金屬切削原理與刀具設(shè)計(jì)課件2刀具材料課件

1、第二章第二章 刀具材料刀具材料金屬切削原理與刀具金屬切削原理與刀具1）高的硬度和耐磨性2）足夠的強(qiáng)度和韌性3）較好的熱硬性4）良好的工藝性5）經(jīng)濟(jì)性刀具材料對(duì)刀具的壽命、加工質(zhì)量、切削效率和制造成本均有較大的影響刀具切削部分在切削時(shí)要承受高溫、高壓、強(qiáng)烈的摩擦、沖擊和振動(dòng) 圖2-2 刀具材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系切削速度（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具鋼合金工具鋼WC系硬質(zhì)合金高速鋼WC-TiC系硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金TiAlN涂層硬質(zhì)合金DLC涂層硬質(zhì)合金TiC-TiN金屬陶瓷聚晶立方氮化硼 （PC

2、BN）陶瓷聚晶金剛石（PCD）天然金剛石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬質(zhì)合金涂層WC硬質(zhì)合金涂層超細(xì)粒狀硬金屬涂層高速鋼TiN涂層高速鋼斷裂韌性耐磨性圖2-3 刀具材料的耐磨性與斷裂韌性 刀具材料種類很多，常用的有：刀具材料種類很多，常用的有：v碳素工具鋼碳素工具鋼v合金工具鋼合金工具鋼v高速鋼高速鋼v硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金v陶瓷陶瓷v金剛石（天然和人造）金剛石（天然和人造）v立方氮化硼等立方氮化硼等 （風(fēng)鋼）良好的淬透性，空氣中冷卻就可得到高硬度。 （鋒鋼）刃容鋒利。 （白鋼）磨光后，表面光亮。 再加入一些合金、性能高。如W6MoSCr4V2、W6MoSCr4V3，比通用型高速鋼具有更好的切

3、削性能，適合于加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、釷合金和高強(qiáng)度鍘等難加工材料。 制造工藝不同，其性能優(yōu)于上述的高速鋼 。鎢鋼 W18Cr4V（1841）此牌號(hào)國(guó)內(nèi)普遍使用，性能穩(wěn)定，刃磨、熱處理工藝控制較方便，國(guó)外鎢價(jià)高，很少使用。綜合性能好，600，HRC48.5，用以制造各種復(fù)雜刀具。 優(yōu)點(diǎn)：（1）淬火時(shí)過(guò)熱傾向小。（2）含釩少，磨加工性好。（3）碳化物含量高，塑性變形抗力較大 缺點(diǎn)：（1）碳化物分布不均勻，剩余碳化物顆粒大（最大30m），影響薄刃刀具或小截面刀具的耐用度。（2）強(qiáng)度和韌性，顯得不夠，此材料直徑30mm，抗彎強(qiáng)度3.5Ga ； 直徑6080mm，抗彎強(qiáng)度22.3Ga， 適宜做小截

4、面刀具，此時(shí)強(qiáng)度，韌性才是滿意的。（3）熱塑性差，很難用作熱成形法制造的刀具（如熱軋鉆頭）。鎢鉬鋼 W6M05Cr4V2（6542），因?yàn)槿辨u而產(chǎn)生優(yōu)點(diǎn)（1）合金元素少，減少了碳化物數(shù)量及分布不均勻性，有利于提高高溫塑性、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性，抗彎強(qiáng)度比W18高1015%，韌性高5060%。 （2）可加大截面刀具，可做尺寸較大，承受沖擊力較大的刀具。缺點(diǎn) 淬火溫度范圍窄，脫碳，過(guò)熱敏感性大，主要用于熱軋刀具（扭槽，麻花鉆）表面化學(xué)處理：提高刀具的切削性能 如：（氧氮化處理）：將刀具成品置于氨氣和水蒸氣的混和體中，540560保溫12小時(shí)，形成0.003mmFe3O4氧化膜，內(nèi)層為氧、氮、碳擴(kuò)散層

5、：厚0.03-0.05mm。HV1000以上，耐用度提高60%-70%。涂層：物理氣相沉積TiN涂層 550以下高真空下進(jìn)行，鈦氣化與氮反應(yīng)，生成TiN（0.002mm），HRC80以上，切削力，切削溫度下降25%，Vf提高一倍，耐用度顯著提高。重磨后，性能仍優(yōu)于普通高速鋼。表2-1 常用高速鋼牌號(hào)及其應(yīng)用范圍類別牌 號(hào)主 要 用 途普通高速鋼W18Cr4V廣泛用于制造鉆頭、絞刀、銑刀、拉刀、絲錐、齒輪刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求熱塑性好和受較大沖擊載荷的刀具，如軋制鉆頭等W14Cr4VmnRe用于制造要求熱塑性好和受較大沖擊載荷的刀具，如軋制鉆頭等高性能高速鋼高碳95W18 Cr4

6、V用于制造對(duì)韌性要求不高，但對(duì)耐磨性要求較高的刀具高礬W12Cr4V4 Mo用于制造形狀簡(jiǎn)單，對(duì)耐磨性要求較高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造復(fù)雜刀具和難加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高強(qiáng)度耐熱鋼的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形狀簡(jiǎn)單的刀具，如加工鐵基高溫合金的鉆頭W12Cr4V3 Mo3Co5Si耐磨性、耐熱性好，用于制造加工高強(qiáng)度鋼的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作難加工材料的刀具，因其磨削性好可作復(fù)雜刀具，價(jià)格昂貴 超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非

7、鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預(yù)燒結(jié)的硬質(zhì)合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。 天然金剛石是自然界最硬的材料，根據(jù)其質(zhì)量的不同，硬度范圍為HK800012000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.483.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700800。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01m左右，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)。但天然金剛石價(jià)格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加

8、工磁盤、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK65008000，價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當(dāng)前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場(chǎng)合替代天然金剛石刀具。用等離子CVD法開發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質(zhì)合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復(fù)雜的刀具（如硬質(zhì)合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進(jìn)行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。 聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。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間變動(dòng)，其耐熱性達(dá)1200左右，化學(xué)惰性很好，在1000的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時(shí)可以代替磨削加工。由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機(jī)床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機(jī)床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進(jìn)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剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預(yù)燒結(jié)的硬質(zhì)合金和陶瓷、

10、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。 天然金剛石是自然界最硬的材料，根據(jù)其質(zhì)量的不同，硬度范圍為HK800012000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.483.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700800。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01m左右，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)。但天然金剛石價(jià)格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。

11、聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK65008000，價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當(dāng)前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場(chǎng)合替代天然金剛石刀具。用等離子CVD法開發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質(zhì)合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復(fù)雜的刀具（如硬質(zhì)合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進(jìn)行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。 聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。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間變動(dòng)，其耐熱性達(dá)1200左右，化學(xué)惰性很好，在10

12、00的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時(shí)可以代替磨削加工。由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機(jī)床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機(jī)床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進(jìn)刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）將切削用硬質(zhì)合金分三類：P類：用于加工長(zhǎng)切屑的黑色金屬，如普通碳鋼、合金鋼等，相當(dāng)于我國(guó)的YT類。牌號(hào)有P01、P10、P20、P30、P50等。精加工可用P01，半精加工選用Pl0、P20，粗加工宜用P30。K類：

13、用于加工短切屑的黑色金屬，有色金屬和非金屬材料，相當(dāng)于我國(guó)的YG類。其牌號(hào)有K01、K10、K20、K30、K40等，精加工可用K01，半精加工選用K10，粗加工宜用K30M類：具有較好的綜合切削性能，用于加工長(zhǎng)或短切屑的黑色金屬和有色金屬，如普通碳鋼、鑄鋼、冷硬鑄鐵、耐熱鋼、高錳鋼、有色金屬等，相當(dāng)于我國(guó)的YW類。其牌號(hào)有M10、M20、M30、M40，精加工可用M10，半精加工選用M20，粗加工宜用M30 現(xiàn)代加工材料中 9095%可用P和K類硬質(zhì)合金加工，510%可用M類硬質(zhì)合金加工。YG：鎢鈷類硬質(zhì)合金 （WC+Co）硬質(zhì)合金 主要牌號(hào)：YG3x、YG6x、YG6、YG8，分別含Co為

14、3%、6%、6%、8%特點(diǎn)：抗彎強(qiáng)度與韌性比YT高，導(dǎo)熱性高，加工性好，刃口容易磨得鋒利，硬度差。Co越高韌性越好，用于粗加工，反之Co越低，用于精加工。適宜加工材料：鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。YT：鎢鈦鈷類（WC+TiC+ Co） 主要牌號(hào) YT5、YT14、YT15、YT30數(shù)字為TiC含量。碳化鈦含量分別為：5%、14%、15%、30%。 鈷含量分別為：10%、8%、6%、4%。適宜加工材料：鋼 超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預(yù)燒結(jié)的硬質(zhì)合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠

15、及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。 天然金剛石是自然界最硬的材料，根據(jù)其質(zhì)量的不同，硬度范圍為HK800012000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.483.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700800。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01m左右，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)。但天然金剛石價(jià)格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。聚晶金剛石是由金剛石

16、微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK65008000，價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當(dāng)前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場(chǎng)合替代天然金剛石刀具。用等離子CVD法開發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質(zhì)合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復(fù)雜的刀具（如硬質(zhì)合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進(jìn)行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。 聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。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間變動(dòng)，其耐熱性達(dá)1200左右，化學(xué)惰性很好，在1000的溫度下不與鐵、

17、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時(shí)可以代替磨削加工。由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機(jī)床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機(jī)床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進(jìn)刀具材料的作用，取得良好的使用效果。表2-2 各種硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍牌 號(hào)應(yīng) 用 范 圍YG3X鑄鐵、有色金屬及其合金精加工、半精加工，不能承受沖擊載荷YG3鑄鐵、有色金屬及其合金精加工、半精加工，不能承受沖擊載荷YG6X普通鑄鐵、冷硬鑄鐵、高溫合金的精加工、半精加工YG6鑄鐵、有色金屬及其合金的

18、半精加工和粗加工YG8鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬材料粗加工，也可用于斷續(xù)切削YG6A冷硬鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工，亦可用于高錳鋼、淬硬鋼的半精加工和精加工YT30碳素鋼、合金鋼的精加工YT15碳素鋼、合金鋼在連續(xù)切削時(shí)的粗加工、半精加工，亦可用于斷續(xù)切削時(shí)的精加工YT14同YT15YT5碳素鋼、合金鋼的粗加工，也可以用于斷續(xù)切削YW1高溫合金、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料及普通鋼料、鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工和精加工YW2高溫合金、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料及普通鋼料、鑄鐵、有色金屬及其合金的粗加工和半精加工抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量 硬度、耐磨性、切削速度抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量 硬

19、度、耐磨性、切削速度抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量 硬度、耐磨性、切削速度是以AL2O3為主要成份，在高溫下，燒結(jié)而成的一種刀具材料。v常用陶瓷包括： 1）純AL2O3陶瓷 2）AL2O3TiC混和陶瓷很高的硬度與耐磨性，HRA9195，高于硬質(zhì)合金。使用良好時(shí)，有很高的耐用度。很高的耐熱性，760 HRA87， 1200 HRA80，切削速度比硬質(zhì)合金高25倍，抗彎強(qiáng)度，韌性下降極小。很高的化學(xué)穩(wěn)定性，與金屬親和力小， 抗粘結(jié)，抗擴(kuò)散，抗氧化能力強(qiáng)。較低的摩擦系數(shù)，切屑不易粘刃，不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面粗糙度較小。天然金剛石是自然界最硬的材料，耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01m，刀

20、具壽命可達(dá)數(shù)百小時(shí)。因價(jià)格昂貴，主要用于高速、精密加工。聚晶金剛石由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，硬度比天然金剛石略低（HK65008000），價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成為金剛石刀具主要材料。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。聚晶立方氮化硼（CBN）由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。硬度為HV 30004500，耐熱性達(dá)1200，化學(xué)惰性很好，在1000的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時(shí)可以代替磨削加工。刀具材料種類 合金 高速鋼 硬質(zhì)合金 陶瓷 天然 聚晶金剛石 聚晶立方氮工具鋼 W18Cr4V YG6 Si3N4 金剛石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗彎強(qiáng)度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù) 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120