常用刀具材料及选用.doc

在切削过程中，刀具担负着切除工件上多余金属以形成已加工表面的任务。刀具的切削性能好坏，取决于刀具切削部分的材料、几何参数以及结构的合理性等。刀具材料对刀具寿命、加工生产效率、加工质量以及加工成本都有很大影响，因此必须合理选择。 一、刀具材料应具备的性能 刀具在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动，因此刀具材料必须具备以下性能： 1 高的硬度和耐磨性 刀具应具备高的硬度和耐磨性。一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。其常温硬度一般要求大于 60HRC 。 2 足够的强度和韧性 为承受切削负荷、振动和冲击，刀具材料必须具备足够的强度和韧性。 3 高的热稳定性 刀具在高温下工作，要求刀具材料具备高的热稳定性，也称高的耐热性。即刀具材料在高温下硬度、耐磨性、强度和韧性变化很小，仍能保持正常切削。 4 良好的物理特性 即刀具材料具备良好的导热性、大的热容量以及优良的热冲击性能。 5 良好的工艺性 即刀具材料应具备良好的锻造性、机械加工性和热处理性。 除此之外，要求刀具材料经济性要好。 二、常用刀具材料的性能及选用 常用刀具材料的种类和特性刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。下面对高速钢、硬质合金、陶瓷及其它超硬刀具材料进行介绍。1）高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢有很高的强度，抗弯强度为一般硬质合金的23倍；韧性也高，比硬质合金高几十倍。高速钢的硬度在63HRC以上，且有较好的耐热性，在切削温度达到500650C时，尚能进行切削。高速钢可加工性好，热处理变形较小，目前常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。高速钢刀具可以加工从有色金属到高温合金的各种材料。 表1-2列出了几种常用高速钢的牌号及其主要用途，可供选择时参考。2）硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金中的金属碳化物熔点高、硬度高、化学稳定性与热稳定性好，因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，加工效率高且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、端铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。我国常用的硬质合金牌号及其应用范围见表1-3。 3）陶瓷和超硬刀具材料 陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（9195HRA）和耐热性，在1200的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。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。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-夹具-工件-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。 三、其他刀具材料 1 陶瓷 目前使用的陶瓷刀具材料有两种：Al2O3基陶瓷和Si3N4陶瓷。 （ 1 ） Al2O3基陶瓷这种陶瓷硬度比硬质合金高，耐热性好、摩擦系数小，化学稳定性好。陶瓷刀具可以加工钢和铸铁以及高硬度合金。由于其抗弯强度低和冲击韧性较差，通常用于精加工和半精加工。 （ 2 ） Si3N4基陶瓷其强度高、韧性好、特别是抗热冲击性大大优于Al2O3 基陶瓷。因此,可以加工铸铁及镍基合金。 2 金刚石 金刚石是目前发现的最硬的一种物质。它摩擦系数小、导热性好、耐磨性高，所以切削时不易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面质量好，刀具耐用度高。 目前金刚石刀具有三种：单晶、聚晶整体和金刚石复合刀片。它能够加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等。但一般不易加工铁族金属，因为金刚石的 C 元素与铁原子有很强的化学亲和作用，使之转化为石墨，失去切削性能。金刚石热稳定性差，在700 -800 以上硬度下降很大，无法切削。目前金刚石刀具多用于有色金属及非金属（如耐磨塑料、石材）的加工，也用于制造磨具和磨料。 3 立方氮化硼 它是硬度仅次于金刚石的物质，与金刚石相比，化学惰性很大，热稳定性高，耐磨性高。立方氮化硼刀具能以硬质合金刀具加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金、加工精度为 IT5 ，表面粗糙度 Ra0.05m 。但立方氮化硼与水起反应，故一般不用切削液或用不含水的切削液。 目前立方氮化硼用于磨具和磨料，做成刀具有整体聚晶刀具和立方氮化硼 K 硬质合金复合刀具。 四、刀具材料的新发展 由于社会发展的需要和科学技术的进步，以至在切削加工领域中，工件的情况经常发生新的变化，例如，工件材料的机械(力学)性能以及工件加工精度的要求不断提高，工件结构、形状的复杂化和多样化，产品品种和批量的多元化等等。面对工件方面的新情况，对刀具提出更新更高的要求。同时，为了获取高效益，不断提高切削加工生产率，也经常地促进高性能刀具的开发。而高性能的、适应工件新情况的刀具，常常与材料的发展相关联。随着科学技术的发展，新刀具材料诞生后，刀具性能就跃上新台阶，可以适应工件的新情况，或提高切削速度，获得较高的生产率。因此，刀具与被加工工件存在相互促进、交替发展的关系。 在切削加工发展过程中，刀具材料始终是最积极的因素。 19 世纪末，出现了高速钢，其切削性能和加工效率比过去的碳素工具钢、合金工具钢有了很大提高。用高速钢刀具加工当时常用的碳素结构钢和合金结构钢，可以胜任。但在进入 20 世纪后，特别是第二次世界大战以来，各种新的工程结构材料相继出现，其机械(力学)性能和加工难度不断提高，加工批量日益加大，用高速钢刀具则加工效率太低，刀具使用寿命过短。于是 20 世纪 30 年代出现了硬质合金，其切削效率可比高速钢提高 4 10 倍，可以切削高速钢所不能加工的材料。20 世纪中叶以后，为适应更难加工材料的要求，又出现了复合陶瓷及金刚石、 CBN 超硬刀具材料；高速钢与硬质合金则发展了许多新品种，其性能比原来有了大幅度提高。可以说，20 世纪是刀具材料大发展的历史时期，各种新品种、新牌号的刀具材料不断涌现。迄今，常用的切削速度和加工效率比一百年前提高了 100 倍以上。当前，各种刀具材料的应用，以高速钢和硬质合金为最多；陶瓷约为 1 一 3 ；超硬材料尚只在小范围内使用。 CVD 和 PVD 涂层刀具在近 20 年内有了很大的发展。 预计，在21世纪，硬质合金的使用范围将进一步扩大，成为用量最大的刀具材料；高速钢仍将占有一定的阵地；硬质合金和高速钢的品种和性能将进一步发展。由于资源、价格和性能上的优势，陶瓷材料的应用将迅速扩展；金刚石和 CBN 超硬材料的应用将进一步扩大；新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种、新牌号的推出将越来越快。在新刀具材料发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是主要矛盾。有可能在本世纪中，研制出人们所希望的既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料。各种涂层刀具和超硬材料的复合片都能在一定程度上克服上述矛盾，故极有发展前景。可转位刀具结构的推广使