高性能切削刀具材料在汽車製造業中的應用
來源：國際金屬加工網
隨著國內外汽車製造業的蓬勃發展，如何在保證汽車質量的前提下提升製造效率並有效降低製造成本已成為當前人們共同關注的重點。研究表明，取代傳統切削刀具材料 (主要是普通高速鋼、硬質合金)，利用高性能切削刀具材料對汽車發動機、變速器、傳動軸和車橋等關鍵零部件加工這一技術因具有大幅度提高切削效率並實現精密生產等優勢，被視為實現汽車製造降本增效的一種有效途徑。
高速切削刀具材料的類型和性能
刀具是完成汽車零部件切削加工的“牙齒”，其性能的優劣取決於刀具的本徵材料、外形結構和幾何參數。其中，刀具的本徵材料對刀具性能的影響最為關鍵。近年來，世界各工業發達國家無一不在致力於開發與高效、高速且高質切削加工相匹配的先進切削刀具材料。目前，已可應用於汽車零部件的先進高速切削刀具材料主要有：超硬材料、高性能硬質合金和新型陶瓷材料等。
1.超硬材料
金剛石是目前人們在自然界中所發現的硬度最高的材料(顯微硬度104 kg/mm2)，然而，金剛石較低的熱穩定性和高溫易石墨化特性制約了這類材料作為刀具材料的進一步發展。與金剛石硬度相比擬的超硬材料因具有較高的熱穩定性和抗石墨化特性受到了人們的高度重視。超硬刀具材料主要包括人造金剛石和立方氮化硼(CBN)。
人造金剛石是指在高溫高壓下由人工製造而成，其中最具典型的是聚晶金剛石(PCD)，它通常由金剛石粉和鈷粉首先加以混合壓製成型，再經真空處理後於高溫高壓下燒結在硬質合金基板上製備獲得。基於其基體與載體的複合構造，PCD具有硬度大、抗衝擊能力強、化學穩定性高及熱膨脹係數低等優勢，可實現汽車光學元件或非鐵鏡面組件的超精密加工;在對高硬度、耐磨的有色金屬加工方面具有優越性;相比於傳統刀具材料壽命可提高20多倍。與PCD材料類似，CBN材料也是採用高溫高壓技術研製而成，通常在CBN刀具材料中，人們往往將聚晶立方氮化硼(PCBN)材料焊接在硬質合金基體上得到。在性能優勢方面，與PCD材料大致相同，部分PCBN刀具切削鋁合金速度可達7000 m/min以上，能夠進行高穩定性加工;PCBN能夠以極高的精度和準度對汽車發動機生產線上的灰鑄鐵缸體的鋼孔進行加工。
2.高性能硬質合金
硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物(主要是WC、TiC等)和粘結金屬通過粉末冶金工藝製成的一種合金材料，切削效率為高速鋼的5～10倍，是當前切削領域中應用最為廣泛的刀具材料。然而隨著社會的發展，迫切需要開發出綜合性能更加優異的新型硬質合金以滿足實際需求。其中，對刀具進行塗層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。塗層硬質合金刀具是指在韌性較好的刀體上塗覆一層或多層耐磨性好的難溶化合物，保證刀具既有較好的韌性，也有很高的硬度和耐磨性。由此獲得的塗層硬質刀具比未塗層的硬質合金刀具壽命要高2～5倍，使用塗層刀具可以獲得明顯的經濟效益。目前，人們已相繼開發出單塗層、多塗層、金剛石薄膜塗層和納米塗層硬質合金刀具，不僅衝擊了普通硬質合金刀具市場，而且還成為了PCBN材料的強有力競爭對手。
另一方面，高強度、高硬度和高耐磨性兼備的超細晶粒硬質合金引起了人們的興趣。這類硬質合金的晶粒尺寸小於0.5 μ m，只有普通硬質合金的幾十分之一。如此微尺度的晶粒誘發了Hall-petch效應，即晶粒尺寸減小，造成缺陷減少，粘接相的平均自由程變短，則合金的硬度和強度變高，同時韌性也獲得相應的提高。整體切削性能的改善使其切削速度和刀具壽命遠超過高速鋼。此外，超細晶粒硬質合金的另一優點是刀具刃口鋒利，尤其適合高速切削粘而韌的材料。
3.新型陶瓷材料
採用人工合成的高純度無機化合物為原料，在嚴格控制的條件下經成型、燒結和其他處理而製成具有微細結晶組織的新型陶瓷材料具有高的硬度、極優的耐磨性能、良好的高溫力學性能及高的化學穩定性。陶瓷刀具是將新型陶瓷材料高壓研製而成，可以用於加工傳統刀具難以加工或根本不能加工的超硬材料，切削速度可達900 m/min。比較典型的是氮化矽陶瓷，該刀具能對硬度小於65 HRC的難加工材料如淬硬鋼、冷硬鑄鐵等進行高速精銑、精車，實現以車帶磨、以銑帶磨，從而改進傳統的機械加工工藝，提高加工效率，節約工時及電力。氮化矽陶瓷刀具的耐熱性和抗高溫氧化性特別好，即使在1200～1450 ℃的切削溫度時仍能進行長時間切削。在一定範圍內高速車削時，切削溫度的升高能改變工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韌性，從而減少其破損，所以一般陶瓷刀具均採用乾切削。此外，陶瓷刀具使用的氧化鋁、氧化矽等主要原料在地殼中含量豐富，對節約貴重金屬也具有重要的意義。國際上已經將陶瓷材料刀具視為進一步提高生產率的最有希望的刀具之一。
高性能刀具材料研發中的關鍵問題
目前，汽車構造中所涉及的零件材料主要有高矽鋁合金、高硬度鋼、普通鋼、鑄鐵、鎳基高溫合金、鈦基合金和玻璃鋼複合材料。基於刀具材料性質和工作環境，表中列出了高性能刀具材料所適合加工的工件材料。儘管這些高性能刀具材料在汽車製造領域中能夠實現降本增效，但是要想在很大程度上獲得令人滿意的效果還需要人們從機理上對這幾類材料進行更為深入的開發：
1.超硬刀具材料的強度和韌性仍然存在不足。結合塗層技術、納米技術以
及復合技術對材料成分和結構上的進一步設計，去調控這類刀具材料的性能應成為當前研究重點。
2.高性能硬質合金材料在開發應用中仍存在工藝性差、複雜刀具研製方面尚受到限制等不足。要想進一步擴大其應用範圍，還應對塗層硬質合金中塗層與基體接合面的柔性處理工藝、超細晶粒硬質合金鋼的晶粒尺寸調控機理及其影響因素等關鍵性課題進行深入研究。
3.儘管人們通過顆粒、晶須、相變和微裂紋等增韌機理的協同作用提高了新型陶瓷刀具材料的斷裂韌性，但是硬度、耐磨性與韌性、強度兼顧仍然是當前存在的矛盾之處。從目前情況來看，如何突破正在興起的新型金屬基納米陶瓷刀具材料技術成為了一個關鍵。
高性能切削刀具材料在汽車製造業中的應用
高性能切削刀具技術的發展展望
隨著汽車製造技術的全球化，汽車製造業的競爭也日趨激烈。高速切削作為先進汽車製造技術的一項全新的共性基礎技術，已經成為現代汽車零部件切削加工技術的重要發展方向。高性能切削刀具材料的開發對發展和應用高速切削技術具有決定性作用。可以預見，隨著人們對高性能切削刀具材料技術的深入發展和大力推廣，勢必在不久的將來會在汽車製造領域中創造出巨大的經濟效益。
( 文章來源：互聯網 )
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隨著國內外汽車製造業的蓬勃發展，如何在保證汽車質量的前提下提升製造效率並有效降低製造成本已成為當前人們共同關注的重點。研究表明，取代傳統切削刀具材料 (主要是普通高速鋼、硬質合金)，利用高性能切削刀具材料對汽車發動機、變速器、傳動軸和車橋等關鍵零部件加工這一技術因具有大幅度提高切削效率並實現精密生產等優勢，被視為實現汽車製造降本增效的一種有效途徑。
高速切削刀具材料的類型和性能
刀具是完成汽車零部件切削加工的“牙齒”，其性能的優劣取決於刀具的本徵材料、外形結構和幾何參數。其中，刀具的本徵材料對刀具性能的影響最為關鍵。近年來，世界各工業發達國家無一不在致力於開發與高效、高速且高質切削加工相匹配的先進切削刀具材料。目前，已可應用於汽車零部件的先進高速切削刀具材料主要有：超硬材料、高性能硬質合金和新型陶瓷材料等。
1.超硬材料
金剛石是目前人們在自然界中所發現的硬度最高的材料(顯微硬度104 kg/mm2)，然而，金剛石較低的熱穩定性和高溫易石墨化特性制約了這類材料作為刀具材料的進一步發展。與金剛石硬度相比擬的超硬材料因具有較高的熱穩定性和抗石墨化特性受到了人們的高度重視。超硬刀具材料主要包括人造金剛石和立方氮化硼(CBN)。
人造金剛石是指在高溫高壓下由人工製造而成，其中最具典型的是聚晶金剛石(PCD)，它通常由金剛石粉和鈷粉首先加以混合壓製成型，再經真空處理後於高溫高壓下燒結在硬質合金基板上製備獲得。基於其基體與載體的複合構造，PCD具有硬度大、抗衝擊能力強、化學穩定性高及熱膨脹係數低等優勢，可實現汽車光學元件或非鐵鏡面組件的超精密加工;在對高硬度、耐磨的有色金屬加工方面具有優越性;相比於傳統刀具材料壽命可提高20多倍。與PCD材料類似，CBN材料也是採用高溫高壓技術研製而成，通常在CBN刀具材料中，人們往往將聚晶立方氮化硼(PCBN)材料焊接在硬質合金基體上得到。在性能優勢方面，與PCD材料大致相同，部分PCBN刀具切削鋁合金速度可達7000 m/min以上，能夠進行高穩定性加工;PCBN能夠以極高的精度和準度對汽車發動機生產線上的灰鑄鐵缸體的鋼孔進行加工。
2.高性能硬質合金
硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物(主要是WC、TiC等)和粘結金屬通過粉末冶金工藝製成的一種合金材料，切削效率為高速鋼的5～10倍，是當前切削領域中應用最為廣泛的刀具材料。然而隨著社會的發展，迫切需要開發出綜合性能更加優異的新型硬質合金以滿足實際需求。其中，對刀具進行塗層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。塗層硬質合金刀具是指在韌性較好的刀體上塗覆一層或多層耐磨性好的難溶化合物，保證刀具既有較好的韌性，也有很高的硬度和耐磨性。由此獲得的塗層硬質刀具比未塗層的硬質合金刀具壽命要高2～5倍，使用塗層刀具可以獲得明顯的經濟效益。目前，人們已相繼開發出單塗層、多塗層、金剛石薄膜塗層和納米塗層硬質合金刀具，不僅衝擊了普通硬質合金刀具市場，而且還成為了PCBN材料的強有力競爭對手。
另一方面，高強度、高硬度和高耐磨性兼備的超細晶粒硬質合金引起了人們的興趣。這類硬質合金的晶粒尺寸小於0.5 μ m，只有普通硬質合金的幾十分之一。如此微尺度的晶粒誘發了Hall-petch效應，即晶粒尺寸減小，造成缺陷減少，粘接相的平均自由程變短，則合金的硬度和強度變高，同時韌性也獲得相應的提高。整體切削性能的改善使其切削速度和刀具壽命遠超過高速鋼。此外，超細晶粒硬質合金的另一優點是刀具刃口鋒利，尤其適合高速切削粘而韌的材料。
3.新型陶瓷材料
採用人工合成的高純度無機化合物為原料，在嚴格控制的條件下經成型、燒結和其他處理而製成具有微細結晶組織的新型陶瓷材料具有高的硬度、極優的耐磨性能、良好的高溫力學性能及高的化學穩定性。陶瓷刀具是將新型陶瓷材料高壓研製而成，可以用於加工傳統刀具難以加工或根本不能加工的超硬材料，切削速度可達900 m/min。比較典型的是氮化矽陶瓷，該刀具能對硬度小於65 HRC的難加工材料如淬硬鋼、冷硬鑄鐵等進行高速精銑、精車，實現以車帶磨、以銑帶磨，從而改進傳統的機械加工工藝，提高加工效率，節約工時及電力。氮化矽陶瓷刀具的耐熱性和抗高溫氧化性特別好，即使在1200～1450 ℃的切削溫度時仍能進行長時間切削。在一定範圍內高速車削時，切削溫度的升高能改變工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韌性，從而減少其破損，所以一般陶瓷刀具均採用乾切削。此外，陶瓷刀具使用的氧化鋁、氧化矽等主要原料在地殼中含量豐富，對節約貴重金屬也具有重要的意義。國際上已經將陶瓷材料刀具視為進一步提高生產率的最有希望的刀具之一。
高性能刀具材料研發中的關鍵問題
目前，汽車構造中所涉及的零件材料主要有高矽鋁合金、高硬度鋼、普通鋼、鑄鐵、鎳基高溫合金、鈦基合金和玻璃鋼複合材料。基於刀具材料性質和工作環境，表中列出了高性能刀具材料所適合加工的工件材料。儘管這些高性能刀具材料在汽車製造領域中能夠實現降本增效，但是要想在很大程度上獲得令人滿意的效果還需要人們從機理上對這幾類材料進行更為深入的開發：
1.超硬刀具材料的強度和韌性仍然存在不足。結合塗層技術、納米技術以
及復合技術對材料成分和結構上的進一步設計，去調控這類刀具材料的性能應成為當前研究重點。
2.高性能硬質合金材料在開發應用中仍存在工藝性差、複雜刀具研製方面尚受到限制等不足。要想進一步擴大其應用範圍，還應對塗層硬質合金中塗層與基體接合面的柔性處理工藝、超細晶粒硬質合金鋼的晶粒尺寸調控機理及其影響因素等關鍵性課題進行深入研究。
3.儘管人們通過顆粒、晶須、相變和微裂紋等增韌機理的協同作用提高了新型陶瓷刀具材料的斷裂韌性，但是硬度、耐磨性與韌性、強度兼顧仍然是當前存在的矛盾之處。從目前情況來看，如何突破正在興起的新型金屬基納米陶瓷刀具材料技術成為了一個關鍵。
高性能切削刀具材料在汽車製造業中的應用
高性能切削刀具技術的發展展望
隨著汽車製造技術的全球化，汽車製造業的競爭也日趨激烈。高速切削作為先進汽車製造技術的一項全新的共性基礎技術，已經成為現代汽車零部件切削加工技術的重要發展方向。高性能切削刀具材料的開發對發展和應用高速切削技術具有決定性作用。可以預見，隨著人們對高性能切削刀具材料技術的深入發展和大力推廣，勢必在不久的將來會在汽車製造領域中創造出巨大的經濟效益。
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