金属切削原理与刀具设计课件2刀具材料课件

1、第二章第二章 刀具材料刀具材料金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性刀具材料对刀具的寿命、加工质量、切削效率和制造成本均有较大的影响刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动 图2-2 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼 （PC

2、BN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-3 刀具材料的耐磨性与断裂韧性 刀具材料种类很多，常用的有：刀具材料种类很多，常用的有：v碳素工具钢碳素工具钢v合金工具钢合金工具钢v高速钢高速钢v硬质合金硬质合金v陶瓷陶瓷v金刚石（天然和人造）金刚石（天然和人造）v立方氮化硼等立方氮化硼等 （风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可得到高硬度。 （锋钢）刃容锋利。 （白钢）磨光后，表面光亮。 再加入一些合金、性能高。如W6MoSCr4V2、W6MoSCr4V3，比通用型高速钢具有更好的切

3、削性能，适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钍合金和高强度铡等难加工材料。 制造工艺不同，其性能优于上述的高速钢 。钨钢 W18Cr4V（1841）此牌号国内普遍使用，性能稳定，刃磨、热处理工艺控制较方便，国外钨价高，很少使用。综合性能好，600，HRC48.5，用以制造各种复杂刀具。 优点：（1）淬火时过热倾向小。（2）含钒少，磨加工性好。（3）碳化物含量高，塑性变形抗力较大 缺点：（1）碳化物分布不均匀，剩余碳化物颗粒大（最大30m），影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度。（2）强度和韧性，显得不够，此材料直径30mm，抗弯强度3.5Ga ； 直径6080mm，抗弯强度22.3Ga， 适宜做小截

4、面刀具，此时强度，韧性才是满意的。（3）热塑性差，很难用作热成形法制造的刀具（如热轧钻头）。钨钼钢 W6M05Cr4V2（6542），因为缺钨而产生优点（1）合金元素少，减少了碳化物数量及分布不均匀性，有利于提高高温塑性、抗弯强度、冲击韧性，抗弯强度比W18高1015%，韧性高5060%。 （2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承受冲击力较大的刀具。缺点 淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性大，主要用于热轧刀具（扭槽，麻花钻）表面化学处理：提高刀具的切削性能 如：（氧氮化处理）：将刀具成品置于氨气和水蒸气的混和体中，540560保温12小时，形成0.003mmFe3O4氧化膜，内层为氧、氮、碳扩散层

5、：厚0.03-0.05mm。HV1000以上，耐用度提高60%-70%。涂层：物理气相沉积TiN涂层 550以下高真空下进行，钛气化与氮反应，生成TiN（0.002mm），HRC80以上，切削力，切削温度下降25%，Vf提高一倍，耐用度显著提高。重磨后，性能仍优于普通高速钢。表2-1 常用高速钢牌号及其应用范围类别牌 号主 要 用 途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18 Cr4

6、V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4 Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3 Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非

7、铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加

8、工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV

9、30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、

10、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。

11、聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在10

12、00的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分三类：P类：用于加工长切屑的黑色金属，如普通碳钢、合金钢等，相当于我国的YT类。牌号有P01、P10、P20、P30、P50等。精加工可用P01，半精加工选用Pl0、P20，粗加工宜用P30。K类：

13、用于加工短切屑的黑色金属，有色金属和非金属材料，相当于我国的YG类。其牌号有K01、K10、K20、K30、K40等，精加工可用K01，半精加工选用K10，粗加工宜用K30M类：具有较好的综合切削性能，用于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属，如普通碳钢、铸钢、冷硬铸铁、耐热钢、高锰钢、有色金属等，相当于我国的YW类。其牌号有M10、M20、M30、M40，精加工可用M10，半精加工选用M20，粗加工宜用M30 现代加工材料中 9095%可用P和K类硬质合金加工，510%可用M类硬质合金加工。YG：钨钴类硬质合金 （WC+Co）硬质合金 主要牌号：YG3x、YG6x、YG6、YG8，分别含Co为

14、3%、6%、6%、8%特点：抗弯强度与韧性比YT高，导热性高，加工性好，刃口容易磨得锋利，硬度差。Co越高韧性越好，用于粗加工，反之Co越低，用于精加工。适宜加工材料：铸铁、有色金属和非金属材料。YT：钨钛钴类（WC+TiC+ Co） 主要牌号 YT5、YT14、YT15、YT30数字为TiC含量。碳化钛含量分别为：5%、14%、15%、30%。 钴含量分别为：10%、8%、6%、4%。适宜加工材料：钢 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶

15、及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石

16、微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、

17、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。表2-2 各种硬质合金的应用范围牌 号应 用 范 围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的

18、半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬

19、度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度是以AL2O3为主要成份，在高温下，烧结而成的一种刀具材料。v常用陶瓷包括： 1）纯AL2O3陶瓷 2）AL2O3TiC混和陶瓷很高的硬度与耐磨性，HRA9195，高于硬质合金。使用良好时，有很高的耐用度。很高的耐热性，760 HRA87， 1200 HRA80，切削速度比硬质合金高25倍，抗弯强度，韧性下降极小。很高的化学稳定性，与金属亲和力小， 抗粘结，抗扩散，抗氧化能力强。较低的摩擦系数，切屑不易粘刃，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度较小。天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀

20、具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV 30004500，耐热性达1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120