金属切削中的高速钢与碳化物——为什么高速钢仍在使用
高速钢在金属切削中仍然发挥着重要作用
高速钢是一种高碳工具钢，含有大量的钨。典型的高速钢成分是:18%的钨，4%的铬，1%的钒，0.7%的碳和其余的铁。高速钢工具的线束为62-64 Rc。在HSS中加入5%至8%的钴，可以获得更高的强度和耐磨性。通常，添加钴的钻头(流行的M-15和M-42级)被称为“钴钻头”，用于高端钻井应用。
在金属切削中，硬质合金刀具在许多刀具应用中逐渐取代了高速钢刀具;但HSS仍然广泛应用于一些特定的工具，如钻头，铰刀，丝锥，成形车刀，滚齿和插齿刀具，侧铣刀和面铣刀，立铣刀，平板铣刀和跨式铣刀，纵切锯，成形铣刀和拉刀。
与硬质合金相比，高速钢的优点是其承受切削力的强度和刀具的低成本。从刀具寿命的角度来看，HSS在间歇切削应用中表现非常好。但与硬质合金相比，高速钢的最大限制是其可用切削速度范围远低于硬质合金。
在绝大多数切削应用中，即车削、镗削和面铣削，硬质合金工具和刀片几乎完全取代了高速钢工具，而高速钢在这些应用中几乎已经绝迹。但钻井却不是这样。
[图1 HSS钻头-图2用于车削的HSS成型刀具]
钻井中的高速钢
在钻井等应用中，固体硬质合金钻头逐渐取代了高速钢钻头，特别是在数控机床上;但从切削经济性来看，特别是在钻削小直径和较大深度时，高速钢是不能轻易舍弃的。对于固体碳化物来说，切削过程中的钻头断裂是一件非常昂贵的事情，每一次断裂都将对生产率造成巨大损失，因为生产将停止，直到更换刀具。使用HSS钻头的另一个很大的优势是，HSS钻头可以茁壮成长，即使在旧的和弱的机床，功率有限。
由于切削功率要求与切削速度成正比(其他切削参数如进给量保持不变)，在功率有限的机器中使用高速钢是不可避免的。
HSS钻头可以承受不稳定的跳动在主轴，薄弱的滑道等，在旧机器，仍然做他们的工作充分，而他们的碳化物同行不能。
高速钢成型工具和刀具
HSS继续是最好的和最便宜的，当涉及到多齿形式刀具，如齿轮滚齿刀，形式铣刀和拉刀。用碳化物代替这些工具(以钎焊碳化物尖端的形式)不仅是工具制造中昂贵和麻烦的事情，而且在尖端断裂的情况下对生产非常不利。当涉及到HSS形式工具的使用时，工具的重新锐化也很轻松。
[图:3高速钢滚齿刀具][图:4镀锡高速钢滚齿刀具]
高速钢切削速度
如前所述，在切削速度方面，高速钢无法与硬质合金刀具竞争。在同样适用的应用下，硬质合金刀具的切削速度比高速钢快4至12倍(取决于工作材料和操作类型)，自然，生产率也相应较高。
以下是一些关于高速钢刀具可以工作的切削速度范围的通用数据:
..............................................切割速度以米/分为单位
工作材料................钻井...........攻丝............铣/挤压
易切削钢...........20 - 30 ..............9 - 12 .................... 30 - 40
低碳钢 ........................ 20 .............11 - 12 .................... 批准
中碳钢……14到20 ............... 8 - 11 ...................20 - 30
合金钢......................在18到22岁 .............10 - 12 ................... 10 - 20
不锈钢 ............... 12 - 15 ............... 8 - 9 ..................... 15 - 20
铸铁..........................20 ..............9 - 12 ................... 20 - 30
铝合金..............- 55 .............在14到18岁 .................. 60 - 100
钛合金........……12 - 15 ................8 - 9 .................... 10 - 30
[注:将上述切削速度转换为SFM(面英尺/分钟)，乘以3.28]
生活在HSS中，如何提高工作效率?
a)钴钻和切削齿的使用:
实际上，“钴钻头/刀具”(实际上指的是含有5%和8%钴的HSS刀具等级M-15和M-42)是为了处理不锈钢、铬镍铁合金、工具钢、钛合金等坚韧材料的钻削而开发的。
如果从高速钢转换到硬质合金刀具是不可能的，而且完全不经济，使用这些钴刀具是加工工程师可以选择的一种方法，以提高加工普通钢和其他常规材料的生产率。当需要在给定切削速度下增加刀具寿命时，也可以采用这种方法。
在其他条件相似的情况下，使用钴钻头，切削速度可以比普通高速钢钻头提高约40%或更多。根据钻头尺寸和最小订货量的不同，Cobalt钻头的成本比普通HSS钻头高1.75至2.5倍。必须在延长工具寿命和提高生产率之间达成正确的妥协，以有效地平衡增加的工具成本。
b)在高速钢工具上镀锡
提高高速钢刀具生产率的下一个选择是通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积工艺在钻头和刀具表面涂覆TiN(氮化钛)等材料。涂层技术的进步带来了其他涂层，如TiAN, TiCN和CrN。
这种涂层大大提高了切削点的耐磨性和润滑性，促进使用更高的速度和进给量，并提高了刀具寿命。通过高速钢工具上特有的金色涂层，可以很容易地识别镀锡工具。
TiN涂层可以使钻头的成本增加30- 50%，这取决于钻头的尺寸和批次数量，实际上，涂层钻头可以提高大约30-100%的钻井速度。需要注意的是，钻点的再磨将会带走切割点的涂层。如果在重新研磨后，前角仍然保留涂层，在这种程度上，涂层仍然有用，尽管程度有所降低。
这里必须指出的是，涂层的质量在涂层的有效性中起着非常重要的作用，并且它可以在供应商之间有很大的差异。因此，涂层高速钢工具的好处也可能有所不同。
[图:5镀锡高速钢钻头]
因此，我们可以得出结论，在未来的几年里，高速钢工具将继续在制造业中发挥重要作用。硬质合金刀具完全取代高速钢只能是一个遥远的梦想。观察未来的技术情景将是很有趣的，即HSS工具将如何进一步改进以满足对生产率的迫切要求。
引用:
CMTI机床设计手册- mcgraw Hill出版
常用刀具材料。版本2 IIT Kharagpur
这篇文章是系列文章的一部分:金属切削-理解各种切削参数所起的作用
在金属切削中，涉及到切削速度、进给速度、切削深度、刀具材料、工件材料等各种切削参数。本系列文章将探讨每个参数对其他参数的影响。第一部分:1简单介绍了参数。随后的部分逐一阐述。
