1、第一讲刀具材料及切削机理一、刀具材料一、刀具材料 金属切削过程除了要求刀具具有适当的金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何几何参数参数外，还要求外，还要求刀具材料刀具材料对工件要有良好的对工件要有良好的切削切削性能性能。在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量，刀具消生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量，刀具消耗和加工成本耗和加工成本。正确选择刀具材料是正确选择刀具材料是设计和选用设计和选用刀具的重要内容之刀具的重要内容之一，特别是对某些一，特别是对某些难加工材料难加工材料的切削来讲刀具材料的选用的
2、切削来讲刀具材料的选用显得尤为重要。显得尤为重要。（一）刀具材料应具备的基本性能（一）刀具材料应具备的基本性能 刀具切削部分是在刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦高温、高压及剧烈摩擦的恶劣的恶劣条件下工作的。因此，刀具材料应具备以下基本性能。条件下工作的。因此，刀具材料应具备以下基本性能。1.硬度高硬度高 硬度硬度是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力。是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力。刀具材料的硬度必须刀具材料的硬度必须更高于更高于被加工材料的硬度，一般被加工材料的硬度，一般高于一倍至几倍，否则在高温高压下，就不能保持刀高于一倍至几倍，否则在高温高压下，就不能保持刀具具锋利的几何形状锋利
3、的几何形状。目前，切削性能最差的刀具材料碳素工具钢，目前，切削性能最差的刀具材料碳素工具钢，其硬度在室温条件下也应在其硬度在室温条件下也应在62HRC以上；高速钢的以上；高速钢的硬度为硬度为6370HRC。刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切切削力和冲击力削力和冲击力。例如，车削例如，车削45钢时，当钢时，当ap=4mm，f=0.5mm/r时，时，刀片要承受约刀片要承受约4000N的切削力。的切削力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的一般用刀具材料的抗弯强度抗弯强度b(单位为单位为PaNm。
4、)表示它的表示它的强度强度大小。用大小。用冲击韧度冲击韧度k k(单位为单位为Jm。)表示其表示其韧性韧性的大小，它反映刀具材料的大小，它反映刀具材料抗脆抗脆性断裂和崩刃的能力性断裂和崩刃的能力。2.足够的强度和韧性足够的强度和韧性 刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。一般说，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的刀具材料的耐磨性和耐热性耐磨性和耐热性有着密切的关系。有着密切的关系。其其耐热性耐热性通常用它在通常用它在高温下高温下保持较保持较高硬度高硬度的性的性能即能即高温硬度高温硬度来衡量，或叫来衡量，或叫热硬性热
5、硬性。高温硬度越高，表示耐热性越好高温硬度越高，表示耐热性越好，刀具材，刀具材料在高温时料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。也越强。耐热性差耐热性差的刀具材料，由于高温下硬度显的刀具材料，由于高温下硬度显著下降而会著下降而会很快磨损很快磨损乃至发生乃至发生塑性变形塑性变形，丧失，丧失其切削能力。其切削能力。3.耐磨性和耐热性好耐磨性和耐热性好 刀具材料的刀具材料的导热性导热性用用热导率热导率单位为单位为w（mK)来来表示。表示。热导率大热导率大，表示，表示导热性好导热性好，切削时产生的热量容，切削时产生的热量容易传导出去，从而降低切削部分的温度，易传导
6、出去，从而降低切削部分的温度，减轻减轻刀具磨刀具磨损。损。此外，此外，导热性好导热性好的刀具材料其的刀具材料其耐热冲击和抗热裂耐热冲击和抗热裂的性能增强的性能增强，这种性能对采用脆性刀具材料进行，这种性能对采用脆性刀具材料进行断续断续切削切削，特别在，特别在加工导热性能差加工导热性能差的工件时尤为重要。的工件时尤为重要。4.导热性好导热性好 为了便于制造、要求刀具材料有较好为了便于制造、要求刀具材料有较好的的可加工性可加工性，如热塑性（锻压成形）、焊，如热塑性（锻压成形）、焊接工艺性、切削加工性和热处理工艺性等。接工艺性、切削加工性和热处理工艺性等。5.工艺性好工艺性好6.经济性好经济性好 经
7、济性经济性是是评价新型刀具材料评价新型刀具材料的重要指标的重要指标之一，也是正确选用刀具材料、降低产品之一，也是正确选用刀具材料、降低产品成本的主要依据之一。成本的主要依据之一。（二）（二）刀具材料的分类刀具材料的分类 刀具材料可分为刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材陶瓷、超硬材料五大类。其主要力学物理性能见料五大类。其主要力学物理性能见表表2-1。但目前应用最多的是但目前应用最多的是高速钢和硬质合金高速钢和硬质合金。据。据统计，我国目前统计，我国目前高速钢高速钢用量约占刀具的用量约占刀具的60以上，以上，硬质合金硬质合金的用量约占的用量约占30以上
8、，随着以上，随着难加工难加工材料材料应用的增加，应用的增加，陶瓷刀具和超硬刀具材料陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量的使用量日益增长日益增长。返回1.碳素工具钢碳素工具钢 碳素工具钢是碳素工具钢是含碳量较高含碳量较高的优质钢的优质钢(含碳量为含碳量为0.71.2。如。如T10A等等)，淬火后，淬火后硬度较高、价廉硬度较高、价廉，但，但耐热性耐热性较差较差(表表22)。1）常用牌号）常用牌号：T7A、T8AT13A等。等。2）主要性能：）主要性能：淬火后淬火后硬度较高硬度较高，可达，可达HRC6165；红硬性为红硬性为200250，不耐高温不耐高温；价格低廉价格低廉，切削速度因此而不能提高，允许切削
9、速度，切削速度因此而不能提高，允许切削速度 VC10m/min。3）应用：应用：只能制作只能制作低速手用低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。刀具，如板牙、锯条、锉等。n2.合金工具钢合金工具钢n 在碳素工具钢中加入在碳素工具钢中加入少量的少量的Cr、w、Mn、Si等等元素，形成合金工具钢元素，形成合金工具钢(如如9SiCr等等)，可适当，可适当减少减少热处理变形和提高耐热性热处理变形和提高耐热性(表表22)。n 1 1）主要牌号）主要牌号：9SiCr CrWMn9SiCr CrWMn 2 2）主要性能）主要性能：淬火后的硬度可达淬火后的硬度可达HRC61HRC616565；红硬性为红硬性为300
10、300400400；允许切削速度允许切削速度VcVc=10=1015m/min15m/min；3 3）应用：）应用：制作制作低速、形状比较复杂、要求淬火后低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小变形小的刀具。的刀具。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。2-23.高速钢高速钢 高速钢是一种含高速钢是一种含钨钨(w)、钼、钼(Mo)、铬、铬(cr)、钒、钒(V)等合等合金元素较多的合金工具钢。金元素较多的合金工具钢。1）组成：以重量计：）组成：以重量计：碳碳的质量分数为的质量分数为0.7%15；铬铬的质量分数约为的质量分数约为4%；钨钨的质量分数和的质量分数
11、和钼钼的质量分数为的质量分数为1020%；钒钒的质量分数为的质量分数为15。由于合金元素与碳化合形成较多的由于合金元素与碳化合形成较多的高硬度碳化物高硬度碳化物，如碳化钒，硬度高达如碳化钒，硬度高达2800HV，且，且晶粒细小，分布均匀晶粒细小，分布均匀。而且而且合金元素和碳原子结合力很强合金元素和碳原子结合力很强，提高了马氏体受热，提高了马氏体受热时的稳定性。时的稳定性。2）高速钢的特点）高速钢的特点 （1）高速钢具有）高速钢具有较高的硬度较高的硬度（热处理硬度可达（热处理硬度可达HRC62 67）和）和耐热性耐热性（切削温度可达（切削温度可达550600C），与，与碳素工具钢碳素工具钢和和
12、合金工具钢合金工具钢相比相比切削切削速度速度可提高可提高1 3倍，故得名倍，故得名“高速钢高速钢”，提高，提高耐耐用度用度10 40倍。倍。铬在钢中提高了铬在钢中提高了淬透性淬透性，使小型刀具在，使小型刀具在空气空气中中冷却就能冷却就能淬硬淬硬，且能，且能刃磨得锋利刃磨得锋利，故高速钢又有，故高速钢又有“风钢风钢”或或“锋钢锋钢”之称。可加工包括之称。可加工包括有色金属、有色金属、高温合金高温合金在内的范围广泛的材料。在内的范围广泛的材料。(2)高速钢具有高速钢具有高的强度高的强度(抗弯强度为一般抗弯强度为一般硬质合金的硬质合金的23倍，为陶瓷的倍，为陶瓷的56倍倍)和和韧韧性性，抗冲击振动的
13、能力较强，适宜制造，抗冲击振动的能力较强，适宜制造各各类刀具类刀具。(3)高速钢刀具高速钢刀具制造工艺简单制造工艺简单，能锻造，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，因此在复杂刀具容易磨出锋利的刀刃，因此在复杂刀具(钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等具等)的制造中，高速钢占有重要的地位。的制造中，高速钢占有重要的地位。3)高速钢分类：高速钢分类：(1）按）按用途用途不同，可分为不同，可分为通用型高速钢通用型高速钢和和高性能高性能高速钢高速钢；(2）按制造）按制造工艺方法工艺方法不同，可分为不同，可分为熔炼高速钢熔炼高速钢和和粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢。通用型高速钢
14、通用型高速钢钨系高速钢钨系高速钢钨钼系高速钢钨钼系高速钢 4)钨系高速钢钨系高速钢 其代表是其代表是W18Cr4V(简称简称w18)是我国最常用是我国最常用的一种高速钢。的一种高速钢。由于含由于含钒量较少钒量较少，磨削性能好磨削性能好，其，其刃口容易刃口容易磨得锋利平直磨得锋利平直，综合性能好，通用性强。，综合性能好，通用性强。常温常温硬度硬度可达可达6366HRC，在，在600高温时高温时能保持的硬度能保持的硬度48.5HRC左右。特别是左右。特别是热处理工热处理工艺性好，淬火时过热倾向小艺性好，淬火时过热倾向小，抵抗塑性变形能，抵抗塑性变形能力强。力强。可用于可用于精加工精加工的的复杂刀具
15、复杂刀具，如螺纹车刀，成，如螺纹车刀，成形车刀，宽刃精刨刀、拉刀、齿轮刀具等。形车刀，宽刃精刨刀、拉刀、齿轮刀具等。键槽铣刀键槽铣刀 立铣刀立铣刀n 三面刃铣刀三面刃铣刀 角度铣刀角度铣刀 锯片铣刀锯片铣刀n 圆柱铣刀圆柱铣刀 端铣刀端铣刀 硬质合金铣刀硬质合金铣刀n 盘形齿轮铣刀几何参数盘形齿轮铣刀几何参数n 齿轮滚刀的工作原理齿轮滚刀的工作原理n 阿基米德齿轮滚刀的几何参数阿基米德齿轮滚刀的几何参数n 套装式套装式端面键式端面键式n 带柄式带柄式 插齿刀工作原理插齿刀工作原理n 盘形剃齿刀工作原理盘形剃齿刀工作原理n W18钢的缺点是钢的缺点是碳化物分布常不均匀，碳化物分布常不均匀，剩余碳
16、化物颗粒较大剩余碳化物颗粒较大。如锻造不均，则。如锻造不均，则会影响会影响薄刃刀具薄刃刀具的寿命、制造的寿命、制造较大截面较大截面刀具时，刀具时，强度显得不够强度显得不够(抗弯强度仅为抗弯强度仅为22.3GPa)，只有在制造，只有在制造小截面小截面刀具时，才刀具时，才获得满意的强度获得满意的强度(33.4GPa)。此外，。此外，W18钢钢热塑性较差，不适合作热轧刀具热塑性较差，不适合作热轧刀具。5)钨钼系高速钢钨钼系高速钢 W6M05Cr4V2(简称简称M2)是我国是我国常用的典型钨常用的典型钨钼钼系高速钢种。系高速钢种。用用1%的钼可代替的钼可代替2的钨，的钨，钼钼的加入使钢中的加入使钢中合
17、合金元素减少金元素减少，从而，从而减小减小了碳化物了碳化物数量数量及其分及其分布的布的不均匀性不均匀性，细化细化了晶粒。了晶粒。与与W18钢相比，钢相比，M2钢钢抗弯强度抗弯强度提高约提高约17，冲击韧度提高约冲击韧度提高约40%以上，而且以上，而且大截面刀具大截面刀具也也具有同样的具有同样的强度和韧性强度和韧性，可用于制造截面，可用于制造截面较大较大的刀具的刀具，或承受，或承受较大冲击力较大冲击力的刀具的刀具(如插齿刀如插齿刀)以及结构以及结构较薄弱较薄弱的刀具的刀具(如麻花钻、丝锥等如麻花钻、丝锥等)。M2钢的热塑性很好，磨削加工性能钢的热塑性很好，磨削加工性能好，特别适用于好，特别适用于
18、制造轧制或扭制钻头制造轧制或扭制钻头等等热成形刀具，是目前各国使用较多的一热成形刀具，是目前各国使用较多的一种高速钢。种高速钢。M2钢的缺点是钢的缺点是热硬性和高温硬度热硬性和高温硬度略略低于低于W18钢，故钢，故高温切削性能稍逊高温切削性能稍逊。此。此外，热处理时外，热处理时脱碳倾向大脱碳倾向大，较易氧化较易氧化，淬火温度范围较窄淬火温度范围较窄。高性能高速钢是在高性能高速钢是在普通高速钢普通高速钢的基础上，的基础上，用用调整其基本化学成分和添加调整其基本化学成分和添加一些其他合金元一些其他合金元素素(如钒、钴、铅、硅、铌等如钒、钴、铅、硅、铌等)的办法，着重提的办法，着重提高其高其耐热性和
19、耐磨性耐热性和耐磨性而衍生出来的。而衍生出来的。主要用来加工主要用来加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金和超高强度钢合金和超高强度钢等难加工材料，这类高速钢等难加工材料，这类高速钢的的不同牌号不同牌号只有在只有在各自的规定切削条件下各自的规定切削条件下使用使用才能达到良好的切削性能。才能达到良好的切削性能。6)高性能高速钢高性能高速钢(1)常用牌号常用牌号:高碳高速钢高碳高速钢:9W18Cr4V(9W18),9W6Mo5Cr4V2(CM2)。其碳的质量分数从普通高速钢的其碳的质量分数从普通高速钢的0.70.8增加增加到到0.9l.0%，使常温硬度提高到，使常温硬度提高到
20、6668HRC，600c时高温硬度提高到时高温硬度提高到5152HRC。适用于适用于耐磨性耐磨性要求高的铰刀、锪钻，丝锥以及加工要求高的铰刀、锪钻，丝锥以及加工较硬材料较硬材料(220250HBS)的刀具。的刀具。(2)含铝高速钢含铝高速钢 铝高速钢铝高速钢W6M05cr4V2A1(简称简称501)和和W10M04Cr4V3Al(简称简称5F一一6)是我国是我国独创的新钢种独创的新钢种，这种钢常温硬度为这种钢常温硬度为6769HRC，600C高温时硬度高温时硬度为为5455HRc，切削性能相当于，切削性能相当于钴高速钢钴高速钢M42，刀，刀具寿命比具寿命比W18cr4V显著提高显著提高(至少至
21、少12倍倍)，而价格，而价格却相差不多，用这种钢做的齿轮滚刀允许却相差不多，用这种钢做的齿轮滚刀允许l 67ms的切削速度。的切削速度。(3)钴高速钢钴高速钢M42(W2MO9Cr4VCO8)和和W10MO4Cr4V3CO10 高速钢中加入高速钢中加入钴钴可提高钢的可提高钢的热稳定性热稳定性，促进，促进回回火时碳化物的析出火时碳化物的析出，增加，增加弥散硬化弥散硬化效果效果，提高回火提高回火硬度硬度。从而提高常温和高温硬度及抗氧化能力。从而提高常温和高温硬度及抗氧化能力。由于由于钴钴的的热导率较高热导率较高，加入，加入钴钴可以改善高速钢可以改善高速钢的的导热性导热性，并，并降低摩擦因数降低摩擦
22、因数，从而提高切削速度。，从而提高切削速度。（4）高钒高速钢）高钒高速钢 W6Mo5Cr4V3、W12Cr4V4Mo 高钒高速钢质量分数在高钒高速钢质量分数在35，由于，由于形成大量形成大量高硬度耐磨高硬度耐磨的碳化钒弥散在钢中，的碳化钒弥散在钢中，提高了高速钢的耐磨性，且能提高了高速钢的耐磨性，且能细化晶粒和降细化晶粒和降低钢的过热敏感性低钢的过热敏感性。7）粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢 是是20世纪世纪70年代开发的新型刀具年代开发的新型刀具材料，其工艺方法是用材料，其工艺方法是用高压惰性气体高压惰性气体（氩气或氮气）或（氩气或氮气）或高压雾化高压雾化高速钢得高速钢得到到细小细小的高速钢粉
23、末，再经热压制成的高速钢粉末，再经热压制成刀具毛坯。刀具毛坯。与熔炼高速钢相比具有以下优点：与熔炼高速钢相比具有以下优点：（1）能解决）能解决碳化物偏析碳化物偏析 普通普通熔炼高速钢熔炼高速钢在铸锭时会产生在铸锭时会产生粗大碳化物粗大碳化物共共晶偏析，碳化物晶粒尺寸大到晶偏析，碳化物晶粒尺寸大到8020m。而。而粉末粉末冶金高速钢碳化物冶金高速钢碳化物晶粒为晶粒为25 m，且无碳化物偏，且无碳化物偏析，从而提高了析，从而提高了钢的强度、韧性和硬度钢的强度、韧性和硬度，其硬度，其硬度可达可达6 970HRC。（2）能保证各向同性能保证各向同性 由于粉末冶金的工艺特点，保证了粉末冶金高由于粉末冶金
24、的工艺特点，保证了粉末冶金高速速钢的各向同性，从而钢的各向同性，从而减小了热处理内应力和变减小了热处理内应力和变形，适合制造各种形，适合制造各种精密和复杂精密和复杂刀具。刀具。（3）磨削加工性好）磨削加工性好 钒钒的质量分数的质量分数5的粉末冶金高速钢的的粉末冶金高速钢的磨磨削加工性削加工性，相当于，相当于钒钒的质量分数为的质量分数为2的普通的普通高速钢。磨削效率比熔炼高速钢高高速钢。磨削效率比熔炼高速钢高23倍，倍，表面粗糙度值显著减小表面粗糙度值显著减小。（4）能制造超硬高速钢能制造超硬高速钢 粉末冶金高速钢新工艺，为在现有高速钢中加粉末冶金高速钢新工艺，为在现有高速钢中加入入高碳化物高碳
25、化物(TiC和和NbC)和制造和制造超硬高速钢超硬高速钢新材料新材料提供了可能性提供了可能性。（5）能节约钢材和工时能节约钢材和工时 用粉末冶金直接用粉末冶金直接压制刀坯压制刀坯时，可大大减小时，可大大减小加工余量、节约钢材和工时。加工余量、节约钢材和工时。3.硬质合金硬质合金 硬质台金是用硬质台金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(碳化钨碳化钨WC、碳化钛、碳化钛TiC、碳化钽、碳化钽TaC，碳化铌，碳化铌NbC等等)与金属粘结剂与金属粘结剂(钴、镍、钼钴、镍、钼等等)在在高温下烧结高温下烧结而成的粉末而成的粉末冶金制品。冶金制品。硬度硬度为为HRA8 993，
26、能耐，能耐8501000的高温，具有的高温，具有良好的良好的耐磨性耐磨性，允许使用的切削速度可达，允许使用的切削速度可达100300mmin，可加工包括淬硬钢在内的多种材料，因此获得广，可加工包括淬硬钢在内的多种材料，因此获得广泛应用。泛应用。但是，硬质台金的但是，硬质台金的抗弯强度低，冲击韧性差，刃口抗弯强度低，冲击韧性差，刃口不锋利，较难加工，不易做成形状较复杂的整体刀具不锋利，较难加工，不易做成形状较复杂的整体刀具，因此目前还不能完全取代高速钢。常因此目前还不能完全取代高速钢。常 用的硬质台金有用的硬质台金有钨钴钨钴类（类（YG类类)、钨钛钴钨钛钴类类(YT类类)和通用和通用硬质合金硬质
27、合金(YW类类)三类。三类。硬质合金牌号的表示方法硬质合金牌号的表示方法YG6X硬的汉硬的汉语拼音语拼音第一个第一个字母字母G6钨钴类合金及钨钴类合金及钴含量钴含量.T15钨钴钛类合钨钴钛类合金及金及TiC含量含量.W钨钴钛钨钴钛T钽类钽类合金。合金。N钨钛镍钼合金钨钛镍钼合金附加字母分别表附加字母分别表示示X细晶粒细晶粒C粗晶粒粗晶粒N加铌元素加铌元素A加钽元素加钽元素1）钨钴类（）钨钴类（YG）YG类硬质合金主要由类硬质合金主要由碳化钨碳化钨（WC）和）和钴钴（Co）组成，常用的牌号有组成，常用的牌号有YG3、YG6、YG8等。等。YG类硬质合金的类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性抗弯强度和冲
28、击韧性较好，较好，不易不易崩刃崩刃，很适宜切削，很适宜切削切屑切屑呈呈崩碎状的铸铁崩碎状的铸铁等等脆性脆性材料。材料。YG类硬质合金的类硬质合金的刃磨性刃磨性较好，较好，刃口刃口可以磨得较可以磨得较锋利锋利，故切削有，故切削有色金属色金属等合金的效果也较好。由于等合金的效果也较好。由于YG类硬质合金的类硬质合金的耐热性和耐磨性较差耐热性和耐磨性较差，因此一般不，因此一般不用于普通钢材的切削加工。用于普通钢材的切削加工。但它的韧性好，导热系数较大，可以用来但它的韧性好，导热系数较大，可以用来加工不加工不锈钢和高温合金钢锈钢和高温合金钢等难加工材料。等难加工材料。2）钨钛钴类钨钛钴类(YT类类)Y
29、T类硬质合金主要由类硬质合金主要由碳化钨、碳化钛和钴碳化钨、碳化钛和钴组成，常用的牌号有组成，常用的牌号有YT5、YTl5、YT30等。等。它里面加入了它里面加入了碳化钛碳化钛后，增加了硬质合金的后，增加了硬质合金的硬硬度、耐热性、抗粘接性和抗氧化度、耐热性、抗粘接性和抗氧化能力。能力。但由于但由于YT类硬质合金的类硬质合金的抗弯强度和冲击韧抗弯强度和冲击韧性较差性较差，故主要用于切削切屑一般呈，故主要用于切削切屑一般呈带状带状的普的普通碳钢及合金钢等塑性材料。通碳钢及合金钢等塑性材料。3）通用硬质台金通用硬质台金(YW类类)钨钛钽钨钛钽(铌铌)钴钴类硬质合金类硬质合金(YW类类)它是在普通它
30、是在普通硬质合金中硬质合金中加入了少量加入了少量的的稀有高熔点稀有高熔点金属碳化金属碳化钽（钽（TaC)或碳化铌或碳化铌(NbC)，能阻止，能阻止WC晶粒在晶粒在烧结过程中长大，起到细化晶粒的作用。从而烧结过程中长大，起到细化晶粒的作用。从而提高了硬质合金的提高了硬质合金的韧性和耐热性韧性和耐热性，使其具有较，使其具有较好的综合切削性能。好的综合切削性能。YW硬质合金主要用于硬质合金主要用于不锈钢、耐热钢、高不锈钢、耐热钢、高锰钢锰钢的加工，也适用于的加工，也适用于普通碳钢和铸铁普通碳钢和铸铁的加工，的加工，因此被称为通用型硬质合金，常用的牌号有因此被称为通用型硬质合金，常用的牌号有YWl、Y
31、W2等。等。不同硬质合金牌号的性能和应用范围见表不同硬质合金牌号的性能和应用范围见表2 3。2-3TiC62%涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，采用采用化学气相沉积化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积或物理气相沉积(PVD)的工艺方法，的工艺方法，涂覆一薄层涂覆一薄层(约约512um)高硬度、耐磨性高、难熔金属化合物高硬度、耐磨性高、难熔金属化合物(TlC、TiN、AL2O3等等)而获得的。这样，可使刀片既保持了而获得的。这样，可使刀片既保持了普通硬质合金基体的强度和韧性，又使表面有普通硬质合金基体的强度和韧性，又使表面有更高的
32、硬度更高的硬度(可可达达1 5003000HV)和和耐磨性耐磨性。更小的摩擦因数和高的耐热性。更小的摩擦因数和高的耐热性(达达8001200)。实践证明，涂层刀片在实践证明，涂层刀片在高速切削钢件和铸铁高速切削钢件和铸铁时能获得良好时能获得良好效果，比未涂层刀片的刀具寿命提高效果，比未涂层刀片的刀具寿命提高13倍，高者可达倍，高者可达510倍。倍。此外，涂层刀片通用性好，一种涂层刀片可代替几种未涂此外，涂层刀片通用性好，一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片使用，大大简化了刀具管理和降低了刀具成本，获得层刀片使用，大大简化了刀具管理和降低了刀具成本，获得较好的经济效益。较好的经济效益。4.涂层刀具和
33、其他刀具材料涂层刀具和其他刀具材料1）涂层刀具）涂层刀具 碳化钛碳化钛的的硬度硬度比比氮化钛高氮化钛高，抗磨损性，抗磨损性能好，对于会产生剧烈磨损的刀具，能好，对于会产生剧烈磨损的刀具，碳碳化钛涂层化钛涂层较好。较好。氮化钛氮化钛与金属的与金属的亲和力小亲和力小，润滑性能，润滑性能好，在容易产生好，在容易产生粘结粘结的条件下，的条件下，氮化钛氮化钛涂层涂层较好。较好。在在高速切削高速切削产生大量热量的场合，以产生大量热量的场合，以采用采用氧化铝涂层氧化铝涂层为好，因为氧化铝在高为好，因为氧化铝在高温下有良好的热稳定性能。温下有良好的热稳定性能。由表由表2-3可以看出，由于碳化物的硬度和熔可以看
34、出，由于碳化物的硬度和熔点比粘接剂高得多，因此在硬质合金中，如果点比粘接剂高得多，因此在硬质合金中，如果碳化物所占比例大，则硬质合金的硬度就高，碳化物所占比例大，则硬质合金的硬度就高，耐磨性也好耐磨性也好；反之，若钴、镍等金属粘结剂的；反之，若钴、镍等金属粘结剂的含量多，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强度含量多，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强度和冲击韧性就有所提高。和冲击韧性就有所提高。硬质合金的性能还与其晶粒大小有关。当粘硬质合金的性能还与其晶粒大小有关。当粘结剂的含量一定时，碳化物的晶粒越细，则结剂的含量一定时，碳化物的晶粒越细，则硬硬质合金的硬度越高，而抗弯强度和冲击韧性降质合金的硬度越高
35、，而抗弯强度和冲击韧性降低低；反之，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强；反之，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强度和冲击韧性就会有所提高。度和冲击韧性就会有所提高。陶瓷刀具材料的主要成分是陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点硬度和熔点都很高的都很高的Al2O3。、。、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳金属碳化物、氧化物或纯金属化物、氧化物或纯金属等添加剂，经压制成形后烧结而成等添加剂，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。的一种刀具材料。硬度可达到硬度可达到HRA9195，在，在1200的切削温度下仍可的切削温度下仍可保持保持HRA80的硬度。的硬度。另外，它的化
36、学惰性大，摩擦系数小，耐磨性好，加另外，它的化学惰性大，摩擦系数小，耐磨性好，加工钢件时的寿命为硬质合金的工钢件时的寿命为硬质合金的101 2倍。倍。最大缺点是最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧性低脆性大，抗弯强度和冲击韧性低。因此它主。因此它主要用于要用于半精加工和精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸铁半精加工和精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等等材料。材料。常用的陶瓷刀具材料有常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷，复合氧化铝陶瓷以，复合氧化铝陶瓷以及复合氧化硅陶瓷等。及复合氧化硅陶瓷等。2）陶瓷材料）陶瓷材料3）超硬材料）超硬材料（1 1）人造金刚石）人造金刚石 金刚石是碳的金刚石是碳的同素
37、异构体同素异构体，分，分天然天然金刚石和金刚石和人人造造金刚石两种。人造金刚石是在金刚石两种。人造金刚石是在高温高温(约约20002000C)C)、高压高压(5(59GPa)9GPa)和和金属触媒金属触媒作用的条件下，由作用的条件下，由石墨石墨转化转化而成的。金刚石刀具的性能特点是：而成的。金刚石刀具的性能特点是：有极高的硬度和耐磨性有极高的硬度和耐磨性 人造金刚石的硬度高达人造金刚石的硬度高达10000HV，比硬质合，比硬质合金的硬度金的硬度(13001800HV)和陶瓷的硬度高几倍，和陶瓷的硬度高几倍，是世界已发现的是世界已发现的最硬材料最硬材料。人造金刚石的耐磨。人造金刚石的耐磨性为硬质
38、合金的性为硬质合金的6080倍。倍。有锋利的切削刃有锋利的切削刃 人造金刚石的人造金刚石的切削刃钝圆半径很小切削刃钝圆半径很小，能进行超，能进行超精密微量切削，使已加工表面冷硬层很小，精密微量切削，使已加工表面冷硬层很小，尺寸尺寸精度和几何形状精度精度和几何形状精度可达到可达到31m，表面粗糙度，表面粗糙度值可达到值可达到Ra0.020.06 m），可实现），可实现镜面镜面加工。加工。有很高的导热性有很高的导热性 人造金刚石有较低的人造金刚石有较低的线膨胀系数和摩擦系数线膨胀系数和摩擦系数。其热导率约为硬质台金的其热导率约为硬质台金的27倍，陶瓷的倍，陶瓷的736倍，而热膨胀系数只有硬质台金的
39、倍，而热膨胀系数只有硬质台金的1/1l和陶瓷的和陶瓷的18。固此，切削热变形小，尺寸精度稳定。固此，切削热变形小，尺寸精度稳定。耐热性较差耐热性较差 人造金刚石的温度超过人造金刚石的温度超过800C时就会碳化时就会碳化而失去切削能力；且与铁有而失去切削能力；且与铁有较强的化学亲和较强的化学亲和力力。高温时金刚石中的碳元素会很快扩散到。高温时金刚石中的碳元素会很快扩散到铁中去，而使刃口铁中去，而使刃口“破裂破裂”。因此，金刚石。因此，金刚石刀具一般不适于加工铁系金属。刀具一般不适于加工铁系金属。强度很低强度很低 人造金刚石人造金刚石脆性大脆性大，抗，抗冲击能力差冲击能力差，对，对振动振动很敏感很
40、敏感，要求机床精度高、平稳性好，且只适，要求机床精度高、平稳性好，且只适于切削层面积不大的精细加工。于切削层面积不大的精细加工。使用场合：使用场合：人造金刚石主要用于制作人造金刚石主要用于制作磨具和磨料磨具和磨料，用，用作刀具材料时，多用于在作刀具材料时，多用于在高速下精细车削或高速下精细车削或镗削镗削有色金属及非金属材料。有色金属及非金属材料。尤其是用它切削加工尤其是用它切削加工硬质合金、陶瓷、高硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的的材料时，具有很大的优越性。材料时，具有很大的优越性。金刚石砂轮激光金刚石切割片（2)立方氮化硼立方氮化硼
41、（CBN）立方氮化硼是由立方氮化硼是由六方氮化硼六方氮化硼（俗称白石墨）在（俗称白石墨）在高高温高压下加入催化剂温高压下加入催化剂转变而成的。转变而成的。它是它是70年代才发展起来的一种新型刀具材年代才发展起来的一种新型刀具材料，其特点：料，其特点：硬度很高硬度很高 可达到可达到HV80009000 热稳定性好热稳定性好 立方氮化硼具有比金刚石更好的立方氮化硼具有比金刚石更好的热稳定性热稳定性，其，其耐热性可达耐热性可达13001400C，其高温硬度高于陶，其高温硬度高于陶瓷刀具。当温度高达瓷刀具。当温度高达1370 C以上时，才开始由以上时，才开始由立方晶体转变为六方晶体而软化。因此，立方晶
42、体转变为六方晶体而软化。因此，CBN适适合在高速下加工高温合金。合在高速下加工高温合金。化学稳定性好化学稳定性好 立方氮化硼具有比金刚石更好的立方氮化硼具有比金刚石更好的化学惰性化学惰性，在，在1000 C以下时，不发生氧化现象，与铁系金属在以下时，不发生氧化现象，与铁系金属在12001300 C时也不易起化学反应。时也不易起化学反应。因此，在高速下切削因此，在高速下切削淬火钢，冷硬铸铁淬火钢，冷硬铸铁时其时其粘粘接和扩散接和扩散磨损较小，但在高温时磨损较小，但在高温时(1000以上以上)易与水易与水产生化学反应产生化学反应有较高的热导率和较小的摩擦系数有较高的热导率和较小的摩擦系数 立方氮化
43、硼立方氮化硼的的热导率热导率比比金刚石金刚石低低(约为金刚石约为金刚石的的12)但远高于陶瓷刀具，且热导率随温度的但远高于陶瓷刀具，且热导率随温度的升高而增加。这一性能对降低刀尖处的温度大升高而增加。这一性能对降低刀尖处的温度大有好处，并且摩擦系数小。有好处，并且摩擦系数小。强度及韧性较差强度及韧性较差 立方氮化硼立方氮化硼的抗弯强度约为陶瓷刀具的的抗弯强度约为陶瓷刀具的1512，一般只用于精加工，一般只用于精加工 根据根据CBN的性能特点，它最适于加工的性能特点，它最适于加工高硬度淬高硬度淬火钢、高温合金火钢、高温合金等。特别在精镗小直径孔时等。特别在精镗小直径孔时(635mm)，公差等级可
44、达，公差等级可达IT6级，表面粗糙度值小于级，表面粗糙度值小于Ra0.2m。CBN一般不适合加工一般不适合加工塑性大塑性大的钢铁金属的钢铁金属和镍基合金，也不适合加工和镍基合金，也不适合加工铝合金及铜合金铝合金及铜合金，因容，因容易产生严重的易产生严重的积屑瘤积屑瘤，使已加工表面质量恶化。，使已加工表面质量恶化。由于由于CBN脆性大，不宜低速切削脆性大，不宜低速切削，通常采用，通常采用负负前角前角高速切削，以发挥刀具材料在高温时相对工件高速切削，以发挥刀具材料在高温时相对工件材料的硬度优势。材料的硬度优势。(三三)刀具材料的选择刀具材料的选择 如何才能正确选择如何才能正确选择刀具材料、牌号刀具
45、材料、牌号，需要全，需要全面掌握金属切削的面掌握金属切削的基本知识和规律基本知识和规律，最主要的，最主要的是了解是了解刀具材料的切削性能刀具材料的切削性能和和工件材料的切削工件材料的切削加工性能加工性能以及以及加工条件加工条件，抓住切削中的主要矛，抓住切削中的主要矛盾并考虑经济合理来决定取舍。盾并考虑经济合理来决定取舍。一般应遵循以下原则：一般应遵循以下原则：1.加工加工普通工件材料普通工件材料时，一般选用时，一般选用普通高速钢与普通高速钢与硬质合金硬质合金；加工；加工难加工材料难加工材料时，可选用时，可选用高性能和高性能和新型刀具材料牌号新型刀具材料牌号。只有在加工。只有在加工高硬材料或精密
46、高硬材料或精密加工加工中常规刀具材料难以胜任时，才考虑用中常规刀具材料难以胜任时，才考虑用超硬超硬材料立方氮化硼和金刚石材料立方氮化硼和金刚石。2.由于任何刀具材料在由于任何刀具材料在强度、韧性和硬度耐磨性强度、韧性和硬度耐磨性两者之间总是两者之间总是难以完全兼顾难以完全兼顾的，我们在选择的，我们在选择刀具刀具材料牌号材料牌号时，根据时，根据工件材料切削加工性和加工条工件材料切削加工性和加工条件件，通常先考虑，通常先考虑耐磨性耐磨性，崩刃问题尽可能用，崩刃问题尽可能用最佳最佳几何参数几何参数解决。解决。如果因刀具材料如果因刀具材料性脆性脆还要还要崩刃崩刃，再考虑，再考虑降低降低耐磨性耐磨性要求
47、，选要求，选强度和韧性较好强度和韧性较好的牌号。的牌号。一般来说，一般来说，低速切削低速切削时，切削过程时，切削过程不平稳不平稳，容易产生容易产生崩刃崩刃现象，宜选现象，宜选强度和韧性好强度和韧性好的刀具材的刀具材料料.高速切削高速切削时，时，高的切削温度高的切削温度对刀具材料的对刀具材料的磨磨损损影响最大，应选择影响最大，应选择耐磨性好耐磨性好的刀具材料牌号。的刀具材料牌号。二二、金属切削过程金属切削过程 金属切削过程：金属切削过程：是用是用刀具从工件刀具从工件表面上表面上切切去多余的金属去多余的金属，形成形成已加工已加工表面表面的过程，也的过程，也是工件的是工件的切削层切削层在在刀具刀具前
48、面前面挤压挤压下产生下产生塑性塑性变形变形，形成切屑形成切屑而被切下来的过程。而被切下来的过程。切削过程中存在许多物理现象，如切削过程中存在许多物理现象，如切削力、切削切削力、切削热、刀具磨损热、刀具磨损等，都与金属的变形及其变化规律有等，都与金属的变形及其变化规律有密切的关系，研究切削过程对保证密切的关系，研究切削过程对保证加工质量、提高加工质量、提高生产率、降低成本和促进切削加工技术的发展生产率、降低成本和促进切削加工技术的发展，有，有着十分重要的意义。着十分重要的意义。（一）切削过程及切屑类型（一）切削过程及切屑类型 切削过程中的各种物理现象，都是以切削过程中的各种物理现象，都是以切屑形
49、切屑形成过程成过程为基础的。了解为基础的。了解切屑形成切屑形成过程，对理解过程，对理解切削规律及其本质是非常重要的，现以塑性金切削规律及其本质是非常重要的，现以塑性金属材料为例，说明切屑的形成及切削过程中的属材料为例，说明切屑的形成及切削过程中的变形情况。变形情况。1.切屑的形成过程切屑的形成过程 图图2-1所示为将切屑形成过程粗略地所示为将切屑形成过程粗略地比拟比拟为为推推挤一叠卡片挤一叠卡片的形象化模型。的形象化模型。切屑形成过程模拟切屑形成过程模拟返回返回 金属被切削层好比一迭卡片金属被切削层好比一迭卡片1、2 、3 、4 等等,当刀具切入时这迭卡片被推到当刀具切入时这迭卡片被推到1、2
50、、3、4.的位置。卡片之间发生的位置。卡片之间发生滑移滑移，滑移的方向滑移的方向就就是是剪切面剪切面。当然。当然卡片和前刀面接触卡片和前刀面接触这一端应该是这一端应该是平整平整的，的，外侧外侧是是锯齿的、或呈不明显的毛茸状锯齿的、或呈不明显的毛茸状。返回返回 当刀具作用于切屑层，切削刃由当刀具作用于切屑层，切削刃由a相对运动至相对运动至0时，整个切削单元时，整个切削单元OMma就沿着就沿着OM面发生面发生剪剪切滑移切滑移；或者；或者O面不动，平行四边形面不动，平行四边形OMma受到受到剪切应力剪切应力的作用，变成了平行四边形的作用，变成了平行四边形OMm1a1。(图图2-1(b)。实际上切屑单
