速度要快75%。
　　要充分利用CBN，切削參數(shù)必須保持在嚴(yán)格的范圍：切削速度160sfm,進(jìn)給速度0.004-0.006英寸/齒，看起來有點(diǎn)慢，但對于加工燒結(jié)金屬來 說，已經(jīng)是高的加工效率了。精確的加工參數(shù)最好通過30-60秒的試切來確定。先從低速開始，再逐漸加速，直到切削刃出現(xiàn)過多磨損，這樣才能取得最好的臨 界值。 加工高硬度金屬時(shí)，通常是干式加工，主要是為了保證切削刃的等溫性。在大多數(shù)情況下，帶有雙負(fù)前角的圓形刀片是效率最高的，這時(shí)切削深度限制在0.04- 0.08英寸以內(nèi)。
　　由于銑削不是連續(xù)加工，在加工洛氏硬度超過60或更高的材料時(shí)，產(chǎn)生的持續(xù)不斷的沖擊會造成獨(dú)特的加工應(yīng)力。因此機(jī)器和刀具必須保持最大的剛度，最小的外伸懸臂，以及最大的強(qiáng)度，以便于承受在加工中產(chǎn)生的沖擊載荷。
　　超耐熱合金
　　航天工業(yè)中開發(fā)的超耐熱合金(HRSAs)越來越多的應(yīng)用到了汽車工業(yè)、醫(yī)療機(jī)械、半導(dǎo)體、以及電站設(shè)備等方面。常見的超耐熱合金有Inconel 718、625、 沃斯帕洛伊合金、鈦6Al4V，現(xiàn)在又增添了鈦合金以及鋁鎂合金。所有的這些材料都給加工增加了難度。
　　超耐熱合金的硬度很高，一些鈦金屬的硬度高達(dá)330布氏硬度。使用傳統(tǒng)的金屬刀具，在切削帶溫度將高達(dá)2000°F，將會弱化分子間的約束力，形成金屬流動層。而如果用超耐熱合金刀具，在整個切削過程中，刀具將一直保持硬度不變。
　　超耐熱合金在加工時(shí)也會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，會導(dǎo)致刀片過早失效。加工超耐熱合金的難度是多方面的，未剝落的材料被磨蝕劑覆蓋，其鋒利的邊緣甚至?xí)斓啬p刀片的切削刃。
　　考慮到這些切削困難，加工超耐熱合金時(shí)一般速度較慢。比如用Sandvik GC2040型刀片加工Inconel 718材料的剎車零件時(shí)，切削速度為200 sfm；用Sandvik 7020 CBN 刀片加工同種金屬時(shí)，切削速度調(diào)整為260 sfm。而用無涂層的硬質(zhì)合金刀片切削工具鋼時(shí)，速度為400 - 800 sfm。加工超耐熱合金所采用的進(jìn)刀量與加工工具鋼的差不多。
　　選擇加工超耐熱合金的刀片時(shí)主要考慮材料和工件。正前角硬質(zhì)合金刀片用來加工超耐熱合金材料的薄壁工件效率很高。但是，加工厚壁工件時(shí)，需要負(fù)前角的金屬 陶瓷刀片，因?yàn)檫@種刀片的切削效率要高一些。在大多數(shù)高硬度加工中采用干式加工以保證切削刃的同溫性，而鈦金屬的加工，即使是很慢的切削速度也需要采取冷 卻措施。
　　加工中超耐熱合金的不斷硬化將加速切削刃刃尖的磨損。沒有尖角的圓形刀片，它的切削刃強(qiáng)度很高，但超耐熱合金的加工硬化現(xiàn)象會導(dǎo)致刀刃產(chǎn)生缺口。連續(xù)加工 中改變切削深度，可以避免形成加工硬化帶，防止刀具產(chǎn)生缺口，延長刀具壽命。吃刀深度可以這樣變化：第一次0.3英寸，第二次0.125英寸，第三次 0.1英寸。
　　雙金屬材料
　　雙金屬元件是將硬度較高的材料放在易磨損區(qū)域，其它區(qū)域?yàn)檩^軟的金屬。這種方式在汽車工業(yè)和其它一些領(lǐng)域應(yīng)用很廣，但同時(shí)也給加工帶來了困難。CBN切削 硬度大于50RC的材料時(shí)效率很高，但如果切削較軟的金屬的話，反而會破碎。PCD刀片可以加工象鋁金屬，但用來加工鐵類金屬時(shí)，卻會產(chǎn)生過多磨損。
　　要高效的加工雙金屬工件，需要對用戶、刀具供應(yīng)商、設(shè)備供應(yīng)商提供的加工程序進(jìn)行調(diào)整。有這樣一個例子，前文提到的高硬度粉末合金，通過高溫等靜壓機(jī)壓制 在價(jià)格較低的316不銹鋼底層上。通過編程將螺旋形走刀路徑輸入機(jī)床，并選用最優(yōu)的進(jìn)刀量和切削速度，首先加工粉末合金，然后再加工其底層金屬。這樣可以 避免上述問題的發(fā)生。
　　為了提高雙金屬汽缸體的加工效率，汽車制造商必須解決好如何加工研磨鋁合金與鑄鐵的汽缸襯墊的問題。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)意味著，硬度較高的鑄鐵耐磨區(qū)不可能與 較軟的鋁金屬完全隔離。但是我們可以通過機(jī)床程序選擇很低的切削速度和很淺的吃刀深度來解決這一問題，這樣我們可以只用抗磨的PCD刀片就能加工鋁層和鑄 鐵層，而不需要頻繁的更換切削刀具。