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                                                                                       刀具材料相关资料

    刀具是机械制造中用于切削加工的工具,又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具,还包括磨具。绝大多数的刀具是机用的,但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料,所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。

    制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性,必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性,良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等),并不易变形。

    通常当材料硬度高时,耐磨性也高;抗弯强度高时,冲击韧性也高。但材料硬度越高,其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性,以及良好的可加工性,现代仍是应用最广的刀具材料,其次是硬质合金。

    聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等;聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属,及合金、塑料和玻璃钢等;碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。

    硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具,也可用于高速钢刀具,如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁,使刀具在切削时的磨损速度减慢,涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1~3倍以上。

    由于在高温、高压、高速下,和在腐蚀性流体介质中工作的零件,其应用的难加工材料越来越多,切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况,刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料;进一步发展刀具的气相沉积涂层技术,在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层,更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾;进一步发展可转位刀具的结构;提高刀具的制造精度,减小产品质量的差别,并使刀具的使用实现最佳化。

    刀具材料大致分如下几类:高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石。

    金刚石刀具在超精切削中的应用范围也在不断扩展,金刚石作为切削刀具材料具有最优异的性能(如它的硬度、热导性以及锋利刃口的成形性)。超精金刚石切削刀具就利用了这些特点和性能,它们可以实现新型光电零部件加工工艺中甚至最高精度的成形加工能力。

    近年来,在光学微电子设备市场上,随着装备小型化和高性能化的发展趋势,对基于超精金刚石刀具的微切削加工需求越来越大。在光学装置用塑料零件的金属模具加工中,要求达到亚微米级的成形精度和纳米级的表面粗糙度。此外,加工对象不仅仅有平面和圆柱面,也有三维曲面形状,并要求达到微米级精度。

    为了满足这些需求,我们开发了世界上最小级别的超精密金刚石切削刀具(UPC微纳成形刀具)。本文将介绍我们制造的UPC(超精切削刀具)的性能,以及在三维形状微加工中的应用。

    超精金刚石切削刀具采用单晶金刚石作为刀具材料。由于利用了金刚石材料的优异特性,切削刃非常锋利和耐用,可将超精加工机床的运动精确复映到被加工工件材料上,因此可用于高精度三维形状和镜面表面的加工。

    尺寸范围从亚微米到纳米级的超微细切削要求达到以下切削条件:①锋利的切削刃,刀尖圆弧半径达到10纳米左右;②切削刃的光洁度要求达到1纳米的水平。
刀尖圆弧半径越小,切削深度也就越小,切屑的切削和去除过程才能平稳进行而不会损坏加工表面,此外,因工件弹性变形而导致的切削厚度变化也越小,从而可实现高精密切削加工。UPC刀具的切削刃圆弧可达到50纳米或更小。

    如果刀具轮廓的精加工表面完全复映到工件上,则刀具切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。因此,切削刃的光洁程度和形状精度就变得异常重要。

    另外陶瓷刀具属于高技术陶瓷,具有高强度、高韧性和高耐磨性,用于机械加工行业大大提高了生产效率,有很好的社会效益和经济效益,现在已被越来越多的用户所认识,因此市场前景广阔。传统热压烧结陶瓷刀具工艺复杂,能耗很高。微波烧结生产出的陶瓷刀具,其主要性能指标均达到了国际先进水平,且工艺易控,产品一致性好。微波工艺技术与设备受到用户单位相当高的评价,同时,该技术与设备也可应用于陶瓷密封件、陶瓷轴承、陶瓷刀、陶瓷喷咀等耐磨、耐腐蚀、耐高温制品的生产,应用十分广泛。

    陶瓷用于切削刀具的时间比硬质合金早,但由于其脆性,发展很慢。但自上世纪70年代以后,还是得到了比较快的发展。陶瓷刀具材料主要有两大系,即氧化铝系和氮化硅系。陶瓷作为刀具,具有成本低、硬度高、耐高温性能好等优点,有很好的前景。目前国内国外产品差别很大,刀具算是高技术的消费品!

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