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金属切削刀具设计机械与动力工程学院主讲人曲海军教学要求:1、刀具切削部分材料应具备的性能。2、高速钢、硬质合金、陶瓷材料和超硬刀具材料的性能及其选用；刀具材料的发展概况教学重点:刀具材料——介绍刀具材料应具备的性能(硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性)；两种常用的刀具材料(高速钢、硬质合金)和其它刀具材料(涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼)。内容提要1.2刀具材料刀具材料在切削过程中,刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面,刀具材料对金属切削的生产率、成本、质量有很大的影响,因此要重视刀具材料的正确选择与合理使用。1.2.1刀具材料应具备的性能切削加工时,由于变形与摩擦,刀具承受了很大的压力与很高的温度。作为刀具材料应满足以下基本要求：(1)高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上。耐磨性表示抵抗磨损的能力,它取决于组织中硬质点的硬度、数量、大小和分布。刀具材料(2)足够的强度和韧性为了承受切削中的压力冲击和振动,避免崩刃和折断,刀具材料应该具有足够的强度和韧性。一般强度用抗弯强度表示,韧性用冲击值表示。(3)高的耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。(4)良好的工艺性为了便于制造,要求刀具材料有较好的可加工性,如切削加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。(5)良好的经济性刀具材料1.2.2常用刀具材料目前,生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢(如T10A、T12A)、工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。1.2.2.1高速钢是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性,切削温度达500℃-650℃时仍能进行切削；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃,可锻造,这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要,是制造这些刀具的主要材料。高速钢分类：按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。高速钢(1)通用型高速钢①钨钢典型牌号为W18Cr4V(简称W18)。含量：W18％、Cr4％、Vl％。特点：有良好的综合性能,在600℃时其高温硬度为HRC48.5,可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小;含钒量小,磨加工性好;碳化物含量高,塑性变形抗力大;但碳化物分布不均匀,影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够;热塑性差,很难用作热成形方法制造的刀具(如热轧钻头)。②钨钼钢(将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。)典型牌号为W6Mo5Cr4V2(简称M2)。含量：W6％、Mo5％、Cr4％、V2％。特点：碳化物分布细小均匀,具有良好的机械性能,抗弯强度比W18高10％～15％,韧性高50％～60％,可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具,热塑性特别好,更适用于制造热轧钻头等;磨加工性也好,目前各国广为应用。高速钢(2)高性能高速钢是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。按其耐热性,又称高热稳定性高速钢。在630～650℃时仍可保持HRC60的硬度,具有更好的切削性能,耐用度较通用型高速钢高1.3～3倍。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。典型牌号有：高碳高速钢9W18Cr4V、高钒高速钢W6Mo5Cr4V3、钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co8、超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8等。1.2.2.1高速钢高速钢(3)粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水,直接得到细小的高速钢粉末,高温下压制成致密的钢坯,而后锻压成材或刀具形状。这有效地解决了一般熔炼高速钢时铸锭产生粗大碳化物共晶偏析的问题,得到细小、均匀的结晶组织,使之具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.5～3倍;磨加工性能好;物理机械性能高度各向同性,淬火变形小；耐磨性能提高20％～30％，适合制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具(如滚刀、插齿刀)、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。高速钢1.2.2.2硬质合金由难熔金属化合物(如WC、TiC)和金属粘结剂(Co)经粉末冶金法制成。因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物,硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达HRA89～93,在800～1000℃还能承担切削,耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时,切削速度可提高4～10倍。唯抗弯强度较高速钢低,仅为0.9-1.5GPa(90-150kgf/mm2),冲击韧性差,切削时不能承受大的振动和冲击负荷。碳化物含量较高时,硬度高,但抗弯强度低;粘结剂含量较高时,抗弯强度高,但硬度低。硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料(约占50％)。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。硬质合金ISO将切削用的硬质合金分为三类：(1)YG(K)类，即WC—Co类硬质合金组成：WC和Co。常用牌号：YG6、YG8、YG3X、YG6X，含钴量分别为：6％、8％、3％、6％。硬度：HRA89～91.5,抗弯强度：1.1-1.5GPa(110～150kgf/mm2)。组织结构有：粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般(如YG6、YG8)为中晶粒组织,细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些,但抗弯强度、韧性则低些。特点：此类合金韧性、磨削性、导热性较好,较适于加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料,如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高(如端铣)的钢料等。硬质合金(2)YT(P)类，即WC—TiC—Co类硬质合金组成：WC和Co、还含有5%～30%的TiC。牌号：YT5、YTl4、YTl5、YT30，其中TiC的含量分别为：5%、14%、15%、30%相应的钴含量为：10%、8%、6%、4%硬度：HRA91.5～92.5,抗弯强度为0.9-1.4GPa(90-140kgf/mm2)。TiC含量提高,Co含量降低,硬度和耐磨性提高,但是冲击韧性显著降低。特点：此类合金有较高的硬度和耐磨性,抗粘结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降,低温脆性大,韧性差。适于高速切削钢料。硬质合金此类合金中含钴量增加,抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工。含钴量减少,硬度、耐磨性及耐热性增加,适于精加工。应注意：此合金不适于加工不锈钢和钛合金。因YT中的钛元素和工件中的钛元素之间的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具磨损。(3)YW(M)类，即WC—TiC—TaC—Co类硬质合金组成：在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁,也可加工钢,因而又有通用硬质合金之称。常用的牌号：YWl和YW2。以上三类的主要成分均为WC，所以又称WC基硬质合金。硬质合金尚有以TiC为主要成分的TiC基硬质合金，即Ti-Ni-Mo合金。因TiC在所有碳化物中硬度最高，所以此类合金硬度很高，达HRA90～94，有较高的耐磨性、抗月牙洼磨损能力，耐热性、抗氧化能力以及化学稳定性好、与工件材料的亲合性小、磨擦系数小、抗粘结能力强，刀具耐用度比WC提高好几倍，可加工钢，也可加工铸铁。牌号YNl0与YT30相比较，硬度较接近，焊接性及刃磨性均较好，基本上可代替YT30使用。唯抗弯强度还赶不上WC，当前主要用于精加工及半精加工。因其抗塑性变形、抗崩刃性差，所以不适用于重切削及断续切削。表之1、2、3列出了各种硬质合金牌号刀具的应用范围。硬质合金1.2.3其它刀具材料(1)涂层刀具它是在韧性较好的硬质合金基体上,或在高速钢刀具基体上,涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法(CVD法),沉积温度1000℃左右;涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法(PVD法)，沉积温度500℃左右。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。涂层厚度：硬质合金刀具为4～5μm,表层硬度可达HV2500～4200;高速钢刀具为2μm,表层硬度可达HRC80。特点：涂层刀具具有较高的抗氧化性能,因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力;有低的摩擦系数,可降低切削时的切削力及切削温度,可提高刀具的耐用度(提高硬质合金刀具耐用度l～3倍，高速钢刀具耐用度2～10倍)但存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。其它刀具材料各类涂层及适用范围涂层种类应用范围表面颜色TiN通用涂层，常用于丝锥、钻头加工普通碳钢等。金黄色TiCN常用于丝锥，铣刀加工工具钢、铜合金，以及常用于各类工模具加工高强度钢和有色金属等。蓝灰色TiAlN常用于硬质合金铣刀和丝锥加工高强度、高韧性材料以及加工难加工材料。紫黑色CrN用于加工铜皮、铜合金的模具和工具。银灰色TiAlCN用于加工淬火钢及轻合金等难切削材料。紫色CrN+CBC用于加工切削阻力大的非金属材料及有色金属等工模具。灰黑色其他各种复合涂层涂层硬质合金立铣刀主要产品有：涂层硬质合金球头铣刀、平头铣刀、锥度球头铣刀、锥度平头铣刀、大螺旋角立铣刀、波形刃球头立铣刀等。涂层硬质合金波形刃球头铣刀及丝锥•波形刃球头铣刀：其上有按一定节距排列的径向分屑槽，它可以把切屑断成很多小块，形成鳞形切屑。它的切深大、切削寿命长、金属切除率高。在模具粗加工中应用较多，同时也能很好地应用在难切削材料加工中。涂层丝锥：它能发挥涂层材料表面硬度高、耐磨、与钢的摩擦系数低和耐高温的优越性能，适用于高速攻丝。右边的螺旋槽丝锥的实际前角增大,切削顺利,降低切削扭矩,切入过程平稳,切屑为螺旋状,易于排出。(2)陶瓷有纯Al2O3陶瓷及Al2O3-TiC混合陶瓷两种,其微粉在高温下烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度(HRA91-95)和耐磨性；小，抗粘结和抗扩散的能力好。可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。但其脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差、易崩刃,使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料,还是有很大发展前途的。(3)金刚石分为天然金刚石（TJ）、人造金刚石（RJ）人造金刚石（RJ）是目前人工制造出的最硬的物质，是在高温、高压和其它条件配合下（触媒）由石墨转化而成。其它刀具材料金属陶瓷刀片金刚石天然金刚石聚晶金刚石(PCD)人工合成单晶金刚石金刚石涂层特点：硬度高达HVl0000，耐磨性好,可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料,刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。其切削刃锋利，能切下极薄的切屑,加工冷硬现象较少;有较低的摩擦系数,切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。但其热稳定性差,切削温度不宜超过700～800℃;强度低、脆性大、对振动敏感,只宜微量切削;与铁有极强的化学亲和力,不适于加工黑色金属。目前主要用于磨具和磨料,对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔;加工铝合金、铜合金时,切削速度可达800～3800m／min。其它刀具材料(4)立方氮化硼由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。特点：有很高的硬度(HV8000～9000)及耐磨性；有比金刚石高,得多的热稳定性(1400℃)，可用来加工高温合金;化学惰性大,与铁族金属直至1300℃时也不易起化学反应,可用于加工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦系数。它不仅用于磨具,也逐渐用于车、镗、铣、铰。它有两种类型：整体聚晶立方氮化硼,能像硬质合金一样焊接,并可多次重磨;立方氮化硼复合片,即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0.5mm的立方氮化硼而成。其它刀具材料本章小结本章主要学习了金属切削过程的基础知识。它包括基本定义与刀具材料两方面的内容。金属切削过程中的三个方面的基本定义：1．切削运动方面：切削运动，切削用量三要素(切削速度、进给量、背吃刀量)，切