刀具材料及性能介绍

1、（3）优良导热性和耐热性）优良导热性和耐热性（2）高强度与强韧性）高强度与强韧性2.5 刀具材料 2.5.1 刀具材料的基本要求刀具材料的基本要求v刀具材料需满足一些刀具材料需满足一些基本要求基本要求 ：（1）高硬度和耐磨性）高硬度和耐磨性刀具材料耐热性刀具材料耐热性是衡量刀具切削是衡量刀具切削性能的主要标性能的主要标志志 ，通常用高，通常用高温下保持高硬度温下保持高硬度的性能来衡量，的性能来衡量，也称热硬性也称热硬性（4）良好的工艺性与经济性）良好的工艺性与经济性（1）高硬度和耐磨性）高硬度和耐磨性v刀具是从工件上去除材料，刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必所以刀具材料的硬度必须高

2、于工件材料的硬度。须高于工件材料的硬度。v刀具材料刀具材料最低硬度最低硬度应在应在60HRC以上。以上。v对于对于碳素工具钢碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；以上；高速钢高速钢硬度为硬度为63HRC70HRC；硬硬质合金刀具质合金刀具硬度为硬度为89HRC93HRC。 A、刀具耐、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。磨性是刀具抵抗磨损能力。v一般刀具一般刀具硬度硬度越高，越高，耐磨性耐磨性越好。越好。v刀具金相组织中刀具金相组织中硬质点硬质点（如碳化物、氮化物等）越（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨

3、性越好耐磨性越好。（2）高强度与强韧性）高强度与强韧性v刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。力。v如车削如车削45钢，在背吃刀量钢，在背吃刀量ap4，进给量，进给量f 0.5/r的条件下，刀片所承受的的条件下，刀片所承受的切削力达切削力达到到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。强度和较强的韧性。v一般刀具材料的韧性用冲击韧度一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。映刀具材料抗脆性和崩刃能力。（3）优良导热性和耐热性）优良导热性和耐热性vA、刀具导热性好，表示切削产

4、生的热量容易传导、刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。v刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。也强。vB、刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标、刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性热硬性。v刀具材料刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。塑性变形能力、抗磨损能力越强。（4）良好的

5、工艺性与经济性）良好的工艺性与经济性v刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。形等功能。v经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要刀具时，要考虑经济效果考虑经济效果，以降低生产成本。，以降低生产成本。2.5.2 普通刀具材料普通刀具材料v2.5.2 普通刀具材料普通刀具材料v1高速钢高速钢v（1）概念概念：v高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元高速钢

6、是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢素较多的工具钢 v（2）性质性质：v、高速钢具有良好的热稳定性、高速钢具有良好的热稳定性 v、高速钢具有较高强度和韧性、高速钢具有较高强度和韧性 v、高速钢具有一定的硬度、高速钢具有一定的硬度(6370HRC)和和耐磨性耐磨性 v（3）高速钢的分类）高速钢的分类v 、普通高速钢、普通高速钢v A、钨系高速钢（简称钨系高速钢（简称 W18）v优点优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。 v缺点缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。强，热塑性差

7、，不宜制造成大截面刀具。 v B、钨钼钢钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢 ）v优点优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性：减小了碳化物数量及分布的不均匀性 。v缺点缺点：高温切削性能和：高温切削性能和W18相比稍差。相比稍差。 v 、高性能高速钢、高性能高速钢 v优点优点：具有较强的耐热性，：具有较强的耐热性，刀具耐刀具耐用度是普通高速钢的用度是普通高速钢的1.53倍倍 。 v缺点缺点：强度与韧性较普通高速钢：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。低，高钒高速钢磨削加工性差。v适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、

8、钛合金、超高强度钢等难加温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。工材料。 、粉末冶金高速钢、粉末冶金高速钢 v优点：优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达硬度，硬度值达6970HRC；v保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；v磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高23倍；倍；v耐磨性好。耐磨性好。 v适于制造切削适于制造切削难加工材料难加工材料的刀具、大尺寸刀具的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复

9、杂刀具。的复杂刀具。v2硬质合金硬质合金v（1）硬质合金组成硬质合金组成v硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。冶金方法制成。v（2）硬质合金的）硬质合金的性能特点性能特点v硬质合金硬质合金优点优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好含量高，热熔性好 ,热硬性好，切削速度高。热硬性好，切削速度高。v硬质合金硬质合金缺点缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的强。抗弯强度只有高速钢的1/31/2，冲击韧性只，冲击韧性只有高速钢的有高速钢的

10、1/41/35。v硬质合金硬质合金力学性能：力学性能：主要由组成硬质合金碳化物的主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。 v（2）普通硬质合金的种类、牌号及适）普通硬质合金的种类、牌号及适用范围用范围v按其化学成分的不同按其化学成分的不同可分为可分为 ：v、钨钴类钨钴类（WC+Co）（合金代号为（合金代号为YG，对应于国标对应于国标K类类 ）v合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；工；v钴含量低，适于精加工。钴含量低，适于精加工。 、钨钛钴类钨钛钴类v钨钛钴类钨钛钴类（WC+TiC+

11、Co）（合金代号为（合金代号为YT，对应于国标，对应于国标P类类 ）v此类合金有较高的硬度和耐热性，主要此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。 v合金中合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低但强度降低 粗加工一般选择粗加工一般选择TiC含量少的含量少的牌号，精加工选择牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。含量多的牌号。、钨钛钽（铌）钴类钨钛钽（铌）钴类v钨钛钽（铌）钴类钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（）（合金代号为合金代号为YW，对应于国标，对应于国标M类）类）

12、v适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。工。v、碳化钛基类碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）合金代号合金代号YN，对应于国标，对应于国标P01类。类。v用于精加工和半精加工，对于用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。载荷的粗加工和低速切削。（3）超细晶粒硬质合金）超细晶粒硬质合金 v超细晶粒硬质合金多用于超细

13、晶粒硬质合金多用于YG类合金，它类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢。钢。v适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。加工高硬度难加工材料。2.5.3 特殊刀具材料特殊刀具材料v1陶瓷刀具陶瓷刀具v（1）材料组成：材料组成：主要由硬度和熔点都很高的主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶

14、金工艺方法制粉，再压制烧结而成。冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。 v（2）常用种类：常用种类：Al2O3基陶瓷和基陶瓷和Si3N4基陶瓷基陶瓷v（3）优点：优点：有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，比硬质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面光洁度。表面光洁度。 v（4）缺点：缺点：强度和韧性差，热导率低。陶瓷最强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。v（5）适用范围：适用范围：高速精

15、细加工硬材料高速精细加工硬材料。 v2金刚石刀具金刚石刀具v（1）分类：分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。刀具；复合聚晶金刚石刀具。 v（2）优点：优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的，耐磨性是硬质合金的6080倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。面加工；很高的导热性。v（3）缺点：缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。动很敏感。v（4）适用范围：适用范围：用

16、于高速条件下精细加工有色用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。金属及其合金和非金属材料。 v3立方氮化硼刀具立方氮化硼刀具v（1）概念）概念：立方氮化硼（简称：立方氮化硼（简称CBN）是由六方）是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。氮化硼为原料在高温高压下合成。v（2）优点）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。v（3）缺点）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的瓷刀具的1/51/2。 v（4）适用范围）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、

17、冷：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。通常采用负前角的高速切削。2.5.4 涂层刀具涂层刀具v（1）概念：概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。金属化合物而制成。v（2）常用的）常用的涂层材料涂层材料有：有：TiC、TiN、Al2O3等等 v（3）涂层形式：涂层形式：

18、可以采用单涂层和复合涂层可以采用单涂层和复合涂层 v（4）优点：优点：涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性性能，因此具有较高的耐磨性 v（5）适用范围：适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。给量很小的精密切削。课堂问题避免积屑瘤的发生的措施？避免积屑瘤的发生的措施避免积屑瘤的发生的措施P45v、首先从加工

19、前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，提高提高零件零件材料材料的的硬度硬度，降低降低材料的材料的加工硬化加工硬化。v、调整、调整刀具刀具角度，角度，增大前角，增大前角，从而减小切屑对刀具前从而减小切屑对刀具前刀面的压力。刀面的压力。v、调低调低切削速度切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面使切削层与刀具前刀面接触面温度温度降低，避免粘结现象的发生。降低，避免粘结现象的发生。或采用或采用较高的切削速度，较高的切削速度，增加切削温度，因为增加切削温度，因为温度高到一定程度，温度高到一定程度，积屑瘤也不会积屑瘤也不会发生。发生。v、更换、更换切削液切削液，

20、采用润滑性能更好的切削液，减少切，采用润滑性能更好的切削液，减少切削摩擦。削摩擦。影响切削变形的因素问题？影响切削变形的因素问题？v1随着工件材料强度的增大，切屑的随着工件材料强度的增大，切屑的变形如何变化？变形如何变化？ v2当当刀具刀具前角前角O增大时，金属切屑的增大时，金属切屑的变形趋势？变形趋势？v刀尖刀尖圆弧半径圆弧半径越大越大，表面的切削变形是表面的切削变形是增大还是减小？增大还是减小？1工件材料工件材料v通过试验，可以发通过试验，可以发现工件材料强度和现工件材料强度和切屑变形有密切的切屑变形有密切的关系。关系。v从图可以看出，从图可以看出，随随着工件材料强度的着工件材料强度的增大

21、，切屑的变形增大，切屑的变形越来越小。越来越小。 变形系数材料强度图图2-10 材料强度对变形系数的影响材料强度对变形系数的影响 2刀具几何参数刀具几何参数v由由图图2-7可以看到，当可以看到，当刀具刀具前角前角O增大时，增大时，沿刀面流出沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的的金属切削层将比较平缓的流出，流出，金属切屑的变形也会金属切屑的变形也会变小。变小。v刀尖圆弧半径对切削变形也刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，有影响，刀尖刀尖圆弧半径圆弧半径越大越大，表明刀尖越钝，对加工表面表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，挤压也越大，表面的切削变表面的切削变形也越大形也越大。v1、切削速度、切削速度c

22、、进给量、进给量f 、背吃刀量背吃刀量ap哪一个对温度的哪一个对温度的影响最显著？说明影响最显著？说明原因？原因？v2、前角前角o对切削温度的影响？对切削温度的影响？v3、主偏角、主偏角r对切削温度的影响？对切削温度的影响？v4、材料的、材料的强度与硬度增大强度与硬度增大时，切削时，切削温度升高还是降低？温度升高还是降低？（1）切削用量）切削用量v经验公式经验公式：高速钢刀具：高速钢刀具(加工材料加工材料45钢钢)： v 140170a f v v 硬质合金刀具硬质合金刀具(加工材料加工材料45钢钢)： v 320a f v v切削用量三要素切削用量三要素c、 ap 、f中，中，v切削速度切削

23、速度c对温度的对温度的影响最显著影响最显著，因为，因为指数最大指数最大，切削，切削速度增加一倍，温度约增加速度增加一倍，温度约增加32；v其次是进给量其次是进给量f ，进给量增加一倍，温度约升高，进给量增加一倍，温度约升高18，v背吃刀量背吃刀量ap影响最小影响最小，约，约7。v主要的原因是主要的原因是速度增加速度增加，使，使摩擦热增多摩擦热增多；vf增加增加，切削变形减小，切削变形减小，切屑切屑带走的热量带走的热量也增多，所以也增多，所以热量增加不多；热量增加不多；v背吃刀量背吃刀量ap的增加的增加，使切削宽度增加，显著增加热量的，使切削宽度增加，显著增加热量的散热面积散热面积。1 . 00

24、8. 0p3 . 02 . 045. 035. 005. 0p15. 041. 026. 0影响切削温度的因素影响切削温度的因素（2）刀具的几何参数）刀具的几何参数v前角前角o ：前角：前角o增大，切削温度降低。因前增大，切削温度降低。因前角增大时，单位切削力下降，切削热减少。角增大时，单位切削力下降，切削热减少。v主偏角主偏角r ：主偏角：主偏角r减小，切削宽度减小，切削宽度bD增大，增大，切削厚度减小，因此切削温度也下降。切削厚度减小，因此切削温度也下降。（3）工件材料）工件材料v材料的材料的强度与硬度增大强度与硬度增大时，单位切削力增大，时，单位切削力增大，因此切削热增多，切削温度升高。

25、因此切削热增多，切削温度升高。v导热系数影响材料的传热，因此导热系数导热系数影响材料的传热，因此导热系数大大，产生的切削温度产生的切削温度低低。v2 . 刀具的磨损原因刀具的磨损原因：v（1）硬质点磨损）硬质点磨损v（2）粘结磨损）粘结磨损v（3）扩散磨损）扩散磨损v（4）氧化磨损）氧化磨损v（5）相变磨损）相变磨损v问题？问题？v在在低温区，一般以哪些磨低温区，一般以哪些磨损为主？在高温区又以哪些损为主？在高温区又以哪些磨损等为主？磨损等为主？v在在低温区，一般以硬质点磨损为主；在高温低温区，一般以硬质点磨损为主；在高温区以粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损、相变区以粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损、

26、相变磨损为主。磨损为主。课堂问题？课堂问题？3、车刀各刀具角度的概念？、车刀各刀具角度的概念？前角前角o、后角、后角o、主偏角、主偏角r 、 副偏角副偏角r、刃倾角、刃倾角s1、强度和韧性大的、强度和韧性大的刀具材料刀具材料选择大的还是小选择大的还是小的前角，而脆性大的刀具又如何选择？的前角，而脆性大的刀具又如何选择？2、加工塑性材料加工塑性材料时，一般选择大的还是小的时，一般选择大的还是小的前角。前角。 3、加工脆性材料时，刀具前角相对塑性材料、加工脆性材料时，刀具前角相对塑性材料如何选择？如何选择？4、粗加工和精加工时刀具的前角有何区别？、粗加工和精加工时刀具的前角有何区别？问题？问题？v

27、强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具甚至取负的前角。而脆性大的刀具甚至取负的前角。v加工钢件等加工钢件等塑性材料塑性材料时，一般采用选择时，一般采用选择大大的的前角。前角。 v加工加工脆性材料脆性材料时，因此刀具前角相对塑性材时，因此刀具前角相对塑性材料取得料取得小些或取负值小些或取负值，以提高刀刃的强度。，以提高刀刃的强度。v粗加工粗加工时，一般取较时，一般取较小小的前角；的前角；v精加工精加工时，宜取较时，宜取较大大的前角，以减小工件变的前角，以减小工件变形与表面粗糙度；形与表面粗糙度；解答解答v1、当切削点高于工件中心时，对工作前、当切削点高于工件中心时，对工作前角、后角有何影响？角、后角有何影响？v2、导杆中心与进给方向不垂直，当刀杆、导杆中心与进给方向不垂直，当刀杆中心与正常位置逆时针偏中心与正常位置逆时针偏角时，如何影角