切削刀具的种类按刀具材料的成分可分为金刚石刀具.ppt

先进制造技术,AdvancedManufacturingTechnology,临沂大学汽车学院赵琳,切削刀具材料的种类,切削刀具的发展简史,切削刀具应具备的性能,金刚石刀具,立方氮化硼刀具,涂层刀具,陶瓷刀具,1,2,3,4,5,6,7,专题五切削刀具的发展,硬质合金刀具,8,高速钢刀具,切削刀具的发展展望,9,10,一、切削刀具的种类,1.按刀具材料的成分可分为：金刚石刀具（Diamond）立方氮化硼刀具(CubicBornNitride)陶瓷刀具(CeramicTools)硬质合金刀具（CementedCarbideTools）高速钢刀具(HighSpeedSteel)碳素和合金工具钢(AlloySteel),2.按加工方式可分为：车刀(TurningTools)孔加工刀具(DrillingTools)铣刀(MillingTools)齿轮刀具（GearCuttingTools）成型刀具(FormedTools）其它刀具(OtherTools),一、切削刀具的种类,3.按刀具结构可分为：整体刀具焊接刀具可转位刀具其他刀具,一、切削刀具的种类,二、切削刀具的发展简史,18世纪后期，碳素工具钢刀具，耐热温度为200，切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面，需要大约1个月时间。1861年英国人首先制备出合金工具钢刀具，耐热温度达到300左右，切削速度20m/min。1898年美国人研制成功高速钢刀具，耐热温度达到500左右，切削速度30-40m/min。高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的第一次革命，新型高速机床随之出现。,1925年德国人首先发明了硬质合金刀具，耐热温度达到600-800左右，切削速度40-200m/min。硬质合金刀具的出现，引起了金属切削加工的又一次革命。20世纪30年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，50年代以后，逐步发展，目前，耐热温度达到1100-1400，切削速度500-1000m/min。20世纪50年代美国GE公司首先合成人造金刚石和CBN，CBN硬度接近金刚石，耐热温度达到1400-1500。自20世纪70年代初美国GE公司研制成功聚晶金刚石(PCD)刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石。,二、切削刀具的发展简史,实例：加工直径为100mm，长度500mm的碳钢棒。1890年，用碳素工具钢刀具，需要100min。1910年，用高速钢刀具，需要26min。现在，用硬质合金刀具，需要1.5min。现在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0min。,硬度,硬度是材料抵抗外物刺入的一种能力。用硬度试验器来试验极为准确，是现代试验硬度常用的方法。最常用的试验法有洛氏硬度试验。洛氏硬度试验机利用钻石冲入金属的深度来测定金属的硬度，冲入深度愈大，硬度愈小。洛氏硬度，这是由洛克威尔在1921年提出来的，是使用洛氏硬度计所测定的金属材料的硬度值。该值没有单位，只用代号“HR”表示。洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C为三种不同的标准。称为标尺A、标尺B、标尺C。HRA是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。HRB是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、铸铁等。HRC是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等,三、刀具材料必备的性能1高的硬度和耐磨性刀具材料的硬度一般大于60HRC（一般应大于工件材料的硬度）。刀具材料的耐磨性指抵抗磨损的能力，刀具的硬度越高、耐磨性一般越高。除硬度外，耐磨性还与材料的化学成分、强度、韧性及显微组织等有关。2足够的强度和韧性切削过程中，刀具的切削部分承受很大的切削负荷，尤其在断续切削过程中更要承受循环的热及机械冲击，刀具的常见损坏形式为破损如崩刃、断裂等。刀具材料必须具备足够的强度和韧性。,三、刀具材料必备的性能3高的热稳定性也称高的耐热性，是衡量刀具材料切削性能的重要标志，它指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。除了高的热稳定性，刀具材料还应具备良好的高温抗氧化能力、抗扩散性能。4良好的热物理特性及抗热冲击性能良好的导热性，大的热容量有利于切削热的传出、降低切削温度；断续切削时，刀具受到循环的热冲击，容易产生热裂纹而断裂，所以刀具材料应具备优良的抗热冲击性能；热膨胀系数越小，则热变形越小，有利于降低热应力。,三、刀具材料必备的性能5良好的工艺性指良好的锻造性能、机加工性能和热处理性能，便于刀具的制造。6经济性刀具材料的发展一定要将生产的实际需要与本国的自然资源的相结合，因地制宜。,四、金刚石刀具,极高的硬度和耐磨性：金刚石的显微硬度达HV10000，是自然界最硬的物质。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80-120倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60-80倍。各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须正确选择晶体方向。具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半，通常在0.1-0.3之间。摩擦系数低可减小切削温度和切削力。,(1)金刚石刀具的性能特点,刀刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。具有很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍，为铜的2-6倍。由于导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。热胀系数低：金刚石的热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。,(1)金刚石刀具的性能特点,（2）人造金刚石的制备工艺,（3）聚晶金刚石(PCD)刀具PCD是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。金刚石广泛应用于切削加工还是PCD研制成功以后。PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料；PCD具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。PCD原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。大多数PCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即在硬质合金的基体上烧结一层约0.7mm厚的PCD，这种刀片的强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体PCD，可焊性好，重磨容易，成本低。,聚晶金刚石复合刀片（硬质合金基体）,（7）金刚石刀具的应用金刚石刀具主要用于加工有色金属及其合金。其中80以上的PCD刀具用于加工汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件，如：铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱等。由于这些零件材料含硅量较高(12%以上)，且为大批量生产，对刀具的寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而PCD刀具的寿命远高于硬质合金刀具，是硬质合金刀具寿命的几十甚至几百倍。在加工硅含量较高的铝合金时，除PCD刀具外，其它所有的刀具都在很短的时间内产生严重的磨损而不能继续切削。PCD刀具还非常适合对难加工非金属材料(如：木材、人造板材、强化复合地板、碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等)进行加工。采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工，目前，金刚石刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到800时，就会失去其硬度，金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，因为，金刚石与铁有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构。,（7）金刚石刀具的应用,PCD刀具应用领域分布,PCD木工刀具主要加工对象分布,五、立方氮化硼刀具,整体可转位刀片,一个面可转位刀片,单刃可转位刀片,(1)PCBN的性能特点高的硬度和耐磨性：PCBN晶体结构与金刚石相似，晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度。PCBN微粉的显微硬度为HV80009000，其PCBN烧结体的硬度达到HV30005000。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，为涂层硬质合金刀具的30倍。PCBN特别适合于加工从前只能磨削的高硬度材料，实现“以车代磨”。具有很高的热稳定性：PCBN的耐热性可达14001500，比金刚石的耐热性(700-800)几乎高一倍，因此PCBN刀具可用比硬质合金刀具高35倍的速度高速切削淬硬钢。,(1)PCBN的性能特点优良的化学稳定性：PCBN的化学惰性大，与铁系材料到1200-1300时也不起化学作用，与碳只是在2000时才起反应。PCBN具有很高的抗氧化能力，在1000时也不会产生氧化现象。因此，PCBN刀具广泛应用于高速或超高速的切削。具有较好的导热性：PCBN的导热性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具材料中PCBN的导热性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金。PCBN的导热系数是紫铜的3.2倍，是硬质合金的20倍。具有较低的摩擦系数：PCBN与不同材料间的摩擦系数约为0.10.3，比硬质合金的摩擦系数(0.4-0.6)小得多。低的摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表面质量提高。,(2)PCBN刀具的应用PCBN刀具非常适合于干式切削、硬态和高速切削加工工艺，特别适合数控设备及自动化生产线的使用。PCBN刀具适合加工的工件材料有：(1)硬度在HRC45以上的淬硬钢和耐磨铸铁(如：淬硬钢HRC45-65、轴承钢HRC60-62、高速钢HRC62、工具钢HRC57-60、冷硬铸铁等)；(2)HRC35以上的耐热合金(高温合金、热喷涂材料、硬质合金等)；(3)HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。被加工材料的硬度越高越能体现PCBN刀具的优越性。,(2)PCBN刀具的应用PCBN刀具进行硬态切削时，可以车、镗、铣等替代磨削加工工艺，是实现“以车代磨”的最佳刀具。据报道日本PCBN刀具的应用有55%是替代原来的磨削。PCBN还是实现高速或干式切削的最佳刀具之一。尤其在加工灰铸铁高速干切削领域。目前，PCBN刀具已用于车刀、镗刀、铣刀等，在汽车制造业、自动化生产线等方面PCBN刀具的使用量已达到了相当的比例据。如：加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等；,(3)PCBN刀具的应用,PCBN刀具应用领域分布,六、涂层刀具,单涂层多涂层(带中间过渡层)厚度:(0.550m)厚度:(0.510m)多涂层(纳米结构)梯度涂层厚度:(100nm)超硬涂层硬和软复合涂层(CVDDP/BN)(MoS2,WC/C,石墨等),涂层硬质合金微观结构,1500倍a)单涂层b)多涂层,（1）涂层刀具的性能特点涂层可分为两大类：一类是“硬”涂层，如：TiC、TiN、A12O3涂层。硬涂层的主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一类是“软”涂层，如MoS2、WS2等。这种涂层也称为自润滑涂层，其表面摩擦系数低，可以减小摩擦。涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。与未涂层刀具相比，涂层刀具的切削速度可提高2倍以上，刀具寿命可提高2-5倍。,（1）涂层刀具的性能特点涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法(CVD)，沉积温度在1000左右。对于精密、形状复杂、价格昂贵、不可重磨的高速钢刀具一般采用物理气相沉积法(PVD)，沉积温度在500左右。刀具寿命与涂层厚度有关。涂层太厚时易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差，涂层不能有效的保护基体。涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本相对较高。主要用于刚性高的数控机床。,（2）涂层刀具的应用自20世纪70年代以来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。在日本的硬质合金和陶瓷刀片总产量中，涂层刀片占41。西方工业发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1978年的26，增加到1985年的50-60。新型数控机床所用切削刀具中有80左右使用涂层刀具。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片比例为80。瑞典和德国车削用涂层刀片已占70以上。前苏联1981-1985年期间，刀具产量增加16，硬质合金刀具增加了29，而涂层刀具则增加了5倍。,（2）涂层刀具的应用涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。低速切削时，TiC涂层占有优势；高速切削时，TiN较合适；HfN和Al2O3涂层的热化学稳定性比TiN更高，适合于在更高的切削速度下工作。涂层刀具将是今后数控加工领域中的最重要刀具品种，预计涂层刀具所占的比例可能达到80%以上。,七、陶瓷刀具,（1）陶瓷刀具的性能特点硬度高、耐磨性：陶瓷刀具的硬度虽然不及PCD和PCBN高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到HRA93-95。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高3-10倍。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现“以车代磨”，陶瓷刀具适合于高速切削和硬切削。耐温性、耐热性：陶瓷刀具在1200以上的高温下仍能进行切削，具有很好的高温力学性能，在1200时的硬度仍达到HRA80。随温度的升高，陶瓷刀具的高温力学性能降低很慢。Al2O3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热状态，也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液。,化学稳定性：陶瓷刀具不易与金属产生粘结，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘结磨损摩擦系数：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度，加工表面质量好原料丰富：硬质合金中所含的钨和钴等资源缺乏，价格昂贵，而陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅、碳化物等是地壳中最丰富的元素，是取之不尽，用之不竭的，对发展陶瓷刀具材料十分有利。因此，开发和使用陶瓷刀具，对节省战略性贵重金属具有十分重要的意义,（1）陶瓷刀具的性能特点,（2）陶瓷刀具的主要成分氧化物：A12O3、ZrO2、SiO2、MgO、Y2O3、TiO2等碳化物：TiC、SiC、WC、HfC、NbC、TaC、B4C等氮化物：TiN、Si3N4、BN、A1N、TaN、ZrN、HfN等硼化物：TiB2、ZrB2、NbB2、HfB、WB2等,（3）陶瓷刀具的制备工艺,热压烧结炉,陶瓷刀片,（4）陶瓷刀具的增韧补强缺点：强度和韧性低，抗机械和热冲击能力差。解决办法：原材料高纯化粉末微细化(目前可达到纳米级)采用增韧补强(如：颗粒增韧、晶须增韧、相变增韧、协同增韧等)新型烧结工艺(如热等静压等)复合化梯度化,（5）新型陶瓷刀具干切削实例,（6）新型陶瓷刀具硬切削实例,八、硬质合金刀具,硬质合金的制造,混料、球磨（使均匀）压制成型,硬质合金的制造,不同模具压制的制品烧结炉,硬质合金的特点硬质合金是由高硬、难熔的金属碳化物如：WC、TiC、TaC、NbC等和金属粘结剂如：Co、Ni等经粉末冶金法制成的。特点：硬度高（8993HRA）、耐磨性好（耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时切削速度可提高410倍）；耐热性高（在8001000时仍可切削）；抗弯强度低（0.91.5GPa）；断裂韧性低。因此承受切削振动和冲击负荷能力差。当硬质合金碳化物含量高，其硬度、耐热性和耐磨性增加，强度、韧性降低；粘结剂增加，其性能相反变化。碳化物（也叫硬质相）颗粒越小、分布越均匀，耐磨性越好、硬度增加，但强度减小。,硬质合金微观结构,a)细晶粒b)粗晶粒YG10硬质合金（1500倍）,九、高速钢刀具,高速钢刀具的性能特点高速钢(HSS)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。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。由于HSS刀具中钨钴等主要元素的资源紧缺，HSS在所有刀具中的比重逐渐下降，1994年已下降到45.1，预计，今后高速钢的使用比例还将逐渐减少。HSS刀具的其发展方向包括：发展各种少钨的通用型高速钢，扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，推广使用粉末冶金高速钢(PMHSS)和涂层高速钢。,（2）PMHSS普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制造的。熔炼高速钢容易出现的严重问题是碳化物偏析，碳化物在高速钢中分布不均匀，且晶粒粗大，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利影响。PMHSS是20世纪70年代发展起来的，它是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氩气或纯氮气使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(高速钢粉末)，再将所得的粉末在高温、高压下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。,（2）PMHSSPMHSS具有以下优点：PMHSS没有碳化物偏析的缺陷，其碳化物晶粒细小均匀，达2-3m(一般熔炼钢为8-20m)。其强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.5-3倍。在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高1-1.5HRC，热处理后硬度可达67-70HRC，600时的高温硬度比熔炼钢高2-3HRC。PMHSS的可磨削性能较好，PMHSS便于制造刃型复杂的刀具。PMHSS适合于制造钻头、拉刀、螺纹刀具、滚刀、插齿刀等复杂刀具。在复杂数控刀具领域PMHSS刀具将会进一步发展而占重要地位。,十、切削刀具的发展展望目前国内外用于切削加工刀具材料主要有：金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金、涂层刀具、高速钢刀具等。它们各有优势，又彼此竞争，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。从资源、价格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大的优势，尤其是其资源优势，因为陶瓷刀具的主要成分在自然界是用之不竭，因此，陶瓷刀具将会得到更大的发展。对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大。,十、切削刀具的发展展望PCD刀具将继续在有色金属及其合金、非金属材料加工中占有重要地位；PCBN刀具将在黑色金属及其合金加工中占有重要地位，其应用将会越来越广泛；超细晶粒的硬质合金和粉末高速钢在小尺寸整体复杂刀具加工领域还将占主要地位；超强、超硬纳米刀具是最诱人的切削刀具，加速研究发展，有可能在未来510年成为现实。,十、切削刀具的发展展望随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，轻质强韧材料的使用日