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選擇適合的刀具

車銑刀具
車銑刀具
文:YANG 2020-01-26

切削刀具之材質因刀具種類,工件材質、工具機能力及機械性質、切削形式的不同等而有所差異,切削刀具之材質,其應具備的特性,概述如下:

常溫硬度(Cold hardness)

常溫硬度係指在常溫狀態,刀具材質之硬度,它又稱冷硬度。一般而言,刀具之硬度愈高時,其切削性愈佳,但韌性愈低。切削時刀具能移除工件材料,是因刀具有足夠的硬度,當刀具與工件接觸磨擦時,刀刃不易磨耗,是因刀具比工件材料硬。刀具材質之硬度常以洛氏硬度(Rockwell)為標準。通常HRA用於測量碳化物刀具之硬度,而高速鋼刀具則用HRC測量,因為HRA較適合量測極硬之材料。

高溫硬度(Red hardness)

高溫硬度又稱紅熱硬度,切削刀具在高速切削下,必產生高溫,此時刀具之刃口雖變成暗紅色,但仍具有抗塑性變形及熔著之熱強度,切削能力也不會減低,此即所謂高溫硬度。刀具材料之高溫硬度愈高,愈能做高速切削工作。當切削溫度到1000℉時,刀具之硬度仍在HRC55 以上時,此種切削刀具較適用於高速切削。

耐磨耗性及韌性大

切削加工係以極大的力量使刀具之刀刃楔入工件材料,因此刀刃受到極大摩擦力。若刀具不能耐磨耗,則刀刃易磨損,因而降低切削效果,刀具壽命也會快速減少,故切削刀具之材質須具備耐磨耗性。又刀具若做間歇性的切削或對抗拉強度大的合金鋼做重切削時,刀具之刃口承受大壓力之衝擊而使刀刃斷裂,此種抗衝擊強度即是刀具之韌性,韌性愈大的刀具,刀刃較不易崩裂。

除了前述三種性能之外,也可以用以下材質來判斷適合您的刀具:

高碳工具鋼 (High-carbon tool steel)

適合車刀製作的高碳工具鋼,含碳量約為1.1〜1.5%。經此熱處理後,其硬度可達HRC60〜65,唯其硬化性能較差,對回火軟化抵抗小,故高溫硬度低,切削耐久性小。高碳工具鋼使用受限制的主要原因為有效的切削溫度僅達200ºC,當溫度達300ºC 時,刀具硬度降至HRC40 以下,故高碳工具鋼並無紅熱硬度,以致於加工速率無法提高。因此,高碳工具鋼較適合短時間、低速切削的刀具,如鉸刀、刮刀、鑽頭、螺絲攻等,車刀在目前已很少利用此種材料製造。

高速鋼 (High speed steel)

高速鋼(HSS)是合金工具鋼的一種,這種在1900 年發展成功之切削刀具材料,其主要成份為鎢、鉻、鈷、鉬、釩、碳等六大元素。因其含有較多的合金元素,故有較高的硬度,經熱處理後其硬度可達HRC66〜68,切削溫度在600ºC 時仍有HRC60〜65 之硬度,切削刀具之刃口仍能維持其形狀之穩定性,故高速鋼具有紅熱硬度,因其切削速度可達高碳工具鋼的2 倍以上,故稱為高速鋼。另外一般常用的高速鋼有鎢系高速鋼、鉬系高速鋼及鈷系高速鋼等,簡述如下:

  1. 鎢系高速鋼:
    此種高速鋼其高溫硬度佳,耐摩耗性亦佳,是多目標的車刀材料。
  2. 鉬系高速鋼:
    此種高速鋼具有極佳之韌性及耐衝擊性,適合製造強力之切割刀具。
  3. 鈷系高速鋼:
    此種加入2〜15%之鈷系高速鋼,又稱為超級高速鋼,特別適用於製造高速重切削之車刀。

非鐵鑄合金 (Nonferrous cast alloys)

非鐵鑄合金俗稱亮金,以鈷、鉻、鎢三種主要合金元素,加入少量的碳化鉭、碳化鉬,再以鈷粉為黏結劑鑄造後,不經熱處理而直接研磨成形後使用。此合金具有極高的紅熱硬度,耐熱溫度可達820ºC,其切削速率約為高速鋼的1.5 倍,即介於高速鋼與碳化物之間。非鐵鑄合金之典型代表例為「史斗來特」(stellite,商品名),其最大硬度約為HRC55〜65 間。耐磨耗性大,也是很好的高耐熱材質,可惜其材質硬脆易斷,不耐衝擊,所以不太適合做間歇切削之刀具。

燒結碳化物 (Cemented Carbide)

燒結碳化物合金,亦稱超硬合金,它是以碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭等細微粉末,混以適當比例之鈷粉為粘結劑,利用粉末冶金的技術燒結而成。燒結後硬度大增,約可達HRA90〜92。此種材料具極高的紅熱硬度,耐熱溫度可達到1200ºC,而且耐磨耗性佳,抗壓強度大,其切削速率可達高速鋼的3倍。燒結碳化物車銑刀,是車床與銑床工作中,最廣被採用的刀具,近年來各先進國都致力於刀具材質之研究,加入耐高溫及耐磨耗之合金元素,一般可將碳化物分成下列三種:

  1. 單一碳化物系:
    此系之碳化物車刀,切削鋼料容易產生凹坑磨損,為其缺點。
  2. 二元碳化物系:
    可提高耐凹坑磨損性,適用於車削鋼鐵材料。
  3. 三元碳化物系:
    可車削鑄鋼、鑄鐵、合金鋼。國際標準組織(ISO),將燒結碳化物以切削工件材料性質,分成P、M、K 三大類,各系列之顏色識別、車刀編號及用途,將在下一個行為為目標中,做較詳細之敘述。

陶瓷 (Ceramic)

陶瓷刀具係在無機物的非金屬材料(陶瓷器)中,加入氧化鋁為主要成分,再經過衝壓成形與燒結而製成的。其硬度極高,可達HRA94,接近鑽石之硬度。陶瓷刀具之紅熱硬度高,耐熱性優異,在1100ºC 左右,硬度仍不改變,其切削速率約為碳化物刀具之2〜3 倍(250〜400m /min),最佳狀況時可高達900m/min。陶瓷刀具有極高之抗壓強度,但材質甚脆,故切削量小,機械性質不佳,轉速不夠高的工具機,並不適用陶瓷刀具。此類刀具在高速切削鑄鐵類工件較能發揮其高性能,大理石之加工亦可。

陶瓷金屬 (Cermet)

陶瓷金屬刀具,簡稱瓷金。是以碳化鈦、碳化鉭為主要成份加入鎳、鉬、或其它鐵系之結合劑,燒結而成。瓷金可以補償陶瓷的脆性,其性質介於燒結碳化物刀具之一半,其硬度約HRA93.5,耐磨耗性佳。很適合鋼類及輕合金材料之高速精加工,在製造業上有逐漸被重用之趨勢。

被覆碳化物 (Coated Carbide)

在傳統的碳化物刀具上,利用化學蒸氣沈積法,被覆一層很薄的硬物質。常用的硬物質有碳化鈦(TiC),氮化鈦(TiN)等,一般之被覆厚度為5〜7μm。被覆的材料也一直在進步中,目前也可被覆陶瓷或氮化硼。如此薄的被覆層,能夠強固地黏結而無裂痕,更能有效的抗磨耗及抗熱,這確實是刀具發展的大突破。此種刀具之刀尖壽命比未被覆的碳化物刀具增加好幾倍,目前亦廣泛被運用在電腦數值控制車銑床上。

氮化硼及鑽石 (CBN and Diamond)

用立方結晶氮化硼和燒結之多晶人造鑽石之顆粒,焊接在車刀柄上,切削速度可達500m/min 以上,是最硬的刀具。此種刀具適用高磨損力之工作材料之高速切削,一般適用於切削高矽鋁合金、玻璃纖維、石墨、巴比特合金等材料。工件品質佳,表面粗度一致,常用在光學儀器及汽車零組件加工。此材質若製作成砂輪,是精磨碳化物刀具的最佳材質。上述為製作切削刀具之材質,每種刀具材料各有其特性,而用途也不同,熟練的機械人員,如何選擇適合加工材料之刀具,是很重要的知識。

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