航空发动机需要承受巨大的推力和极高的运行温度，钛合金、高温合金和复合材料等应用对飞机的提高飞行速度，加大载重量有很大的帮助；在石油和化工行业中，低合金钢、不锈钢、耐蚀合金钢、钛合金等材料以其优秀的耐腐蚀性，在管道、阀门、法兰、轴类等部件中扮演重要角色。


难加工材料，通常指切削加工性差的材料，由于其出色的耐热、耐磨、高硬度、延展性等特性，往往在航空航天、船舶、石油、化工等行业的特殊部件当中发挥着重要作用。


难加工又费刀，这些金属材料硬知识必须了解


零件众多的大型航空发动机


哪些材料让金属加工难以下手？


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难加工的原因


冷硬铸铁和淬硬钢


冷硬铸铁的硬度极高，是其难加工的主要原因。它的塑性很低，刀与切屑接触长度很小，切削力和切削热都集中在切削刃附近，因而切削刃很容易崩损。冷硬铸铁零件的结构尺寸和加工余量一般都较大，毛坯精度低，因而就进一步加大了加工难度。


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冷硬铸铁车削


高强度钢材


与普通碳素结构钢相比，高强度钢/超高强度钢的强度高，导热系数偏低，故切削力大，切削温度高，刀具磨损快，刀具使用寿命短，断屑亦稍难。


纯金属


常用的纯金属如紫铜、纯铝、纯铁等，其硬度、强度都较低，导热系数大，对切削加工有利；但其塑性很高，切屑变形大，刀—屑接触长度大并容易发生冷焊，生成积屑瘤，因此切削力较大，不容易获得好的已加工表面质量，断屑困难。此外，它们的线膨胀系数较大，精加工时不易控制工件的加工精度。


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高纯度紫铜


不锈钢


不锈钢按金相组织分，有铁素体、马氏体、奥氏体三种。铁素体、马氏体不锈钢的成分以铬为主，切削加工一般不太难。而奥氏体不锈钢的成分以铬、镍等元素为主，淬火后呈奥氏体组织，切削加工性比较差，主要表现在：


塑性大，加工硬化很严重，易生成积屑瘤而使已加工表面质量恶化。加工表面硬化程度及硬化层深度大，常给下道工序带来困难。且不易断屑。


导热系数小，产生的热量不易传出，所以切削温度高。


由于切削温度高，加工硬化严重，加上钢中有碳化物(TiC等)，形成硬质夹杂物，又易与刀具发生冷焊，故刀具磨损快，使用寿命降低。


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奥氏体不锈钢


高温合金


高温合金按其化学成分，有铁基、镍基、钴基三种，加工性比不锈钢更差。高温合金中含有许多高熔点合金元素，如铁、钛、铬、钴、镍、钒、钨、钼等，它们与其他合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。有些元素又与非金属元素碳、氮、氧等结合成比重小、熔点高的高硬度化合物。还能形成一些具有一定韧性的高硬度的金属间化合物。同时，有些合金元素进入固溶体，使基体强化。高温合金经长期时效后，又能从固溶体中析出硬质相，进一步使晶格歪扭，这不仅增大了塑性变形阻力，而且由于硬质颗粒的存在而加剧了刀具的磨损


直面难加工材料，刀具如何应对挑战？


“打铁自身硬”，更优质材料的应用


聚晶金刚石（PCD）刀具和立方氮化硼（CBN）刀具也是应对难加工材料的有效途径，近年来在市场中占有率逐渐提高。PCD刀具被广泛应用于铣削有色金属、复合材料、塑料以及极其难加工的超级合金。CBN刀具被用于对淬硬黑色金属进行连续或断续切削，以及切削加工焊接金属和复合金属。


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PCD铣刀


为刀具加装涂层铠甲


刀具涂层是应对难加工材料最为经济和最有针对性的技术，花样繁多的新材料带来更为复杂的加工需求，同时也在推进着CVD、PVD等涂层技术的持续发展，刀具涂层本身是针对切屑行程过程中产生过高的力和热对刀具产生不利影响而开发的技术，在不同的加工材料涂层刀具较未涂层刀具可提升2-10倍的使用寿命。山高最新的氮化铌涂层应用于Feedmax -MS 钻头，除了保持切削刃锋利，减少积屑瘤，还能在三次修磨后保持出色的性能。


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Feedmax系列钻头


“功法”加持，先进切削技术


常规的加工温度都是正常室温，但是在面对难加工材料的情况下，改变加工的温度有时候会带来意想不到的效果。加热切削法是在工件和刀具的回路中施加低电压和大电流，是切削区域产生热量，还有就是等离子体加热切削，即用等离子弧对靠近刀尖的工件材料进行加热，使其硬度、强度降低，从而改善了切削条件。


低温切削法用液氮(-180 ℃)或液体CO2(-76 ℃)为切削液，可降低切削区温度，使用该方法主切削力可降低20%，切削温度可降低300 ℃以上，同时积屑瘤消失，提高了已加工表面质量，刀具耐用度可提高2~3倍，在加工高强度钢、耐磨铸铁、不锈钢、钛合金时均有效果。


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低温液氮切削


利用超声波刀柄和超声波刀具实现的超声波加工，是使刀具以 20-40KHz 的频率，沿切削方向高速振动的一种特种切削技术。超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削，在一个振动周期中，刀具的有效切削时间很短，一个振动周期内绝大部分时间里刀具与工件切屑完全分离，刀具与工件切屑断续接触，切削热量大大减少，是应对脆硬材料较为适合的技术。工件粗糙度、加工精度等均有大幅度提升。


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超声波刀柄


2021.3.30-4.2，ITES深圳工业展暨第22届SIMM深圳机械展将再度在深圳国际会展中心（宝安新馆）举办。更多国际一线刀具品牌以及国内大厂将携刀具隆重亮相，并配合磨具磨料、硬质合金、超硬材料、工具磨床的加入，为各行业厂商提供完整的刀具耗材采购和加工解决方案。