金属切削刀具可靠性的研究毕业论文

1、 金属切削刀具可靠性的研究毕业论文 年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师: 摘要 金属切削刀具的切削性与几何参数有非常重要的关系，但能够决定刀具材料切削性能的基本身的强度和韧性。硬度和耐磨性，耐热性等。本文详细介绍了金属切削刀具的常用材料及其金属切削刀具的基本识的这些特征的分析使人们详细的了解每种刀具材料适宜加工的工件的材料，有助于帮助使用者合理的选择，以充分发挥刀具的切削性能和对金属切削刀具的可靠性研究Abstract The cutting of metal cutting tool geometry parameter and a very important relatio

2、nship,but to determine cutting tool material the basic body strength and toughness. The hardness and wear resistance, heat resistance. This paper introduces the commonly used metal cutting tool material and its typical brand of these features make it a detailed understanding of each tool material su

3、itable for processing the workpiece material, to help users choose reasonable, so as to give full play to the cutting performance of the cutting tool and the cutting tool reliability research目 录摘 要.2Abstract 3第一章 金属切削刀具的基本识 51.1切削运动及切削要素 5 1.2 切削用量 61.3切削层参数 81.4刀具的组成部分 91.5刀具的分类 10第二章 金属切削刀具的可靠性 11

4、2.1.1金属切削的技术特点 112.1.2金属切削刀具可靠性 14第3章 金属切削刀具材料现状及其展望 153.1 金属切削刀具材料现状及其展望 153.2 金属切削超硬刀具材料 18第四章 涂层材料对于刀具切可靠性的影响 194.1 涂层材料 204.2 涂层材料对刀具切削性能的改善21结论 22致谢 23参考文献 24一、零件表面的形成及切削运动 第一节 切削运动及切削要素 机器零件的形状主要由下列几种表面组成： （1）外圆面 （2）内圆面（孔） ： 外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动所形成的表面。 （3）平面 :平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移

5、运动所形成的表面。 （4）成形面 :成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动所形成的表面。 1主运动 主运动使刀具和工件之间产生相对运动，促使刀具前刀面接近工件而实现切削。它速度最高，消耗功率最大。 2进给运动 进给运动使刀具与工件之间产生附加的相对运动，与主运动配合，即可连续地切除切削，获得具有所需几何特性的已加工表面。 各种切削加工方法（车削、钻削、刨削、铣削、磨削和齿轮加工等）都是为了加工某种表面而发展起来的，因此，也都有其特定的切削运动。切削运动有旋转的，也有直行的；有连续的，也有间歇的。 切削时,实际的切削运动是一个合成运动其方向由合成切削速度角确定的。 切削用量 切

6、削用量用来衡量切削运动量的大小。 在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素。 1切削速度vc 切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度。单位为m/s或m/min. 若主运动为旋转运动，切削速度一般为其最大的线速度。可按下式计算： vc=dn/1000 m/s或m/min 式中： d工件或刀具的直径，mm； n工件或刀具的转速，r/s或r/min。 若主运动为往复直线运动（如刨削、插削等），则常以其平均速度为切削速度，即： vc=2Lnr/1000 m/s或m/min 式中 L 往复行程长度（mm） nr 主运动每秒或每分钟的往复次数，st/s或str/min

7、 2.进给量 刀具在进给运动方向上相对工件的位移量称为进给量。 用单齿刀具（如车刀、刨刀等）加工时，进给量常用刀具或工件每转或每行程，刀具在进给运动方向上相对工件的位移量来度量，称为每转进给量或每行程进给量，以f表示，单位为mm/r或mm/st （图1-3）。 用多齿刀具（如铣刀、钻头等）加工时，进给运动的瞬时速度称进给速度，以vf表示，单位为mm/s或mm/min。 刀具每转或每行程中每齿相对工件在进给运动方向上的位移量称每齿进给量，以fz表示，单位为mm/z。 每齿进给量、进给量和进给速度之间有如下关系： vf=fn=fzzn mm/s或mm/min 式中 n 刀具或工件转速，r/s或r/

8、min z 刀具的齿数。 3.背吃刀量ap 在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸，称为背吃刀量,单位mm。 车削时，可用下式计算： dp=（dw-dm）/2 mm 式中 dw 工件待加工表面直径（mm ）； dm 工件已加工表面直径（mm ） 切削层参数 切削层是指切削过程中，由刀具切削部分的一个单一动作（如车削时工件转一周，车刀主切削刃移动一段距离）所切除的工件材料层。 切削层决定了切屑的尺寸及刀具切削部分的载荷。切削层的尺寸和形状，通常是在切削层尺寸平面中测量的。 1切削层公称横截面积AD 在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实

9、际横截面积，单位为mm2。 2切削层公称宽度bD 在给定瞬间，作用主切削刃截形上两个极限点间的距离，单位为mm2。 3切削层公称厚度hD 在同一瞬间的切削层公称横截面积与其公称宽度之比，单位为mm。 由定义知： AD= bDhD mm 因AD不包括残留面积，而且在各种加工方法中AD与进给量和背吃刀量的关系不同，所以AD不等于f和ap的积。只有在车削加工中，当残留面积很小时才能近似地认为它们相等，即 ADfap mm2刀具的组成部分 刀面 刀头-切削部分 刀刃 刀尖 刀杆-用于装夹 前刀面Ar 切屑流出时经过的刀面 后刀面Aa 与加工表面相对的刀面 副后刀面Aa 与已加工表面相对的刀面刀具的分类

10、 (1)切刀 包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀等 (2)孔加工刀具 包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具(如钻-铰复合刀具)等。 (3)拉刀 包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀(如花键拉刀)等。 (4)铣刀 包括加工平面的圆柱铣刀、面铣刀等；加工沟槽的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片钝刀等；加工特形面的模数铣刀、凸(凹)圆弧铣刀、成形铣刀等。 (5)螺纹刀具 包括螺纹车刀、丝锥、板牙、搓丝板等。 (6)齿轮刀具 包括齿轮滚刀，蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。 (7)磨具 包括砂轮、砂带、砂瓦、油石和抛光轮等。 (8)其它刀具 包括数控机床专用刀具、自动线专用刀具等。 单刃(单

11、齿)刀具和多刃(多齿)刀具； 标准刀具(如麻花钻、铣刀、丝锥等)和非标准刀具(如拉刀、成形刀具等)； 定尺寸刀具(如扩孔钻、铰刀等)和非定尺寸刀具(如外圆车刀、直刨刀等)； 整体式刀具、装配式刀具和复合式刀具等 形状、结构和功能各不相同的各种刀具都有功能相同的组成部分 工作部分和夹持部分工作部分承担切削加工，夹持部分将工作部分与机床连接在一起，传递切削运动和动力，并保证刀具正确的工作位置金属切削刀具的可靠性切削力 切削时刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，这些力组成合力F，在外圆车削时,一般将这个切削合力F分解成三个互相垂直的分力（图3切削合力和分力）：切向力F它在切削速度方向上垂直于刀具

12、基面，常称主切削力；径向力F在平行于基面的平面内,与进给方向垂直,又称推力；轴向力F在平行于基面的平面内,与进给方向平行,又称进给力。一般情况下,F最大,F和F较小,由于刀具的几何参数刃磨质量和磨损情不同。切削过程中实际切削力的大小，可以利用测力仪测出。测力仪的种类很多，较常用的是电阻丝式和压电晶体式测力仪。测力仪经过标定以后就可测出切削过程中各个分力的大小。切削热切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。使用切削液时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出，其中切屑带走的热量最大，传向

13、刀具的热量虽小，但前面和后面上的温度却影响着切削过程和刀具的磨损情况，所以了解切削温度的变化规律是十分必要的。切削温度切削过程中切削区各处的温度是不同的，形成一个温度场切屑和工件的温度分布，这个温度场影响切屑变形、积屑瘤的大小、加工表面质量、加工精度和刀具的磨损等，还影响切削速度的提高。一般说来，切削区的金属经过剪切变形以后成为切屑,随之又进一步与刀具前面发生剧烈摩擦,所以温度场中温度分布的最高点不是在正压力最大的刃口处，而是在前面上距刃口一段距离的地方。切削区的温度分布情况，须用人工热电偶法或红外测温法等测出。用自然热电偶法测出的温度仅是切削区的平均温度。刀具磨损刀具的磨损和耐用度关系到切削

14、加工的效率、质量和成本。本文 从磨料磨损、冷焊磨损、扩散磨损、氧化磨损及热电磨损五个方 面，分析它们对不同材料刀具产生磨损的原因。刀具在切削过程中将逐渐产生磨损， 当刀具磨损达到一定程 度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改 变，甚至产生振动。同时，工件尺寸也可能超出公差范围，已加 工表面质量也明显恶化。 刀具的磨损和耐用度关系到切削加工的 效率、质量和成本，因此它是切削加工中极为重要的问题之一。 在切削过程中，前刀面、后刀面经常与切屑、工件接触，在 接触区里发生着强烈的摩擦，同时，在接触区里又有很高的温度 和压力。因此，前刀面和后刀面随着切削的进行都会逐渐产生磨 损。切削过

15、程中的刀具磨损具有下列特点：刀具与切屑、工件间 的接触表面经常是新鲜表面；接触压力非常大，有时超过被切削 材料的屈服强度；接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达 8001000，对于高速刀具可达 300600。在上述条件下工 作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种形式的综合作用 结果，可以产生以下几种磨损形式。 1.热电磨损 1.热电磨损 工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热 电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种在热电势的作用下产生的扩散磨损，称为“热电磨损”。试验证明， 若在工件、刀具接触处通以与热电势相反的电动势，可减少热电 磨损。 总之，在不同的工件

16、材料、刀具材料和切削条件下，磨损原 因和磨损强度是不同的。对于一定的刀具和工件材料，切削温度 对刀具磨损具有决定性的影响。 切削温度的高低取决于热的产生 和传出情况，它受切削用量、工件材料、刀具材料及几何开头等 影响。因此，通过合理选择切削用量、刀具材料及角度，可以减 少切削热的产生和增加热的传出。 有效地降低切削区温度是减少 刀具磨损的重要途径。 由于刀具磨损到一定程度， 将降低工件的尺寸精度和加工表 面质量，同时也将增加加工成本和刀具的消耗，因此，减少刀具 磨损具有十分重要的现实意义。 2.扩散磨损 2.扩散磨损 扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接 触过程中，双方的化学元

17、素在固态下相互扩散，改变了原来材料 的成分与结构，使刀具材料变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。 例如硬质合金切钢时，从 800开始，硬质合金中的化学元素迅 速地扩散到切屑、工件中去，WC 分解为 W 和 C 后扩散到钢中。 因切屑、工件都在高速运动，刀具表面和它们的表面在接触区保 持着扩散元素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。于是，硬 质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结相 CO 减少，又使硬质合金中硬质相(WC，TiC)的粘结强度降低。切屑、工件中的 Fe 则向 硬质合金中扩散，扩散到硬质合金中的 Fe，将形成新的硬度、 高脆性的复合碳化物。所有这些，都使刀具磨损加剧。除刀具、 工件材料自身的

18、性质以外，温度是影响扩散磨损的最主要因素。 扩散磨损往往与冷焊磨损、 磨料磨损同时产生， 此时磨损率很高。 高速钢刀具的工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散作用进行 得比较缓慢，故其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。 3.冷焊磨损 3.冷焊磨损 切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大的压力和 强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷焊。由于摩擦面之间有相对 的运动，冷焊结将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。 一般来说，工件材料或切屑的硬度较刀具材料的硬度低，冷 焊结的破裂往往发生在工件或切屑这方。但由于交变能力、接触 疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结的破裂也可 能发生在刀具

19、这一方，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而 造成刀具磨损。 冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严重。研究表 明：脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；相同的金属或晶格类 型、晶格间距、电子密度、电化学性质相近的金属冷焊倾向小； 金属化合物比单相固熔体冷焊倾向小； 化学元素周期表中 B 族元 素比铁的冷焊倾向小。 在高速钢刀具的正常工作速度和硬质合金刀具偏低的工作速度下，正能满足产生冷焊的条件，故此时冷焊磨损所占的比重 较大。提高切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。 4.磨料磨损 4.磨料磨损 切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但它们当中经常含 有一些硬度极高的微小的硬质点，可在刀具表面刻

20、划出沟纹，这 就是磨料磨损。硬质点有碳化物(如 Fe3C、TiC、VC)、氮化物(如 TiN、Si3N4)、氧化物(如 SiO2、Al2O3)和金属间化合物等。切 削中的 Ti(N、C)颗粒在刀具上起了耕犁作用。除了前刀面会有 磨料磨损的现象，在后刀面上，同样可以发现有由于磨料磨损而 产生的的沟纹。磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切 削的刀具(如拉刀、扳牙等)，磨料是磨损的主要原因。这是由于 低速切削时，切削温度比较低，其他原因产生的磨损并不显著， 因而不是主要的。高速钢刀具的硬度和耐磨度低于硬质合金、陶 瓷等，故其磨料磨损所占的比重较大。 5.氧化磨损5.氧化磨损 当刀削温度达 70

21、0800时，空气中的氧便与硬质合金中 的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如 Co3O4、CoO、WO3、TiO2 等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这 称为氧化磨损。氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越 低，则磨损越快；反之则可减轻这种磨损。一般，空气不易进入 刀屑接触区，氧化磨损最容易在主副刀削刃的工作边界处形成 刀具在切削时的磨损是切削热和机械摩擦所产生的物理作用和化学作用的综合结果。刀具磨损表现为在刀具后面上出现的磨损带、缺口和崩刃等，前面上常出现的月牙洼状的磨损，副后面上有时出现的氧化坑和沟纹状磨损等。当这些磨损扩展到一定程度以后就引起刀具失效，不能继续使用。刀

22、具逐渐磨损的因素，通常有磨料磨损、粘着磨损、扩散磨损、氧化磨损、热裂磨损和塑性变形等。在不同的切削条件下，尤其是在不同切削速度的条件下，刀具受上述一种或几种磨损机理的作用。例如，在较低切削速度下，刀具一般都因磨料磨损或粘着磨损而破损；在较高速度下，容易产生扩散磨损、氧化磨损和塑性变形。刀具寿命刀具由开始切削达到刀具寿命判据以前所经过的切削时间叫做刀具寿命(曾称刀具耐用度)，刀具寿命判据一般采用刀具磨损量的某个预定值，也可以把某一现象的出现作为判据，如振动激化、加工表面粗糙度恶化，断屑不良和崩刃等。达到刀具寿命后，应将刀具重磨、转位或废弃。刀具在废弃前的各次刀具寿命之和称为刀具总寿命。生产中常根

23、据加工条件按最低生产成本或最高生产率的原则，来确定刀具寿命和拟定工时定额。切削加工性指零件被切削加工成合格品的难易程度。它根据具体加工对象和要求，可用刀具寿命的长短、加工表面质量的好坏、金属切除率的高低、切削功率的大小和断屑的难易程度等作为判据。在生产和实验研究中，常以作为某种材料的切削加工性的指标，它的含义是：当刀具寿命为分钟时,切削该材料所允许的切削速度。越高，表示加工性越好,一般取60、30、20或10分钟。加工表面质量通常包括表面粗糙度加工硬化残余应力、表面裂纹和金相显微组织变化等。切削加工中影响加工表面质量的因素很多，例如刀具的刀尖圆弧半径进给量和积屑瘤等是影响表面粗糙度的主要因素;

24、刀具的刃口钝圆半径和磨损及切削条件是影响加工硬化和残余应力的主要因素。因此，生产中常通过改变刀具的几何形状和选择合理的切削条件来提高加工表面质量。切削振动切削过程中，刀具与工件之间经常会产生自由振动、强迫振动或自激振动(颤振)等类型的机械振动。自由振动是由机床零部件受到某些突然冲击所引起，它会逐渐衰减。强迫振动是由机床内部或外部持续的交变干扰力（如不平衡的机床运动件、断续切削等）所引起，它对切削产生的影响取决于干扰力的大小及其频率。自激振动是由于刀具与工件之间受到突然干扰力（如切削中遇到硬点）而引起初始振动，使刀具前角、后角和切削速度等发生变化，以及产生振型耦合等，并从稳态作用的能源中获得周期

25、性作用的能源，促进并维持振动。通常，根据切削条件可能产生各种原生型自激振动，从而在加工表面上留下的振纹，又会产生更为常见的再生型自激振动。上述各种振动通常都会影响加刀表面质量，降低机床和刀具的寿命，降低生产率，并引起噪声，极为有害，必须设法消除或减轻。切屑控制指控制切屑的形状和长短。通过控制切屑的卷曲半径和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半径被迫加大，促使切屑中的应力也逐渐增加,直至折断切屑的卷曲半径可以通过改变切屑的厚度、在刀具前面上磨制卷屑槽或断屑台来控制，其排出方向则主要靠选择合理的主偏角和刃倾角来控制。现代人们已能用两位或三位数字编码的方式来表示各种切屑的形状，通常认

26、为短弧形切屑是合理的断屑形状。切削液 也称冷却润滑液，用于减少切削过程中的摩擦和降低切削温度，以提高刀具寿命、加工量和生产效率。常用的切削液有切削油、乳化液和化学切削液3类。生产应用在设计和使用机床和刀具时，需要应用切削原理中有关切削力、切削温度和刀具切削性能方面的数据。例如，在确定机床主轴的最大扭矩和刚性等基本参数时,要应用切削力的数据;在发展高切削性能的新材料时，需掌握刀具磨损和破损的规律;在切削加工中分析热变形对加工精度的影响时,要研究切削温度及其分布；在自动生产线和数字控制机床上，为了使机床能正常地稳定工作，甚至实现无人化操作,更要应用有关切屑形成及其控制方面的研究成果,并在加工中实现

27、刀具磨损的自动补偿和刀具破损的自动报警。为此，各国研制了品种繁多的在线检测刀具磨损和破损的传感器，其中大多数是利用切削力或扭矩、切削温度、刀具磨损作为传感信号。此外，为了充分利用机床，提高加工经济性和发展计算机辅助制造(CAM),常需要应用切削条件、刀具几何形状和刀具寿命等的优化数据。因此，金属切削原理这门学科在生产中的应用日益广泛，各国都通过切削试验或现场采集积累了大量的切削数据，并用数学模型来表述刀具寿命、切削力、功率和加工表面粗糙度等同切削条件之间的关系，然后存入计算机,建立金属切削数据库或编制成切削数据手册,供用户查用。 数控刀具的可靠性在切削过程中，刀具磨损刀一定程 度，刀刃崩刃或破

28、损，刀刃卷刃（塑变）时，刀具丧失其切削能力或无法保证加工质量。 刀具可靠性分析在规定的切削条件和时间内完成额定工作的能力 （具有统计特征和随机特征） 刀具耐用度 在规定的条件和时间内完成额定工作的概率 R（t）+F(t)=1 指刀具能达到规定的可靠度r时的耐用度，即 可靠耐用度 R(tr)=r 则tr=R(t) 金属切削刀具材料现状及其展望随着全球机加工水平的不断进步，刀具生产制造技术的也在逐步发展，从刀具材料方面来讲，近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、立方氮化硼等超硬刀具材料，使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。 随着数控机床和难加工材料的不断发展，刀具实有

29、难以招架之势。要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。在影响金属切削发展的诸多因素中，刀具材料起着决定性作用。高速钢高速钢自1900年面世至2000年，尽管各种超硬材料不断涌现，但始终未能动摇其切削刀具的霸主地位，2000年以后硬质合金已成为高速钢的“天敌”,正在持续不断地侵蚀着高速钢刀具的市场份额，但对于某些如螺纹刀具、拉削刀具等对韧性要求较高的刀具，高速钢仍可与硬质合金“分庭抗礼”,甚至占明显优势。据有关方面统计分析，2004年我国生产高速钢7.8万吨，几乎占全球产量的50%,生产了约25亿件刀具，其中近20亿件低档出口。2005年全国高速钢产量8.3万吨，其中低合金高速钢（钨当

30、量6%12%）占40%左右，刀具的生产、销售情况和2004年差不多。从整体形势分析，目前最突出的矛盾是低档产品恶性膨胀，而高档产品严重短缺，或者说高端失守、低端混战，倘任其自由发展，高速钢刀具在切削领域的地位只会越来越低，甚至退出，将市场拱手让给外国佬。人们习惯上将高速钢分为四大类：1）通用高速钢（HSS）以W18Cr4V为代表的HSS曾辉煌过一个世纪，为我国刀具行业做出过杰出的历史性贡献，但由于还存在不少弊端，现已逐步淡出市场；M2钢的市场份额已由上世纪90年代的60%70%下降到目前的20%30%;9341是我国自行研制的HSS,市场份额占20%左右，W7、M7等其他HSS产量比较低。HS

31、S已占高速钢总量60%以上。由于HSS的强韧性和较高的耐磨性、红硬性等优异性能，在丝锥、拉刀等刀具领域，还会牢牢守住一块地盘，不过阵地在逐年减少。2）高性能高速钢（HSS-E）HSS-E是指在HSS成分基础上加入Co、Al等合金元素，并适当增加含碳量，以提高耐热性、耐磨性的钢种。这类钢的红硬性比较高，经6254h后硬度仍保持60HRC以上，刀具的耐用度为HSS刀具的1.53倍。以M35、M42为代表的HSS-E产量逐年在增加，501是我国自产的高性能高速钢，在成形铣刀、立铣刀等方面应用十分普遍，在复杂刀具方面应用也比较成功。由于数控机床、加工中心、高难加工材料发展迅速，HSS-E刀具材料亦逐步

32、增加。3）粉末高速钢（HSS-PM）和冶炼高速钢相比，HSS-PM力学性能有显着的提高。在硬度相同的条件下，后者的强度比前者高20%30%,韧性提高1.52倍，在国外应用十分普遍。我国在上世纪70年代曾研制出多种牌号的HSS-PM,并投入市场，但不知何故夭折，现在各工具厂所用材料均系进口。值得欣喜的是，河冶科技股份有限公司（原河北冶金研究院）已能生产HSS-PM,并小批量供货，效果不错。由于资源日益枯竭和HSS-PM自身优良的综合性能及市场的需求，HSS-PM必将会有一个长足的进步。4）低合金高速钢（DH）由于合金资源越来越少、成套麻花钻出口及低速切削工具的需要，钢厂和工具厂共同开发出301、

33、F205、D101等多种牌号的DH.2003年我国生产高速钢6万吨，其中DH两万吨，占高速钢的1/3;2004年DH占高速钢的40%,2005年、2006年仍呈增长势头。但其中水分不少，有些根本不属高速钢，硬度也达不到63HRC,也被标以HSS.硬质合金机械制造业需要“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的经营理念，在当代刀具制造和使用领域，“效率第一”的理念已经取代了传统的“性能价格比”老概念，这一变化为高技术含量的高效刀具的发展扫清了障碍。 硬质合金不仅具有较高的耐磨性，而且韧性也较高（和超硬材料相比），所以得到广泛的应用，展望未来，它仍然是应用最广泛的刀具材料。从历届机床工具博览会上可以看

34、出，硬质合金可转位刀具几乎覆盖了所有的刀具品种。随着科学技术的发展和刀具技术的进步，硬质合金的性能得到很大改善：一是开发了提高韧性的12m细颗粒硬质合金；二是开发了涂层硬质合金。与高速钢刀具相比，硬质合金涂层刀具的市场份额增长幅度更大，因为在高温和高速切削参数下，高强度更为重要。 现代切削刀具，硬质合金大展其威，展望未来，刀具材料无疑是硬质合金的天下。 超硬刀具材料超硬材料是指以金刚石为代表的具有很高硬度物质的总称。超硬材料的范畴虽没有一个严格的规定，但人们习惯上把金刚石和硬度接近于金刚石硬度的材料称为超硬材料。1）金刚石金刚石是目前世界上已发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性

35、和高导热性等性能，在有色金属和非金属加工中得到广泛的应用，尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。近年来，由于数控机床的普及和数控加工技术的高速发展，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及。金刚石刀具现在和将来都是数控加工中不可缺少的重要刀具。2）立方氮化硼（CBN）立方氮化硼是氮化硼的同素异构体，其结构与金刚石相似，硬度高达80009000HV,耐热度达1400，耐磨性好。近年来开发的多晶立方氮化硼（PCBN）是在高温高压下将微细的CBN颗粒通过结合相烧结在一起的多晶材料，既能胜任淬硬钢（

36、4565HRC）、轴承钢（6064HRC）、高速钢（6366HRC）、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。3）陶瓷刀具 陶瓷刀具是最有发展潜力的刀具之一，目前已引起世界工具界的重视。在工业发达的德国，约70%加工铸件的工序是由陶瓷刀具来完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%10%.由于数控机床、高效无污染切削、被加工材料硬等因素，迫使刀具材料必须更新换代，陶瓷刀具正是顺乎潮流，不断改革创新，在Al2O3陶瓷基体中添加20%30%的SiC晶液制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹扩展

37、方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。为了提高纯氧化铝陶瓷的韧性，加入含量小于10%的金属，构成所谓金属陶瓷，这类刀具材料具有强大的生命力，正以强劲势头向前发展，也许将来会自成一系，成为刀具材料家族新成员。陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等，它们是地壳中最富足的资源，发展此类刀具不存在原料来源问题。因此，开发应用陶瓷刀具有重要的战略意义和深远的历史意义。由于切削加工机床和切削技术的突飞猛进，迫使刀具被动式同步。刀具材料的发展趋势，是向着高效率、高速度、高寿命方向发展。在各种刀具材料的发展中，硬质合金（包括涂层硬质合金）一枝独秀；HSS将进一步萎缩；

38、HSS-E增幅缓慢；HSS-PM将有长足的进步；DH还会继续膨胀扰乱市场，不过好景不长；超硬刀具材料有广阔的发展空间，将继续扩大应用比例。形成了以硬质合金为主线，各种材料既有独特的优点和应用范围，又互相发展、互相竞争，又相互有所取代补充的整体格局。涂层材料在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。刀具性能 的两个关键指标硬度和强度(韧性)之间似乎总是存在着矛盾， 硬度高的材料往往强度和 韧性低， 而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。 在较软的刀具基体上涂覆一层或多层 硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如 TiC、TiN、Al2O3 等)组成的涂层刀具，

39、较 好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的矛盾，是切削刀具发展的一次革命。 涂层刀具是近 20 年来发展最快的新型刀具。 目前工业发达国家涂层刀具已占 80%以上， CNC 机床上所用的切削刀具 90%以上是涂层刀具。 涂层刀具、涂层材料及涂层方法 涂层刀具的特点 涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐 磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显 的经济效益。 一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用， 因而可以大大减少刀具的品种和 库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因 基体材料

40、和涂层材料性质差别较大， 涂层残留内应力大， 涂层和基体之间的界面结合强度低， 涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂 贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。 常用的涂层材料及性质 常用的涂层材料 常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复 合涂层八大类数十个品种。根据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型 和离子键型。 涂层材料的性质 金属键型涂层材料(如 TiB2、TiC、TiN、VC、WC 等)熔点高、脆性低、界面结合强度高、 交互作用趋势强、多层匹配性好，具有良好的综合性能，是最普通的涂

41、层材料。共价键型涂 层材料(如 B4C、SiC、BN、金刚石等)硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定 性和多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度 不太高。 在这些涂层材料中，用的最多的是 TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层。 TiC 耐磨性好， 能有效地提高刀具的抗月牙洼磨损能力， 适合于低速切削及磨损严重的场合： TiN 涂层具有低的摩擦系数，润滑性能好，能减少切削热和切削力，适合于产生融合和磨损 的切削：Al2O3 的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比 TiC 和 TiN 好，月牙洼磨损率低。涂层材料对于刀具切可靠性的影响对刀具进行

42、涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。近十年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料多达种，有的刀具在刀体上的涂层多达层。涂层工艺也越来越成熟，随着材料科学技术的发展，现已解决了涂层与基体材料结合强度低的技术难题。涂层刀具分两大类：一类是“硬”涂层刀具，如，和 等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中涂层刀具抗后刀面磨损的 能力特别强，而涂层刀具则有较高的抗“月牙洼磨损能力。另一类是“软”涂层刀具，如：，等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具【 ， 它与工件材料的摩擦系数很低，只有左右，能有效减少切削力和降低切削温度。 例如瑞士开发的“”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层。切削实验表明： 未涂

43、层丝锥只能加工个螺孔；用涂层丝锥时可加工个螺孔，而 涂层的丝锥可加工个螺孔。高速钢和硬质合金经过涂层处理后【，可以 用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的刀具，在经过涂层处理后也可用 来加工钢、铝合金和其他超硬合金。 实际上，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔 离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。 表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用， 因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。涂层和 软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性， 又有摩擦系数小、切屑易流出

44、的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术 中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。刀具几何形状设计 千切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液， 刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角， 但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。在韧性较好的刀具（刀片）基体上进行表面涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层（如 TiN、TiC等），使刀具（刀片）具有全面、良好的综合性能。未涂层高速钢的硬度仅为6268HRC（760960HV），硬质合金的硬度仅为 8993.5HRA（13001850HV）；而涂层后的表面硬度可达20003000HV以上。 由于表面涂层材料具有很 高的硬度和耐磨性，且耐高温。故与未涂层的刀具（刀片）相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀 具寿命。 由于涂层材料与