數(shù)控刀具知識(shí)

第2章刀具材料2.1刀具材料應(yīng)具備的性能和種類2.2工具鋼2.3高速鋼2.4硬質(zhì)合金2.5其他刀具材料2.6硬度知識(shí)說明第一頁，共三十二頁。2.1刀具材料應(yīng)具備的性能和種類2.1.1刀具材料應(yīng)具備的性能切削刀具需要的刀具材料特性1、具有充分的硬度、韌性2、要有能耐在切削中產(chǎn)生的切削抵抗、振動(dòng)、沖擊的強(qiáng)度3、具有不因切削熱引起硬度低下的高溫硬度4、容易熱處理以及切削刀具成形5、有耐磨性2.1刀具材料應(yīng)具備的性能和種類第二頁，共三十二頁。友情提示：在進(jìn)行切削方面選擇適合于被切削材料的刀具材料是最重要的。當(dāng)使用了不適合的刀具材料時(shí)，異常的刀尖磨耗、刀尖缺損、被切削材料向刀具刀尖熔著和工件的硬化等等，壞的結(jié)果就會(huì)因此而發(fā)生。即使同種類成分不同性能也有差別，需要很好地理解各種各樣刀具材料的特性，以最好的效率進(jìn)行高品質(zhì)的切削加工。2.1刀具材料應(yīng)具備的性能和種類第三頁，共三十二頁。

注意：上述幾項(xiàng)性能之間可能相互矛盾(如硬度高的刀具材料，其強(qiáng)度和韌性較低)。沒有一種刀具材料能具備所有性能的最佳指標(biāo)，而是各有所長。所以在選擇刀具材料時(shí)應(yīng)合理選用。

作為刀具材料高速鋼的韌性最高，但其硬度最低；金剛石的硬度最高，但其韌性最低，硬度高、而且韌性也高的材料作為刀具材料是理想的，也是材料開發(fā)的目標(biāo)2.1.2刀具材料的分類刀具材料可分為工具鋼(包括碳素工具鋼、合金工具鋼)、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬材料(包括金剛石、立方氮化硼等)五大類。2.1刀具材料應(yīng)具備的性能和種類第四頁，共三十二頁。2.2工具鋼2.2.1碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量為0.65%～1.3%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，常用鋼號有T7A、T8A、T10A、T12A等。

特點(diǎn)：工藝性能良好，經(jīng)適當(dāng)熱處理，硬度可達(dá)60HRC～64HRC，有較高的耐磨性，價(jià)格低廉。但熱硬性差，在200℃～300℃時(shí)硬度開始降低，故允許的切削速度較低(5m/min～10m/min)。

應(yīng)用：用于制造手用刀具、低速及小進(jìn)給量的機(jī)用刀具。2.2工具鋼第五頁，共三十二頁。2.2.2合金工具鋼

特點(diǎn)：合金工具鋼是在碳素工具鋼中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪劂t(Cr)、硅(Si)、鎢(W)、錳(Mn)、釩(V)等煉制而成的(合金元素總含量不超過3%～5%)，提高了刀具材料的韌性、耐磨性和耐熱性。其耐熱性達(dá)325℃～400℃，所以切削速度(10m/min～15m/min)比碳素工具鋼提高了。

應(yīng)用：用于制造細(xì)長的或截面積大、刃形復(fù)雜的刀具，如鉸刀、絲錐和板牙等。2.2工具鋼第六頁，共三十二頁。2.3高速鋼高速鋼是富含W、Cr、Mo(鉬)、V等合金元素的高合金工具鋼。在工廠中常稱為白鋼或鋒鋼。2.3.1高速鋼的特點(diǎn)與碳素工具鋼、合金工具鋼相比，高速鋼的熱硬性很高，在切削溫度高達(dá)500℃～650℃時(shí)，仍能保持60HRC的高硬度，因此允許切削速度可提高l～2倍(25m/min～30m/min)。同時(shí)，高速鋼還具有較高的耐磨性以及較高的強(qiáng)度和韌性。2.3高速鋼第七頁，共三十二頁。與硬質(zhì)合金相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是可加工性好并具有良好的綜合力學(xué)性能。其退火硬度為207HBS-255HBS，與優(yōu)質(zhì)中、高碳鋼的退火硬度相近，能夠用一般材料刀具順利切削加工出各種復(fù)雜形狀；在加熱狀態(tài)下(900℃-1100℃)能反復(fù)鍛打制成所需的毛坯；高速鋼的抗彎強(qiáng)度是硬質(zhì)合金的3～5倍，沖擊韌性是硬質(zhì)合金的6～10倍；經(jīng)過仔細(xì)研磨，高速鋼刀具鈍圓半徑可小于硬質(zhì)合金，其鋒利性比硬質(zhì)合金優(yōu)良。總之，高速鋼的切削性能比工具鋼好得多，而可加工性能又比硬質(zhì)合金好得多。

應(yīng)用：高速鋼仍是世界各國制造復(fù)雜、精密和成形刀具的基本材料，是應(yīng)用最廣泛的刀具材料之一。2.3高速鋼第八頁，共三十二頁。2.3.2常用高速鋼材料的分類與性能及應(yīng)用分類：普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。1.普通高速鋼

特點(diǎn)：工藝性能好，具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和韌性?？捎糜谥圃旄鞣N刃形復(fù)雜的刀具。切削普通鋼料時(shí)的切削速度通常不高于40m/min～60m/min。普通高速鋼又分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼兩類。

2.3高速鋼第九頁，共三十二頁。2.高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼成分中再添加一些C、V、Co(鈷)、Al(鋁)等合金元素，進(jìn)一步提高耐熱性能和耐磨性。這類高速鋼刀具的耐用度為普通高速鋼的1.5～3倍。

應(yīng)用：加工不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金及高強(qiáng)度鋼等難加工材料。

2.3高速鋼第十頁，共三十二頁。

3.粉末冶金高速鋼

粉末冶金高速鋼：是將熔煉的高速鋼液用高壓惰性氣體霧化成細(xì)小粉末，將粉末在高溫高壓下制成刀坯，或壓制成鋼坯然后經(jīng)軋制(或鍛造)成材的一種刀具材料。

特點(diǎn)：與熔煉高速鋼相比，由于碳化物細(xì)小，分布均勻，熱處理變形小，因此粉末冶金高速鋼耐磨性好和可磨削性均得到顯著改善。

應(yīng)用：適于制造切削難加工材料的刀具，特別適于制造各種精密刀具和形狀復(fù)雜的刀具。2.3高速鋼第十一頁，共三十二頁。2.4硬質(zhì)合金2.4.1硬質(zhì)合金的組成與特點(diǎn)硬質(zhì)合金是將一些難熔的、高硬度的合金碳化物微米數(shù)量級粉末與金屬黏結(jié)劑按粉末冶金工藝制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC、Nb(鈮）C等，常用的黏結(jié)劑有Co以及Mo、Ni（鎳）等。硬質(zhì)合金具有高硬度、高熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此，硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性均超過高速鋼，其缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差；由于硬質(zhì)合金的常溫硬度很高，很難采用切削加工方法制造出復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，故可加工性差。硬質(zhì)合金的性能取決于化學(xué)成分、碳化物粉末粗細(xì)及其燒結(jié)工藝。2.4硬質(zhì)合金第十二頁，共三十二頁。

硬質(zhì)合金從常溫到高溫都兼?zhèn)鋬?yōu)秀的硬度（耐磨損性）以及強(qiáng)度，在ISO中被切削材料按用途大致被分為4種：P種、M種、K種、Z種。與高速鋼比較熱的耐磨損性優(yōu)秀。但是因韌性差，刀尖容易有突發(fā)性缺陷或斷損發(fā)生的缺點(diǎn)。

Z種也被稱之為超微粒子超硬合金，所以這個(gè)缺點(diǎn)可完全改善，大幅度地提高韌性，改善了耐卷韌性、耐缺損性。在超硬合金的母材上實(shí)施涂層的技術(shù)，進(jìn)一步提高了性能。所以可以切削難切削材料高硬度鋼材等，另外在高速加工中心中也增大了使用，在提高刀具壽命方面也發(fā)揮了效果。第十三頁，共三十二頁。2.4.2常用硬質(zhì)合金的分類、性能及應(yīng)用硬質(zhì)合金按化學(xué)成分可分為四類：鎢鈷類(YG類)、鎢鈷鈦類(YT類)、含添加劑的硬質(zhì)合金(YW類)、TiC基硬質(zhì)合金(YN類)。其中前面三類的主要成分為WC，可統(tǒng)稱為WC基硬質(zhì)合金。(1)鎢鈷類硬質(zhì)合金。YG3、YG6X和YG8等。YG代表鎢鈷類硬質(zhì)合金，后面數(shù)字表示Co的含量，細(xì)顆粒的硬質(zhì)合金有較高的抗彎強(qiáng)度和耐磨性。其中我們經(jīng)常使用的YG6的刀片相當(dāng)于ISO標(biāo)號中的K20，主要用于加工鑄鐵（連續(xù)切削粗加工、間斷切削半精、精加工）

應(yīng)用：加工形成短切屑的鑄鐵、有色金屬及非金屬等脆性材料。加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，切屑呈崩碎狀，對切削刃的沖擊較大，切削力與切削熱都集中在刀尖附近。而YG類硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度和韌性及導(dǎo)熱性較高，故可滿足要求。2.4硬質(zhì)合金第十四頁，共三十二頁。(2)鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金。YT5、YT14、YT15、YT30等。YT表示鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金，數(shù)字表示TiC的含量。與YG類硬質(zhì)合金相比，YT類硬質(zhì)合金中由于含有硬度較高的TiC，故該類硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力較高，但其導(dǎo)熱性能、抗彎強(qiáng)度和韌性、可磨削性和可焊性卻有所降低。其中我們經(jīng)常使用的YT14的刀片相當(dāng)于ISO標(biāo)號中的P20，YT15相當(dāng)于P10，YT15與YT14性能接近，YT15（91HRA）硬度稍大YT14（89.5HRA)。

應(yīng)用：加工形成長屑的鋼材等塑性材料，適于加工碳鋼及合金鋼。

注意：當(dāng)加工淬硬鋼、高強(qiáng)度鋼和奧氏體不銹鋼等難加工材料時(shí)，由于切削力大，且集中在切削刃附近，如選用YT類硬質(zhì)合金易造成崩刃，故選用YG類硬質(zhì)合金更為合適。2.4硬質(zhì)合金第十五頁，共三十二頁。(3)含添加劑的硬質(zhì)合金。是在YG類、YT類硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?合金碳化物TaC、NbC)所形成的硬質(zhì)合金新品種。如：YA6、YW1和YW2等幾種，其中YW類又稱為通用硬質(zhì)合金。其中我們經(jīng)常使用的YW3的刀片相當(dāng)于ISO標(biāo)號中的M20。

特點(diǎn)：有更高的硬度、高溫硬度、韌性和耐磨性。

應(yīng)用：用于鋼料和難加工材料的半精加工和精加工。也可用于加工鑄鐵(4)TiC基硬質(zhì)合金。TiC基硬質(zhì)合金是以TiC為主體，Ni與Mo為黏結(jié)劑，并加入少量其他碳化物而形成的一種硬質(zhì)合金。如：YN10和YN05。其具有比WC基硬質(zhì)合金更高的耐磨性、耐熱性和抗氧化能力，但熱導(dǎo)率低和韌性較差。

應(yīng)用：適用于工具鋼的半精加工和精加工及淬硬鋼的加工。2.4硬質(zhì)合金第十六頁，共三十二頁。(5)超微粒子超硬合金（Z種）超微粒子超硬合金具有主成分為WC，極其細(xì)小平均粒徑在1ūm以下因此比同樣硬度的普通的超硬合金也可得到更高的強(qiáng)度，即使在高速鋼刀具的切削條件領(lǐng)域也能發(fā)揮高的性能

應(yīng)用：適用于不能得到高的切削速度的小徑的立銑刀、小徑鉆頭、鉸刀、絲錐等的工具說明：超微粒子硬質(zhì)合金若與同樣硬度的通常的超硬合金比較的話抗折強(qiáng)度高，若與同樣抗折強(qiáng)度的普通硬質(zhì)合金相比較的話硬度高。切削速度：作為使用用途大致目標(biāo)超硬合金切削速度在50m/min以上，超微粒子超硬合金需要不到50m/min的切削速度最合適。第十七頁，共三十二頁。超硬合金的成分和作用表

因子給予超硬合金性質(zhì)的影響鈷的量1、作為結(jié)合材料被采用，硬度為200HV(軟）2、鈷的含量越多，壓縮強(qiáng)度和縱向彈性率越低，耐沖擊性越高WC的粒度1、如果鈷的含有量一定的話，WC的粒徑越小，硬度越高2、彎曲強(qiáng)度將某個(gè)粒徑作為最高點(diǎn)，比其大或比其小都是低下3、WC的強(qiáng)度在2100HV非常高添加碳化物1、TiC使硬度和耐磨損性提高，但是彎曲強(qiáng)度和耐積削性下降2、減少TiC的粒徑，可使耐積削性提高，改善超硬合金的耐氧化性。第十八頁，共三十二頁。普通的超硬合金的切削條件表(以端面銑刀為例)

被切削材料切削速度(m/min)每轉(zhuǎn)進(jìn)給(mm/rev)切深(mm)普通鑄鐵80-2200.30<=10合金鑄鐵60-1500.30<=5軟鋼120-2200.30<=6中鋼100-2000.30<=8硬鋼30-800.20<=2第十九頁，共三十二頁。2.5其他刀具材料2.5.1陶瓷材料陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分在高溫下燒結(jié)而成的。如：純Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷兩種。

優(yōu)點(diǎn)：有很高的硬度和耐磨性；有很好的耐熱性，在1200℃高溫下仍能進(jìn)行切削；有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的摩擦因數(shù)，抗擴(kuò)散和抗黏結(jié)能力強(qiáng)。

缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、韌性差，抗彎強(qiáng)度僅為硬質(zhì)合金的1/3～1/2；導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為硬質(zhì)合金的1/5～1/2。

應(yīng)用：鋼、鑄鐵及塑性大的材料(如紫銅)的半精加工和精加工，對于冷硬鑄鐵、淬硬鋼等高硬度材料加工特別有效；但不適于機(jī)械沖擊和熱沖擊大的加工場合。2.5其他刀具材料第二十頁，共三十二頁。2.5.2金剛石有三種：天然單晶金剛石刀具、人造聚晶金剛石刀具和金剛石復(fù)合刀具。金剛石復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)上一層厚度約0.5mm的金剛石，形成了金剛石與硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片。

特點(diǎn)：很好的耐磨性，用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷和高鋁硅合金等高硬度、高耐磨材料，刀具耐用度比硬質(zhì)合金提高幾倍甚至幾百倍；金剛石有非常鋒利的切削刃，能切下極薄的切屑，加工冷硬現(xiàn)象較少；金剛石抗黏結(jié)能力強(qiáng)，不產(chǎn)生積屑瘤，很適于精密加工。但其耐熱性差，切削溫度不得超過700℃～800℃；強(qiáng)度低、脆性大，對振動(dòng)很敏感，只宜微量切削；與鐵的親合力很強(qiáng)，不適于加工黑色金屬材料。

應(yīng)用：用于磨具及磨料，作為刀具多在高速下對有色金屬及非金屬材料進(jìn)行精細(xì)切削。2.5其他刀具材料第二十一頁，共三十二頁。說明：對鐵系材料的切削不能使用。因?yàn)榻饎偸某煞值奶荚嘏c鐵系材料反應(yīng)結(jié)合，就會(huì)脫落。對含有高硅的鋁合金、玻璃鋼等含有硬質(zhì)粒、硬質(zhì)纖維類的被切削材料特別有效。比如切削含Si量16%以上的鋁合金切削速度為200-600m/min,切深為0.05-0.20mm,一轉(zhuǎn)進(jìn)給0.05-0.20mm/rev第二十二頁，共三十二頁。2.5.3立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是由立方晶氮化硼（CBN）的微結(jié)晶粒與特殊陶瓷結(jié)合材料在超高溫下致密地?zé)驳牡毒卟牧?，?0世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新材料，硬度高達(dá)8000HV～9000HV，僅次于金剛石，耐熱性卻比金剛石好得多，在高于1300℃時(shí)仍可切削，且立方氮化硼的化學(xué)惰性大，與鐵系材料在1200℃～1300℃高溫下也不易起化學(xué)作用。為此能夠?qū)τ谀蜔岷辖鸷痛慊鸷蟮母吆辖痄摰鹊鹊挠捕葹?0HRC以上的硬材料的精加工和鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金等等的難切削材料用150m/min以上的切削速度切削，精加工面也很好，發(fā)揮很多的優(yōu)秀性能。

2.5其他刀具材料第二十三頁，共三十二頁。特征：

1、最適用于以前依賴于研磨加工的淬火鋼等等的高硬度材料

2、最適用于硬質(zhì)鋼鐵材料的冷硬鋼、高硬度鑄鐵等等

3、對耐熱合金鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金等難切削材料也顯示高性能

4、在鑄鐵的高速精加工中，實(shí)現(xiàn)了刀具的長壽命化

應(yīng)用：立方氮化硼作為一種新型超硬磨料和刀具材料，用于加工鋼鐵等黑色金屬，特別是加工高溫合金、淬火鋼和冷硬鑄鐵等難加工材料，具有非常廣闊得發(fā)展前途。

在我們公司目前使用的CBN刀片主要是用來加工KA20CB吸氣端油缸孔，LG系列油缸體，切削速度為200-300m/min,切深為0.1-0.25mm,一轉(zhuǎn)進(jìn)給0.05-0.15mm/rev，好的CBN刀片切削速度為500-600m/min。第二十四頁，共三十二頁。2.5.4涂層刀片涂層刀片是在韌性和強(qiáng)度較高的硬質(zhì)合金或高速鋼的基體上，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理化學(xué)氣相沉積(PVD)、真空濺射等方法，涂覆一薄層(5～12)顆粒極細(xì)的耐磨、難熔、耐氧化的硬化物(TiC、TiN、TiC-Al2O3)后獲得的新型刀片。具有較高的綜合切削性能，能夠適應(yīng)多種材料的加工。2.5其他刀具材料第二十五頁，共三十二頁。2.6硬度知識(shí)說明硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標(biāo)之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。1.布氏硬度(HB)

以一定的載荷(一般3000kg)把一定大小(直徑一般為10mm)的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時(shí)間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值(HB)，單位為公斤力/mm2(N/mm2)。

2.洛氏硬度(HR)

當(dāng)HB>450或者試樣過小時(shí)，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用洛氏硬度計(jì)量。它是用一個(gè)頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，分三種不同的標(biāo)度來表示：

HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金等)。

第二十六頁，共三十二頁。HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。

HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。

3維氏硬度(HV)

以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度HV值(kgf/mm2)。

『HK=139.54·P/L2。式中：HK－努普硬度，Mpa；P－荷重，kg；L－凹坑對角線長度，mm。我國和歐洲各國采用維氏硬度，美國則采用努普硬度。兆帕（MPa）是顯微硬度的法定計(jì)量單位，而kg/mm2是以前常用的硬度計(jì)算單位。它們之間的換算公式為1kg/mm2=9.80665Mpa。

第二十七頁，共三十二頁。硬度換算公式:

1.肖氏硬度(HS)=勃式硬度(BHN)/10+12

2.肖式硬度(HS)=洛式硬度(HRC)+15

3.勃式硬度(BHN)=洛克式硬度(HV)

4.洛式硬度(HRC)=勃式硬度(BHN)/10-3

硬度測定範(fàn)圍:

HS<100

HB<500

HRC<70

HV<1300

(80~88)HRA,(85~95)HRB,(20~70)HRC

實(shí)踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。但各種材料的換算關(guān)系并不一致。

第二十八頁，共三十二頁。小結(jié)本章主要內(nèi)容是刀具材料應(yīng)具備的性能、常用刀具材料的種類以及常用刀具的牌號、特點(diǎn)、性能和應(yīng)用。刀具材料應(yīng)具備的性能包括足夠的硬度和耐磨性、足夠的強(qiáng)度與韌性、較高的耐熱性、較好的工藝性、較好的傳熱性、經(jīng)濟(jì)性。工具鋼包括碳素工具鋼和合金工具鋼。碳素工具鋼主要用于制造手用刀具、低速及小進(jìn)給量的機(jī)用刀具。合金工具鋼比碳素工具鋼有較高的淬透性、韌性、耐磨性和耐熱性。主要用于制造細(xì)長刀具或截面積大、刃形復(fù)雜的刀具。第二十九頁，共三十二頁。高速鋼按切削性能可分為普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。與碳素工具鋼、合金工具鋼相比，高速鋼還具有較高的硬度、耐磨性