金属切削原理与刀具设计刀具材料

金属切削原理与刀具设计课件刀具材料第1页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三对刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性2.1概述刀具材料简介刀具材料对刀具的寿命、加工质量、切削效率和制造成本均有较大的影响刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动第2页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三图2-2刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）2.1概述刀具材料的发展第3页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-3刀具材料的耐磨性与断裂韧性2.1概述第4页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三刀具材料种类很多，常用的有：碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷金刚石（天然和人造）立方氮化硼等2.2刀具材料

常用刀具材料第5页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三◆工具钢碳素工具钢是指含碳0.65%-1.35%的优质高碳钢。常用T12A。特点：耐热性差应用：常用于制造各种手工与低速工具。（如锉刀）2.2.1工具钢与合金工具钢◆合金工具钢合金工具钢是指在高碳钢中加入Si、W、Mn等合金元素（一般不超过3%-5%），可提高淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。常用9SiCr、CrWMn。应用：常用于制造各种低速工具。（如丝锥、板牙）第6页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三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。别名：（风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可得到高硬度。（锋钢）刃容锋利。

（白钢）磨光后，表面光亮。2.2.2高速钢第7页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三

特点1）较高的热稳定性：切削温度高达500-650℃，与碳素工具钢，合金工具钢相比，切削速度提高1-3倍，耐用度提高10-40倍，可加工有色金属至高温合金（范围广）。2）高强度，韧性：抗弯强度为硬质合金的2-3倍数，是陶瓷的5-6倍，韧性比它们高几十倍。3）一定的硬度（HRC63-70）：耐磨性好，适合各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机床上加工。

4）可加工性好，热处理变形较小。

5)材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。因此，尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢仍占现用刀具材料的一半以上。2.2.2高速钢

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分类2.2.2高速钢

普通高速钢常用W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高性能高速钢再加入一些合金、性能高。如W6MoSCr4V2、W6MoSCr4V3，比通用型高速钢具有更好的切削性能，适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钍合金和高强度铡等难加工材料。

粉末冶金高速钢

制造工艺不同，其性能优于上述的高速钢

。第9页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三

普通高速钢分钨钢，钨钼钢两类，V不高于40-60%。钨钢

W18Cr4V（18—4—1）此牌号国内普遍使用，性能稳定，刃磨、热处理工艺控制较方便，国外钨价高，很少使用。综合性能好，600℃，HRC48.5，用以制造各种复杂刀具。优点：（1）淬火时过热倾向小。（2）含钒少，磨加工性好。（3）碳化物含量高，塑性变形抗力较大缺点：（1）碳化物分布不均匀，剩余碳化物颗粒大（最大30μm），影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度。（2）强度和韧性，显得不够，此材料直径30mm，抗弯强度3.5Gρa；直径60~80mm，抗弯强度2~2.3Gρa，

适宜做小截面刀具，此时强度，韧性才是满意的。（3）热塑性差，很难用作热成形法制造的刀具（如热轧钻头）。2.2.2高速钢

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普通钢高速钨钼钢W6M05Cr4V2（6—5—4—2），因为缺钨而产生优点（1）合金元素少，减少了碳化物数量及分布不均匀性，有利于提高高温塑性、抗弯强度、冲击韧性，抗弯强度比W18高10~15%，韧性高50~60%。（2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承受冲击力较大的刀具。缺点淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性大，主要用于热轧刀具（扭槽，麻花钻）2.2.2高速钢第11页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三应用：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）。高速钢的表面处理与涂层表面化学处理：提高刀具的切削性能

如：（氧氮化处理）：将刀具成品置于氨气和水蒸气的混和体中，540~560℃保温1—2小时，形成0.003mmFe3O4氧化膜，内层为氧、氮、碳扩散层：厚。HV1000以上，耐用度提高60%--70%。涂层：物理气相沉积TiN涂层550℃以下高真空下进行，钛气化与氮反应，生成TiN（0.002mm），HRC80以上，切削力，切削温度下降25%，Vf提高一倍，耐用度显著提高。重磨后，性能仍优于普通高速钢。2.2.2高速钢刀具材料

第12页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三表2-1常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵

2.2.2高速钢第13页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三

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。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。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，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。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。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。性能硬度可达89~93HRA（74-82HRC）切削温度达800~1000℃切削速度可达100~300m／min韧性差，抗弯强度低，不能承受较大的冲击载荷2.2.3硬质合金第14页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三

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。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。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，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。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。特点硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，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。应用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、面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。2.2.3硬质合金第15页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三分类和使用性能

ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分三类：P类：用于加工长切屑的黑色金属，如普通碳钢、合金钢等，相当于我国的YT类。牌号有P01、P10、P20、P30、P50等。精加工可用P01，半精加工选用Pl0、P20，粗加工宜用P30。K类：用于加工短切屑的黑色金属，有色金属和非金属材料，相当于我国的YG类。其牌号有K01、K10、K20、K30、K40等，精加工可用K01，半精加工选用K10，粗加工宜用K30M类：具有较好的综合切削性能，用于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属，如普通碳钢、铸钢、冷硬铸铁、耐热钢、高锰钢、有色金属等，相当于我国的YW类。其牌号有M10、M20、M30、M40，精加工可用M10，半精加工选用M20，粗加工宜用M30现代加工材料中90~95%可用P和K类硬质合金加工，5~10%可用M类硬质合金加工。2.2.3硬质合金第16页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三YG：钨钴类硬质合金（WC+Co）硬质合金主要牌号：YG3x、YG6x、YG6、YG8，分别含Co为3%、6%、6%、8%特点：抗弯强度与韧性比YT高，导热性高，加工性好，刃口容易磨得锋利，硬度差。Co越高韧性越好，用于粗加工，反之Co越低，用于精加工。适宜加工材料：铸铁、有色金属和非金属材料。2.2.3硬质合金第17页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三YT：钨钛钴类（WC+TiC+Co）主要牌号YT5、YT14、YT15、YT30数字为TiC含量。碳化钛含量分别为：5%、14%、15%、30%。钴含量分别为：10%、8%、6%、4%。适宜加工材料：钢2.2.3硬质合金第18页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三

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。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。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，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。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。表2-2各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度2.2.3硬质合金第19页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三◆陶瓷刀具材料陶瓷材料是以AL2O3为主要成份，在高温下，烧结而成的一种刀具材料。常用陶瓷包括：1）纯AL2O3陶瓷2）AL2O3—TiC混和陶瓷2.2.4陶瓷刀具材料

第20页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三特点很高的硬度与耐磨性，HRA91~95，高于硬质合金。使用良好时，有很高的耐用度。很高的耐热性，760℃HRA87，1200℃HRA80，切削速度比硬质合金高2~5倍，抗弯强度，韧性下降极小。很高的化学稳定性，与金属亲和力小，抗粘结，抗扩散，抗氧化能力强。较低的摩擦系数，切屑不易粘刃，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度较小。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。导热率低，1/2~1/5，不宜温度波动，不能用切削液。2.2.4陶瓷刀具材料第21页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三

天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。

聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK6500～8000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。

金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。

聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV3000～4500，耐热性达1200℃，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。2.2.5超硬刀具材料

第22页，共25页，2022年，5月20日，21点57分，星期三刀具材料种类合金高速钢硬质合金陶瓷天然

聚晶金刚石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4

金刚石

PCD

化硼PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数40-5020-3070-10030-40146.5

100-12040-100热稳定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃＞1000℃化学惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低较高高最高最高