木工刀具的基础知识

张得帅

刀具材料及其选用：刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣，直接影响着生产效率、加工质量和生产成本。而刀具的切削性能，首先取决于切削部分的材料;其次是几何形状及刀具结构的选择和设计是否合理。
  
  一、对刀具材料的基本要求
  在切削过程中，刀具切削部分不仅要承受很大的切削力，而且要承受切屑变形和摩擦产生的高温，要保持刀具的切削能力，刀具应具备如下的切削性能。
  1. 高的硬度和耐磨性
  刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。常温下一般应在HRC60以上。一般说来，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。
  2. 足够的强度和韧性
  刀具切削部分要承受很大的切削力和冲击力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。
  3. 良好的耐热性和导热性
  刀具材料的耐热性是指在高温下仍能保持其硬度和强度，耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。刀具材料的导热性越好，切削时产生的热量越容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。
  4. 良好的工艺性
  为便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性。包括热加工性能(热塑性、可焊性、淬透性)和机械加工性能。
  5.良好的经济性
  二、常用刀具材料
  刀具材料的种类很多，常用的有工具钢包括：碳素工具钢、合金工具钢和高速钢)、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。
  碳素工具钢和合金工具钢，因耐热性很差，只宜作手工刀具。
  陶瓷、金刚石和立方氮化硼，由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，仅在较小的范围内使用。
  目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。
  1. 高速钢
  是在合金工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的强度、韧性和耐热性，是目前应用最广泛的刀具材料。因刃磨时易获得锋利的刃口，又称“锋钢”。
  高速钢按用途不同，可分为普通高速钢和高性能高速钢。
  1)普通高速钢 普通高速钢具有一定的硬度(62～67 HRC)和耐磨性、较高的强度和韧性，切削钢料时切削速度一般不高于50~60m/min，不适合高速切削和硬材料的切削。常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。
  2)高性能高速钢 在普通高速钢中增加碳、钒的含量或加入一些其它合金元素而得到耐热性、耐磨性更高的新钢种。但这类钢的综合性能不如普通高速钢。常用牌号有9W18Cr4V 、9W6Mo5Cr4V2、 W6Mo5Cr4V3等。
  2. 硬质合金
  硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物，用Co、Mo、Ni作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78～82 HRC，能耐850～1000℃的高温，切削速度可比高速钢高4～10倍。但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差，因此很少做成整体式刀具。实际使用中，常将硬质合金刀片焊接或用机械夹固的方式固定在刀体上。
  我国目前生产的硬质合金主要分为三类：
  1) K类(YG)
  即钨钴类，由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好，但硬度和耐磨性较差，适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的牌号有：YG8、YG6、YG3，它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。数字表示Co含量的百分数，YG6即含Co为6%，含Co越多，则韧性越好。
  2) P类(YT)
  即钨钴钛类，由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧性较差，适用于加工钢料等韧性材料。常用的牌号有：YT5、YT15、 YT30等，其中的数字表示碳化钛含量的百分数，碳化钛的含量越高，则耐磨性较好、韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。
  
  3) M类(YW)
  即钨钴钛钽铌类。由在钨钴钛类硬质合金中加入少量的稀有金属碳化物(TaC或NbC)组成。它具有前两类硬质合金的优点，用其制造的刀具既能加工脆性材料，又能加工韧性材料。同时还能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用牌号有YW1、YW2。
  三、刀具磨损和刀具寿命
  在金属切削加工中，产生的热量和摩擦是能量的表现形式。由很高的表面负荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑移而产生的热量和摩擦，使刀具处于一种极具挑战性的加工环境中。
  切削力的大小往往会上下波动，主要取决于不同的加工条件(如工件材料中存在硬质成份，或进行断续切削)。因此，为了在切削高温下保持其强度，要求刀具具有一些基本特性，包括极好的韧性、耐磨性和高硬度。
  尽管刀具/工件界面处的切削温度是决定几乎所有刀具材料磨损率的关键要素，但要确定计算切削温度所需的参数值却十分困难。不过，切削试验的测量结果可以为一些经验性的方法奠定基础。
  通常可以假定，在切削中产生的能量被转化为热量，而通常这些热量的80%都被切屑带走(这一比例的变化取决于几个要素——尤其是切削速度)。其余大约20%的热量则传入刀具之中。即使在切削硬度不太高的钢件时，刀具温度也可能会超过550℃，这是高速钢在硬度不降低的前提下能够承受的最高温度。用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢时，刀具和切屑的温度通常将超过1000℃。
  对于刀具寿命，并没有被普遍接受的统一定义，通常取决于不同的工件和刀具材料，以及不同的切削工艺。定量分析刀具寿命终止点的一种方式是设定一个可以接受的最大后刀面磨损极限值(用VB或VBmax表示)。刀具寿命可用预期刀具寿命的泰勒公式表示，即VcTn=C，该公式的一种更常用的形式为VcTn×Dxfy=C式中，Vc为切削速度;T为刀具寿命;D为切削深度;f为进给率;x和y由实验确定;n和C是根据实验或已发表的技术资料确定的常数，它们表示刀具材料、工件和进给率的特性。
  不断发展的最佳刀具基体、涂层和切削刃制备技术对于限制刀具磨损和抵抗切削高温至关重要。这些要素，加上在可转位刀片上采用的断屑槽和转角圆弧半径，决定了每种刀具对于不同的工件和切削加工的适用性。所有这些要素的最佳组合能够延长刀具寿命，使切削加工更经济、更可靠。
  
  四、改变刀具基体
  通过在1-5μm范围内改变碳化钨的粒度，刀具制造商可以改变硬质合金刀具的基体性能。基体材料的粒度对于切削性能和刀具寿命起着重要作用。粒度越小，刀具的耐磨性越好。反之，粒度越大，刀具的强韧性越好。细颗粒基体主要用于加工航空牌号材料(如钛合金、Inconel合金和其他高温合金)的刀片。
  此外，将硬质合金刀具材料的钴含量提高6%-12%，可以获得更好的韧性。因此，可以通过调整钴含量来满足特定切削加工的要求，无论这种要求是韧性还是耐磨性。
  刀具基体的性能还可以通过在接近外表面处形成富钴层，或者通过在硬质合金材料中有选择性地添加其他合金元素(如钛、钽、钒、铌等)而获得增强。富钴层可以显著提高切削刃强度，从而提高粗加工和断续切削刀具的性能。
  此外，在选择与工件材料和加工方式相匹配的刀具基体时，还表现考虑另外5种基体特性——断裂韧性、横向断裂强度、抗压强度、硬度和耐热冲击性能。例如，如果硬质合金刀具出现沿切削刃崩刃的现象，就应该选用具有较高断裂韧性的基体材料。而在刀具出现切削刃直接失效或破损的情况下，可能采用的解决方案是选用具有较高横向断裂强度或较高抗压强度的基体材料。对于切削温度较高的加工场合(如干式切削)，通常应该首选硬度较高的刀具材料。在可以观察到刀具产生热裂纹的加工场合(在铣削加工中最常见)，建议选用耐热冲击性能较好的刀具材料。
  五、选择正确的涂层
  涂层也有助于提高刀具的切削性能。目前的涂层技术包括：
  ①氮化钛(TiN)涂层：这是一种通用型PVD和CVD涂层，可以提高刀具的硬度和氧化温度。
  ②碳氮化钛(TiCN)涂层：通过在TiN中添加碳元素，提高了涂层的硬度和表面光洁度。
  ③氮铝钛(TiAlN)和氮钛铝(AlTiN)涂层：氧化铝(Al2O3)层与这些涂层的复合应用可以提高高温切削加工的刀具寿命。氧化铝涂层尤其适合干式切削和近干切削。AlTiN涂层的铝含量较高，与钛含量较高的TiAlN涂层相比，具有更高的表面硬度。AlTiN涂层通常用于高速切削加工。
  ④氮化铬(CrN)涂层：这种涂层具有较好的抗粘结性能，是对抗积屑瘤的首选解决方案。
  ⑤金刚石涂层：金刚石涂层可以显著提高加工非铁族材料刀具的切削性能，非常适合加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金和其他高磨蚀性材料。但金刚石涂层不适合加工钢件，因为它与钢的化学反应会破坏涂层与基体的粘附性能。
  近年来，PVD涂层刀具的市场份额有所扩大，其价格也与CVD涂层刀具不相上下。CVD涂层的厚度通常为5-15μm，而PVD涂层的厚度约为2-6μm。在涂覆到刀具基体上时，CVD涂层会产生不受欢迎的拉应力;而PVD涂层则有助于对基体形成有益的压应力。较厚的CVD涂层通常会显著降低刀具切削刃的强度。因此，CVD涂层不能用于要求切削刃非常锋利的刀具。