# [機製] Cutting - Tool Materials and Cutting Fluids

# 種類

這篇再討論刀具要用什麼東西做。有一大票材料可以選：


雖然列了一大票的東西，但是大致上來說，刀具材料需要有以下的要求：

1. 高溫的時候要保持一定硬度。
2. 可以耐衝擊：因為刀具跟工件接觸到的瞬間算是一種衝擊，所以不能撞上去就斷掉。
3. 耐熱應：我覺得這個滿明顯的。
4. 化性要好：不能溫度一高，刀具金屬裡面摻雜的的東西就跑走(然後性質就爛掉)。

這個表可以注意一下幾個比較特別的事：

1. 有一個很有趣的東西是「單晶鑽石」 single crystal dimand。硬度高到一個很 OP。
2. 不過，隨便一個東西的 impact strength 都比鑽石高，所以鑽石也是有弱的地方。
3. 另外注意熱傳系數，鑽石也是最高的。不過這也滿好懂的，因為小時後都學過鑽石的結構是共價網狀，所以分子振動(簡稱：熱)會很快傳遞出去。
4. 然後鑽石也很怕高溫，溫度太高就石墨化了。所以雖然硬度很高，但是局限性也滿高的。

# 溫度


可以注意到碳工具鋼大概三百多度就爛掉了，但是陶瓷將的很慢。但不管哪一種材料，大致上都是溫度越高，降得越多。

# 趨勢

綜合上面那些性質，可以歸納一下不同材料之間大致的性質趨勢是這樣：


這裡的趨勢太就像上面講的一樣，強度越強的材質大致上會越硬脆，所以韌性就會比差。

# 種類

## 高速鋼

[工材學的那個高速鋼](https://hackmd.io/s/r1S_ai5Mg#高速鋼：加入w-mo)。有鉬系跟鎢系。便宜，適合當成新手裝備。

除了鍛造、鑄造之外，也可以用粉末冶金的方式做刀具。

大致上來說是韌性比較高，但是硬度比較差的材料。

## 那個什麼一堆 Carbite 黏起來的東西

就是工材上到的那個什麼[工具用鑄造合金](https://hackmd.io/s/r1S_ai5Mg#工具用鑄造合金)，Stellite 之類的東西。

很硬，但是也很脆。所以有的 interrupting cutting 不利。而且這種場合也不難找，光銑床就是一種 inturrupting cutting (根本就是拿銑刀在撞工件吧～)。(不過車床是連續加工)

## 那個什麼碳化物粉燒結起來的東西

就是工材學到的[工具用燒結合金](https://hackmd.io/s/r1S_ai5Mg#燒結用硬質合金)。賽金剛/Widia什麼的。英文叫做 cemented/sintered carbide。

因為粉末冶金做起來很方便，所以使用很廣泛。

通常都是做一小片，可以鎖在車床上。這一小片東西如果一個角鈍掉了，可以轉一個角度繼續用。 n 邊形就有 n 個刃可以用。

鎖的方式大概有兩種，一種叫 clamp type


就是用夾的。另外一種叫做 insert type


就是刀片直接在槽上面鎖著。注意螺絲孔並不是在刀片正中央，而是稍微偏心一點點。這樣的好處是加工過程中，摩擦力造成的力矩會讓螺絲更緊貼。

### 型號

主要是 P, M, K 三種。有手冊可以查。


# Include Angle

就是刀刃的角度。


越細的刀具就越像針一樣，如果刀具材質又很脆的話，就要小心不要讓他斷掉。

除了刀具本身以外，也要考慮機器的震動效應、機器的勁度等等。比如說如果機器振動很劇烈，刀具有可能切到一半就斷掉，這時候就不宜用太細長的刀具。

# Coated Tool

就是表面度一層什麼東西

條件是
1. 摩擦力低：不然就車床就變成磨床惹～～
2. 要可跟原來的材料緊密結合：聽起來顯然。
3. 化性要穩：不要因為高溫而擴散然後壞失去本來的性質。
4. 不能有孔洞。

主要的材料有很多，不過我也記不起來就是了。另外值得注意的是 100 年來，這些材料的切削時間(某些程度來說就是耐久度)大概提升了 100 倍左右，大大的提升。

## 製程

就製程而言，有 CVD (Chemical-Vapor Deposition) 跟 PVD (Physical-Vapor Deposition)兩種方法。

不過好像也沒有多解釋什麼。

## 材料

不同的材料大致上性質像這樣：


### Titanium-Nitride Coating

主要特點是表面摩擦力很低，而且表面附著度很好。

下面這張示意圖是說有 coating 可以大量減少 flank wear：


不過我覺得這看起來像是我自己也畫得出來的東西(遭毆)。

### 陶瓷

特點是在高溫仍然可以維持穩定化性。但是熱傳導能力比較差。

### Multiphase Coating

就是多鍍幾層，每一層交錯使用不同材料。


### Chromiun Carbide

特點是可以抵抗切削附著。如果工件的材質很容易附著在其他刀具上，可以考慮用這種。

### Nano Layer Coating

啊就跟名字一樣啊。

### Ion Implination

把離子打到工件表層。好處是加工的過程不會影響刀具表面形狀(因為直接射進去嘛)(>////<)。比如說 Nitron-ion implant

目前有做到的是把氮原子植入合金鋼裡面。

### Alumina-based Ceramics

是硬度很接近鑽石的 coating 材料，而且兼具陶瓷耐高溫的能力，在高溫之下仍然可以保持硬度。

加入鈦的碳化物跟氧化鋅可以更進一步增加韌性。

### Cermet

金屬上放陶瓷顆粒，兼具兩者優點。不過因為很貴所以少用。

### Cubic Boron Nitride (CBN)

是一種接近鑽石的材料，但是化性而言，比鑽石減少高溫擴散到工件裡面的效應。再來是如果在 1000 度C 這種高溫之下，鑽石早就爛掉了，但是 CBN 的硬度還是可以維持得很好：


[這篇](http://www.gearsolutions.com/article/detail/5499/hard-choices-diamond-or-cbn)討論討論了鑽石與 CBN 的比較。我把比較重點的部分節錄出來：

>>CBN has the same crystal structure as diamond, except boron-nitrogen bonds replace the carbon-carbon bonds in diamond. This makes CBN less reactive at high temperatures. Boron atoms in CBN crystal have only three valence electrons. Nitrogen atoms in CBN crystal have five valence electrons, but two of five electrons will form a stable pair on the surface, leaving three valence electrons for bonding with boron. Therefore the surface of CBN contains a reduced amount of free "dangling" electrons, which makes CBN more stable at high temperature. CBN also doesn't contain the carbon, so it doesn't react with a metal group the way that diamond does.

### SiN

類似的方法，不過因為高溫會跟鐵起反應，溫度一高表面就擴散進加工的東西裡面了。所以不適合加工碳鋼。

### 鑽石

最硬，而且加工的精度跟表面光滑度是最好的，鏡面加工通常就要用它。不過壞處就是會擴散進去加工的東西裡面，因此碳鋼、鈦、鎳等等的金屬不適合。

### Whisker-reinforced

主要是用「複合材料」。主要可以耐熱，還有有一些傳統刀具沒有的性質。

## 成本考量

主要的要求是「進給速度」跟「洗消深度」兩個，而這個有很多影響的因素，比如說：機台種類、加工的工件、每一刃的切削量（比如說幾個爪之類的）（會影響表面粗糙度）、主軸轉速等等。

<!-- #### 材料 --->

<!---1. 高碳鋼：現在已經比較少用，
2. 高速鋼：自己去複習公財。切削速度可以是高碳鋼的兩倍以上
3. 非鐵鑄合金：(stella)俗稱「亮金」，可以耐高溫、耐磨耗，不過很脆。
4. 陶瓷：有很大的抗壓強度。切大理石
5. 陶瓷金屬：瓷金
6. 碳化硼/鑽石：最硬。不能用在鐵類的材料（因為會擴散進去）。--->

## 刀具維護

輕則精度會跑掉，重則空切削，然後就一直摩擦變熱而損壞機台。

刀具鈍掉的時候可以自己磨。不過如果有 coating 的材料，到時候可能要再 coating 一次。

至於要修復還是不修復？雖然每次修復比新買一隻便宜，不過如果壞太嚴重可能會修不好。這時候就新買一隻吧。

### 刀具挑選

講白話一點就是看 CP 值，看每單位切削長度可以需要多少錢。