切削加工高温合金的刀具材料
高温合金具有优良的高温强度、热稳定性及抗热疲劳性能，因此它广泛应用于航空航天、船舶、核工业、电站等行业，例如现代燃汽涡轮发动机的燃烧室、涡轮导向叶片与工作叶片、涡轮盘及涡轮转子结构件、航空发动机盘件、环形件等高温转动部件等等。
高温合金是最难加工的材料之一，如果45#钢的加工性为100%，则高温合金的相对加工性仅为5%～20%，其切削加工的特点有：①切削力大，是普通钢材的2～4倍。高温合金含有许多高熔点金属元素，构成组织结构致密的奥氏体固溶体，合金的塑性好，原子结构十分稳定，需要很大能量才能使原子脱离平衡位置，因而变形抗力大。②切削温度高，最高可达1000℃左右。高温合金导热系数小，仅为45#钢的1/4～1/3，刀具与工件间摩擦强烈而导热性差，故切削温度高。③加工硬化严重，表面硬度比基体硬度高50%～100%。④塑性变形大，在室温下的延伸率可达30%～50%。⑤刀具易磨损，常见的有扩散磨损、边界磨损、刀尖塑性变形、月牙洼磨损及积屑瘤。由于这些特点，切削高温合金的刀具材料应具有高的强度、高的红硬性、良好的耐磨性和韧性、高的导热性和抗粘接能力等。
高速钢刀具材料是较早用于加工高温合金的刀具材料，现在由于加工效率等原因正被像硬质合金这样的刀具材料所替代。但在一些成形刀具以及工艺系统刚性差的条件下，采用高速钢刀具材料加工高温合金仍是很好的选择。另一方面，加工效率是一种综合的评判，高速钢刀具切削速度低，在某些特定条件下其损失的效率可以通过采用大的切削深度来弥补，因为高速钢刀具材料有更高的强度和韧性，且刃口可以更锋利，产生的切削热更低，加工硬化现象更轻。
用于加工高温合金的高速钢，常有钴高速钢、含钴超硬高速钢和粉末冶金高速钢等高性能高速钢。
在高速钢中加入适量的钴后，由于钴可促进奥氏体中碳化物的溶解作用，可以提高高速钢的热稳定性和二次硬度，高温硬度得到提高；
同时钴还可促进高速钢回火时从马氏体中析出钨或钼的碳化物，增加弥散硬化效果，因而能提高高速钢的回火硬度，从而提高高速钢的耐磨性。在高速钢中增加钴量可改善其导热性，特别是在高温时更为明显，这有利于切削性能的提高，在相同条件下，刀刃温度可减小30～75℃。同时钢中加入钴后，可降低刀具与工件间的摩擦系数，并改善其加工性。如车削高温合金GH132，采用W2Mo9Cr4VCo8(M42)，工件D=33mm，n=180r/min，ap=2mm，f=0.15mm/r，油冷，切削长度300mm，后刀面磨损0.2～0.3。粉末冶金高速钢是用细小而均匀的高速钢结晶粉末，在高温(1100℃)、高压(100Mpa)下直接压制成的刀具。
这种工艺完全避免了碳化物的偏析，在相同硬度条件下强度比熔炼钢提高20%～80%，硬度则随着密度加大而提高，组织均匀，高温硬度比熔炼钢高0.5～1.0HRC，因此有较好的切削性能。如在其中加入适当的碳化物(如TiC、TiCN、NaC等)，可增加耐磨性、耐热性，这更有利于高温合金的切削加工，如在加工航空发动机镍基合金GH37叶片上的孔时，粉末冶金高速钢FT15(FW12Cr4V5Co5)钻头可钻9孔，而M42只能钻1～3孔。
在镍基合金的火箭发动机零件上铣削螺纹，用9/2＂的硬质合金螺纹铣刀能够加工5件，用粉末治金高速钢CPM76(美)螺纹铣刀则可以加工33件。
硬质合金刀具材料也已广泛应用于高温合金的加工。由于加工高温合金切削力大，切削温度高并集中在刀刃附近，容易产生崩刃和塑性变形现象，因而通常采用韧性和导热性较好的K类和高温性能好的S类合金。碳化物晶粒的平均尺寸在0.5μm以下的WC-Co类硬质合金(超细颗粒硬质合金)，其硬度可达HRA90～93，抗弯强度为2000～3500Mpa，由于其硬质相和钴高度分散，增加了粘结面积，提高了粘结强度，在高温合金的加工中表现出优异的切削性能。如用含WC89.5%、Co10%、Cr3C2 0.5%、晶粒尺寸小于0.2μm、密度14.5、抗压强度为3700Mpa的超细晶粒合金(HRA91.5，bb=2800Mpa)可以将镍基合金GH141方棒(152mm×152mm×7100mm)车成圆棒，在Vc=42m/min，f=0～3.5mm/r条件下，一次走刀车完全长。
PVD涂层硬质合金已被证明可有效加工高温合金。经过PVD涂层工艺，能在刀具表面涂覆一层很薄的TiAlN层，所以特别适用于对锋利切削刃的涂覆，这一点对高温合金加工尤为重要。PVD涂层刀片涂层温度低，保持了基体的高强度，而且能给刀具切削刃表面提供一个可防止高温合金切削中最容易产生裂纹的压应力，而没有减少刀具韧性，所以它能提供一个密度高、金相组织均匀的涂覆表面，极好地延长了刀具寿命。
如伊斯卡CNMG120408-TFIC908是一种细颗粒基体TiAlN PVD涂层刀片，用于加工GH4169，Vc=50m/min，f=0.2mm/r，ap=2mm，寿命为40min。近来，“新型富铝涂层”也已应用于高温合金的加工，这种AlTiN涂层，“Al”分子 的含量增加到65%～80%molAlN，涂层有更高的致密度和高温硬度。“Al”分子在AlTiN涂层中最为活泼，切削时，它与空气中的氧结合在刀具表面形成一层氧化铝保护膜，其结果是在不牺牲韧性的前提下，极好地提高了涂层的红硬性。如伊斯卡的IC903为含钴量12%的超细颗粒合金，PVD TiAlN涂层，用于中高速加工镍基合金，而新型的富铝涂层合金Al-IC903的寿命是IC903的1～2倍。
目前，用于加工高温合金的涂层合金已发展为由几层组合而成，实践已证明了这种组合比其他任何一种单一涂层在很宽范围的运用时更有效，因此，针对高温合金应用PVD复合涂层或许能成为加工高温合金的硬质合金新涂层材料的亮点。
陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能好、耐热性和化学稳定性优良、不易与金属产生粘结的特点，已成为高速切削高温合金的主要刀具材料之一。
氧化铝(Al2O3)基陶瓷(如Al2O3)+TiC)在1200℃时也能保持HRA80的硬度进行切削，所以可以用比硬质合金高4～5倍的切削速度加工高温合金，如加工因康镍718，Vc=200m/min，f=0.2mm/r。氮化硅(Si3N4)基陶瓷有较高的强度和韧性(抗弯强度为900～1500Mpa)、较高的耐热性能(可达1300～1400℃以上)、优良的耐热冲击能力(是Al2O3的2～3倍)和高的导热系数，车削镍基合金时，切削速度可达300m/min以上。如加工因康镍901硬质合金Vc=310m/min，f=0.16mm/r，寿命4min，而硬质合金刀具的寿命非常短，Al2O3)陶瓷刀具的寿命也约为2min。如加工因康镍D400mm工件的外圆，用K类硬质合金Vc=19m/min， ap=3.4mm，f=0.23mm/r,每刃可加工0.33件，用氧化硅基陶瓷Vc=172m/min，ap=10.2mm f=0.18mm/r，每刃可加工1件，效率为硬质合金的21倍。
立方氮化硼CBN有高的硬度和耐磨性，其显微硬度为8000～9000HV，有很高的热稳定性(可达1400~1500℃)，有抵抗周期性高温作用的能力。CBN还有优良的化学稳定性、较好的导热性(是硬质合金的20倍)和较低的摩擦系数(系数值为0.1～0.3，硬质合金的摩擦系数为0.4～0.6)，低的摩擦系数和优良的抗粘能力使CBN刀具切削时不易形成滞流和积屑瘤，故适于高速切削高温合金，如加工因康镍718，最佳切削速度为100～120m/min。
PCBN是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合合金元素(TiC、TiN、Al、Ti等)烧结在一起的多晶材料，含85%～95% 的CBN、粒度为2～3μm的PCBN刀具也可以用来高速切削镍基高温合金，切削速度一般为120～240m/min，进给量0.05～0.15mm/r，切削深度0.1～3.0mm。
金刚石有极高的硬度和耐磨性、很低的摩擦系数、很高的导热性能，并且切削刃非常锋利。因金刚石(碳)在钛中的溶解度比在铁中小得多，故其扩散磨损很小，可以用于加工钛合金类高温合金，如用天然金刚石刀具在乳化液冷却的条件下加工TC4钛合金，切削速度可达200m/min(K类硬质合金切速20～50m/min)，而且切30min后金刚石刀具几乎没有磨损，若不用切削液，允许的切削速度也有100m/min。
高温合金优良的性能把问题和费用显现在刀具上，这些难加工材料的切削，与切削普通钢件相比，需要消耗更多的能量，在切削区产生很高的切削温度，因此需要使用能降低切削温度和耐高温的刀具。要实现高温合金的高效切削，刀具材料的正确选择是第一个重要问题，不同的刀具材料有不同的适用情况，如钛合金的铣削，K类和S类硬质合金刀具可以是一种正确选择，较好的耐磨性的硬质合金刀具能在合理加工成本下实现较高的切削效率，但这一合理加工成本是以刀具必须有“很高韧性”或抵抗冲击能力为前提的，而通常硬质合金的脆性远远大于高速钢，因此，在钛合金的加工中，有可能的是新一代的高速钢将是硬质合金的良好替代材料。
另一方面，正如前所述，切削钛合金的复杂、多刃刀具选用高钴高速钢、粉末冶金高速钢等，同样可以高效切削钛合金，尤其在较小刚性的机床上加工钛合金，高韧性的高速钢刀具可以通过大切深而不是提高切削速度来实现高效切削加工。
高速切削高温合金实际上是一种高温切削加工，硬质合金在高温下(例如1000℃)与因康镍718等高温合金一样硬度会显著下降，刀具在很短的时间内失效，而在此温度下CBN仍保持常温的硬度和强度，从而可较容易地加工已经变软的工件。陶瓷刀具也有同样的表现。但这些刀具的应用有一个前提：机床-工件-刀具工艺系统要有足够的动力和刚性，而且工件以及机床要能承受高的切削热和大的切削力带来诸如变形的冲击性能。
当然，刀具材料只有和合理的几何参数，好的刀具结构，合理的使用方法等因素完美结合才能充分发挥出其应有的性能。
多厉害的刀具才能拿下高温合金？
航空航天零部件之所以难加工，一是材料难，核心零部件使用大量的镍基高温合金材料；二是要在一整块材料上去除大部分金属材料，加工时间需要数周时间；三是零件精度要求高，可以说加工的安全性和稳定性是重中之重。
那么多厉害的刀具才能拿下高温合金？下面请出我们的两位选手，来自瓦尔特的最新的金虎刀片WMP45G材质和来自泰珂洛的BX815材质刀具。
01
瓦尔特
最新的金虎刀片WMP45G材质
加工难点
1.对于编程和刀具要求高
从机匣自身看，零件尺寸普遍较大，型面不规则，需要去除材料较多，刚性一般，必须在四轴或者五轴联动机床上加工，因而对于编程和刀具要求更高：一组刃口必须能坚持加工完一定时间，刀具可以微量磨损，但绝对不能崩刃。
2.螺纹加工
另外一个加工难点是高温合金材料上的加工螺纹：传统方式是采用丝锥，但如果丝锥意外折断在零件孔中，将会很麻烦，一是要用特殊方法取出，二是零件螺纹损伤，有报废风险。
解决方案
1.最新的金虎刀片WMP45G材质
瓦尔特可以为客户提供三种刀片材料：涂层硬质合金、陶瓷和CBN刀片。考虑到刀具经济性，大部分客户会使用涂层硬质合金刀具，瓦尔特最新的金虎刀片WMP45G材质，完全胜任这一艰巨的任务。刀片基体含有稀有金属元素，因而基体具有更好的高温红硬性和韧性，搭配瓦尔特专利的金虎技术，超低压 CVD-TiAlN涂层工艺，可以使得WMP45G硬度更高，寿命更长。加工时即使余量不均匀或者刀具悬伸较长时，也不会发生崩刃现象。这样换刀间隔更长，加工更安全，不会带来零件报废的风险。
加工案例
2.螺纹铣刀TC630
瓦尔特专门开发了应对此种工况的螺纹铣刀TC630，可以满足客户公制【M1.6 - M18】，英制 【UNC No.1-64 - UNC 3/4-10】、【UNF No.1-72 - UNF 3/4-16】、【STI UNF No.10-32 - STI UNF 3/8-24】的多种规格，刀具刃口设计带有瓦尔特 (威震) 技术。因为从攻丝改变为铣螺纹的工艺，从而加工完的螺纹表面质量更好，螺纹公差控制的精确。由于刀具直径比螺纹底孔直径小，也避免了断刀不好取出的风险，从而实现加工更轻松，更安全，更高效。
02
泰珂洛
BX815材质刀具加工难点
高速加工造成磨损加剧和刀尖崩损问题，制约生产效率
由于工艺安全和质量至关重要，航空工业关键零部件制造商对成品表面完整性有着严格要求，现有的加工工艺通常采用常规PVD涂层硬质合金刀片加工，因为高速加工导致的磨损加剧和刀尖崩损问题比较突出，严重制约了生产效率。
解决方案
泰珂洛Co针对高温合金等难加工材料推出CBN材质加工解决方案，特别是在精加工工序，泰珂洛BX815材质能够保证长而稳定的刀具寿命。
BX815材质
BX815微观结构图
BX815材质特点：
BX815包含亚微米尺寸的细CBN颗粒和氧化铝粘结剂，获得了高热稳定性的材质；
均匀分布的氧化锆颗粒提高了抗崩损性；
实现如Inconel 718等镍基超级合金的高速加工，获得比传统材质更高的加工效率；
材质中CBN和粘结剂均匀分布的基体在高切削参数条件下实现了较高的表面精度质量。
新的BX815材质刀片有两种刃口处理形式可选，为表面完整性进行了优化：LT型断屑槽采用了轻微倒角和研磨的刃口，常见于用于超级耐热合金加工的PCBN刀片中；E型断屑槽采用轻倒棱刃口，适用于低切削力。
BX815材质刀片还可提供定制化刃口处理形式，使其在目标领域实现最佳性能，同时也能够在高温和高速加工条件下保证工艺安全性和加工效率。
BX815材质刀片刃口处理类型
加工案例
能耐得住1100℃的高温合金，却扛不住这几把刀
高温合金作为能在760℃~1500℃及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，不仅具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，还具有良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，是汽车、机车、轮船、石化、航空、航天等驱动装置热端部件的关键材料。
因其应用的特殊性，所以其工作环境处于高温、高腐蚀、高磨损的恶劣工作环境。
而高温合金的性能、规模及加工精度直接冲击性能航空发动机、舰船、火车、汽车涡轮增压器叶片及各类工业燃机叶片等的质量。所以客户对产品质量的可靠性、使用的安全性等均存在较为苛刻的要求。要实现优质、高效的加工，一定离不开优质的刀具。今天，就给大家介绍几款加工高温合金的刀具，助力大家切出完美的高温合金。
高温合金加工利器高温合金被广泛地用来制造航空喷气发动机的最热端部件，它能承受高达1100℃的高温，所以人们称高温合金为发动机的心脏。涡轮盘是航空发动机涡轮、燃烧室和压气机3大关键部件的核心零件，其性能直接决定发动机的整体性能，它在燃烧室内受到高温高压气体推动，将气体的热能转化为转子部件的机械能，从而驱动发动机高效工作，所以用于气体密封的封严齿就尤为的重要，由于封严齿齿厚薄、宽度窄、表面质量要求高，给加工带来了极大的困难与挑战。
专用于封严齿高效安全加工的利器：CoroCut 1-2封严齿切槽刀
特点和益处专为高温合金材料封严齿加工而设计的CoroCut 1-2硬质合金和CBN镶尖刀片能够满足在航空发动机涡轮盘上加工小封严齿以及具有挑战性的槽特征的需求，从而为客户提供实现强大加工所需的额外空间。
CoroCut 1-2是一项能够确保稳定的切屑控制和加工安全性的强大的解决方案
由山特维克可乐满与燃气轮机制造商合作开发而成
经过验证的槽型和材质能够实现安全可靠的加工，并确保被认可的表面完整性和出色的表面质量。
专利CoroCut导轨接口可确保安装安全性
采用高精度冷却的CoroTurnSL70刀板能够提供稳定的通用解决方案和良好的切屑控制
周边精磨硬质合金刀片可确保锋利的切削刃和精度
CBN材质可确保出色的表面质量、高速加工和长时间连续切削
摆线车摆线车是山特维克可乐满独有的一项专利加工策略，在该策略中，刀具从两侧切入工件，从而实现切屑控制并按照更精确的几何尺寸进行加工。这种方法利用刀片的整条前刃线，并不断地改变刀片与材料之间的接触点，使用非线性刀具路径仿形切削能够实现优化的切屑控制、均匀的切削磨损，并避免产生内在应力。
益处比扎槽或坡走车工序更高的生产率
更高的安全性和更长的刀具寿命
更少的走刀次数
连续生产有保证、受控且可预测的刀片磨损
山高MS2050高温合金铣削材质
镍基高温合金在航空航天应用极为广泛，飞机发动机中超过50%的重量是镍基合金制造的。由于高温合金材料具有高强度、加工硬化和粘附硬化特性，导致在Max切削深度处产生沟槽磨损，并使切削刃处于极为恶劣的磨蚀性环境中，因此对刀具及加工策略具有较为严苛的要求。
MS2050是一种高性能的铣削材质，具有良好的耐化学和机械磨损性能。通过避免刀片和工件材料之间的反应、并提高刀片的韧性，MS2050可延长加工高温合金时的刀具寿命，从而提高生产率。
独特的新涂层可有效避免化学反应该涂层由山高F40M涂层和银色的NbN（氮化铌）新表层所组成。镍是最常见的磨损因素，通常会降低刀具寿命，而该表层不与工件材料发生化学反应。此外，切屑流向控制也得到了很大的改善。涂层还可以很好应对使用冷却液带来的温度变化。由于该涂层能在高温下正常工作，因此可以提高切削速度，从而提高生产率。
MS2050的基体可以承受在切削区域
产生的高机械载荷该基体由细颗粒的碳化钨和高含量的钴组成，与F40M相比，该材质具有更高的韧性。结合高温耐磨涂层，MS2050是山高在大多数工况下铣削高温合金的首选材料。
与F40M相比，MS2050铣削材质更硬、更耐磨，允许在加工时提高速度及进给量，同时提供可预测和改善的刀具寿命。
MS2050 – 涂层和基体材质PVD 微晶镀层 (粉末颗粒尺寸 1,2μm)
涂层总厚度3μm
NbN氮化铌镀层
– 银白色表面涂层
– 避免高温下与工件材料间的化学反应
高韧性基体
– 新的基体构成
– 与F40M相比韧性和耐磨性均有改善
加工案例机床：DMG DMU125P 五轴加工中心
主轴：BT50 / 内冷
工件：航空发动机机匣
材料：Inconel718 (S3)
1、粗铣机匣凸台面、环带面刀体：R220.29I-0080-06.7A (Dc80; Z7)
刀片：RPHT1204M0T-6-M13, MS2050
刀柄：E3416 5525 2755
加工参数：
Vc=35m/min; fz=0.17mm/齿; ap=1.5mm; ae=80mm
S139; F166
结果：
金属去除率 Q = 19.9cm3/min
刀片寿命 T = 50 min
2、精铣外形面
铣刀：R220.69-0080-12-7AN (Dc80; Z7)
刀片：XOEX120408ZZR-M07, MS2050
XOEX120408R-M07, MS2050
刀柄：E3416 5525 2755
加工参数：
Vc=32m/min; fz=0.22mm/齿; ap=0.5mm; ae=80mm
S127; F196
结果：
金属去除率 Q=7.8cm3/min
刀片寿命 T=40min
欧士机陶瓷铣刀
近年来，高温合金被广泛应用在航空航天、动力能源技术上，但是高温合金熔点高、热传导率低、加工硬化严重的特点使得它的切削工具选择条件颇为苛刻。欧士机针对加工材料的特点推出陶瓷铣刀（Ceramic End Mill）来解决切削难题。
本款铣刀采用了即使在高温环境下也能高速加工的陶瓷材料，是一款超越硬质合金的高效铣刀。分为外周刃型和底刃型。
加工案例外周刃型（CM-RMS）
OSG的CM-RMS寿命明显较高，并且OSG的CM-RMS积屑少，仍能够继续使用。
底刃型（CM-CRE）
OSG的CM-CRE不受加工机械的Max转速限制，可达到最佳的切削速度，同时金属去除率也极高。
强不强，大家怎么看？