1、2020年7月29日星期三,1,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,超硬刀具,課后思考題,1. 為什么切削加工時刀具要具有一定的幾何形狀？ 2. 主運動和輔助運動各有哪些特點？ 3. 車刀的前角、后角、刃傾角和主偏角對切削加工有何影響？,2020年7月29日星期三,2,時間是世界上一切成就的土壤。 時間給空想者痛苦，給創(chuàng)造者幸福。 麥金西,如果說，空間總是不那么公正，那么，時間總是相當公正的。,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,3,學習內(nèi)容,1. 刀具材料應具備的性能； 2. 高速鋼和硬質(zhì)合金的性能； 其它刀具材料的性能； 超硬刀具的類型和特點。

2、,重點、難點,高速鋼和硬質(zhì)合金的特點和應用。,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,4,2.1 刀具材料應具備的性能,一、高的硬度和高耐磨性,硬度是刀具材料應具備的基本特性。,耐磨性是指材料抵抗磨損的能力。,應具備性能,刀具材料（cutting tool materials） 指刀具上參與切削部分的材料。,常用刀具材料,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,5,二、足夠的強度和韌性,強度是刀具材料抵抗破壞的能力。,韌性是指材料發(fā)生斷裂時外界做功的大小。,三、高的耐熱性和熱傳性,四、良好的工藝性和經(jīng)濟性,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料

3、,超硬刀具,2020年7月29日星期三,6,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,7,常用刀具材料,2.2 常用的刀具材料,一、工具鋼,碳素工具鋼是含碳量為0.651.3的優(yōu)質(zhì)碳素鋼。常用的鋼號有T7A、T8A等。,耐熱溫度：200300。,1. 碳素工具鋼,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,切削速度：58m/min。,2020年7月29日星期三,8,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,碳素工具鋼的常見用途,2020年7月29日星期三,9,2. 合金工具鋼,1868年，英國穆舍特制成含鎢的合金工具鋼。在碳素工具鋼中加入適當?shù)你t（Cr）、硅

4、（Si）、錳（Mn）、釩（V）、鎢（W）等煉成的。,耐熱溫度：325400。,常用的合金工具鋼有9CrSi，CrWMn等。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,主要用于制造細長的或截面積大、刃形復雜的刀具。,切削速度：812m/min。,2020年7月29日星期三,10,二、高速鋼,耐熱溫度：500650。,高速鋼的抗彎強度是硬質(zhì)合金的35倍，沖擊韌性是硬質(zhì)合金的610倍。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,高速鋼是一種富含鎢（W）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、釩（V）等元素的高合金工具鋼。 美國的F.W.泰勒和M.懷特于1898年創(chuàng)制的。含碳量一般在0.701.65

5、之間。,切削速度：2530m/min。,2020年7月29日星期三,11,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,12,常用高速鋼的種類、性能和應用,1. 普通高速鋼（HSS）,鎢系高速鋼：W18Cr4V (W18) 具有較好的綜合性能，可制造復雜刃型的刀具。但由于鎢是稀有金屬，現(xiàn)在很少使用。 鎢鉬系高速鋼：W6Mo5Cr4V2 (M2) M2的碳化物顆粒小，分布均勻，具有較高的抗彎強度、塑性、韌性和耐磨性。又因為鉬的存在，使其熱塑性非常好。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,13,常用刀具材料,應具備性能,其它

6、刀具材料,超硬刀具,普通高速鋼常見用途,2020年7月29日星期三,14,2. 高性能高速鋼（HSS-E）,高性能高速鋼是在普通高速鋼中增加一些碳、釩及添加鈷（Co）、鋁等元素的新鋼種。,鈷高速鋼：W2Mo9Cr4VCo8 (M42) 一種含鈷的超硬高速鋼，常溫硬度67HRC-69HRC，具有良好的綜合性能。 鋁高速鋼：W6Mo5Cr4V2Al 在M2的基礎(chǔ)上加Al、增C，提高了鋼的耐熱性和耐磨性。在600時的硬度能達到54HRC，其切削性能較好，應用廣泛。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,15,3. 粉末冶金高速鋼（HSS-PM）,粉末冶金高速鋼

7、是把煉好的高速鋼液，在保護性氣罐中，在高壓氬氣或純氮氣等惰性氣體中霧化成細小粉末，并在高速冷卻下獲得細小而均勻的結(jié)晶組織，然后將粉末在高溫高壓下壓制成致密的鋼坯，最后用一般鍛造或軋制方法成形。,其碳化物顆粒小、分布均勻，有良好的各向同性的力學性能，熱處理變形小，耐磨性和可磨性好。用于制造各種復雜形狀的高性能刀具、精密刀具； 該種鋼的冶煉成本高，國內(nèi)應用較少。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,16,三、硬質(zhì)合金,硬質(zhì)合金是以碳化鎢(WC)，碳化鈦(TiC)粉末為主要成分，并以鈷、鉬、鎳(Ni)為粘結(jié)劑在真空爐或氫氣還原爐中燒結(jié)而成的粉末冶金制品。,1

8、923年，德國的施勒特爾往碳化鎢粉末中加入1020的鈷做粘結(jié)劑，發(fā)明了碳化鎢和鈷的新合金，硬度僅次于金剛石。這是世界上人工制成的第一種硬質(zhì)合金。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,17,1.硬質(zhì)合金的主要性能,（1） 硬度高； （2） 耐熱性好； （3） 較脆，抗彎強度和沖擊韌性比高速鋼低； （4） 可加工性差。,耐熱溫度：8001000。,常溫硬度達8994HRA,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,切削速度：200300m/min。,2020年7月29日星期三,18,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月2

9、9日星期三,19,2.普通硬質(zhì)合金,K類硬質(zhì)合金 (鎢鈷類，標準YG類),YG3X-碳化鎢（WC）97、鈷（Co）3% YG8C-碳化鎢（WC）92、鈷（Co）8%,主要用于加工鑄鐵、非鐵材料和非金屬材料。,這類硬質(zhì)合金的成分為9097的碳化鎢加上310的鈷。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,20,P類硬質(zhì)合金 (鎢鈦鈷類，標準YT類),YT5-碳化鈦（TiC）5、碳化鎢（WC）85、鈷（Co）10% YT30-碳化鈦（TiC）30、碳化鎢（WC）66、鈷（Co）4%,主要用于加工以鋼為代表的塑性材料，不宜加工不銹鋼和鈦合金。,這類硬質(zhì)合金的成分為

10、540的碳化鈦，其余均為碳化鎢和鈷。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,21,M類硬質(zhì)合金 (鎢鈦鉭（鈮）類，標準YW類),硬質(zhì)合金的成分：510碳化鈦（TiC）加上碳化鉭TaC (NbC)，其余均為碳化鎢（WC）和鈷（Co）。 國內(nèi)常用的牌號為YW1、YW2等。,既可以加工鑄鐵、非鐵材料，也可以加工鋼材，稱為通用硬質(zhì)合金。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,22,碳化鉭(TaC)或碳化鈮(NbC)的作用： 提高合金的高溫硬度與高溫強度； 與鋼的粘結(jié)溫度較高，減緩了合金成分向鋼中擴散，延長刀具壽命； 在合金

11、中的質(zhì)量分數(shù)達到1215時，可提高抵抗周期性溫度變化的能力，防止產(chǎn)生裂紋； 改善合金的焊接、刃磨工藝性，提高合金的使用性能。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,23,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,24,四、涂層刀具,在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，或在高速鋼刀具基體上，涂一薄層或多層硬度和耐磨性很高的難熔金屬化合物（TiC、TiN、TiCN、Al2O3）而制成的刀具。,1969年瑞典研制成功了碳化鈦涂層刀具，其基體是鎢鈦鈷硬質(zhì)合金或鎢鈷硬質(zhì)合金，表面碳化鈦涂層的厚度僅有幾微米，與同牌號的合金刀具相比，其使用

12、壽命延長了3倍，切削速度提高了2550。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,25,涂層高速鋼刀具 采用PVD方法在高速鋼刀具基體上涂復TiN、碳氮化鈦TiCN、氮鋁化鈦(TiAlN)等硬膜，可制成涂層高速鋼刀具。沉積溫度為500左右。 涂層硬質(zhì)合金刀具 通過化學氣相沉積法(CVD) 、等離子體化學氣相沉積法(PCVD)，在硬質(zhì)合金刀片上涂復耐磨的碳化鈦（TiC）或TiN、Al2O3等薄層，形成表面涂層硬質(zhì)合金，沉積溫度為1000左右。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,26,涂層硬質(zhì)合金刀具的優(yōu)點：,（1）

13、表層的涂層材料具有極高的硬度和耐磨性，允許采用較高的切削速度。 （2）切削時，涂層材料與被加工材料之間能產(chǎn)生氧化鈦薄膜，降低摩擦系數(shù)，使切削力降低。 （3）涂層材料與鋼的粘結(jié)溫度高，表面晶粒較細，切削時很少產(chǎn)生積屑瘤，適合于精加工。 （4）涂層硬質(zhì)合金是一種復合材料，基體是強度、韌性較好的合金，表層是高硬度、高耐磨、耐高溫、低摩擦的材料，其綜合性能好。 （5）可靠性受基體成分影響很大。,常用刀具材料,應具備性能,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,27,其它刀具材料,2.3 其它刀具材料,一、陶瓷刀具材料,（1）具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性和化學穩(wěn)定性； （2）摩擦因數(shù)小，切

14、削不易粘結(jié)，不易產(chǎn)生積屑瘤。 （3）強度、韌性低，脆性大，強度只有硬質(zhì)合金的1/2； （4）導熱能力差，只有硬質(zhì)合金的1/21/5； （5）線膨脹系數(shù)大，在力、熱沖擊下易破裂。不易有較大的溫度波動，一般不用切削液。,以氧化鋁或氧化硅為基體，再添加少量金屬，在高溫高壓下燒結(jié)而成的一種刀具材料。用于在高速下精細加工硬材料。,應具備性能,常用刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,28,其它刀具材料,應具備性能,常用刀具材料,超硬刀具,陶瓷內(nèi)襯防腐抗磨油管,鋁熱反應：,將反應物料置于高速旋轉(zhuǎn)的油管內(nèi)引燃，釋放出的熱量使生成物Al2O3融化。，在高溫熔融狀態(tài)下，由于離心力作用，材料按比重大小（

15、鐵的比重為Al2O3的兩倍）進行分離。較重的鐵被離心力甩到油管內(nèi)壁，較輕的Al2O3則分布的鐵層內(nèi)側(cè)。,2020年7月29日星期三,29,二、立方氮化硼 超硬刀具材料,硬度高和耐磨性好，達到35004500HV，僅次于金剛石； 熱穩(wěn)定性較高，1300時不發(fā)生氧化； 導熱性較好，與鐵的摩擦系數(shù)較小； 抗彎強度與斷裂韌性介于陶瓷與硬質(zhì)合金之間。,立方氮化硼（CBN）是由軟的六方氮化硼（白石墨）在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的。主要對淬硬鋼、冷硬鑄鐵進行粗加工與半精加工。還能高速切削高溫合金、熱噴涂材料等難加工材料。,其它刀具材料,應具備性能,常用刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,30

16、,三、金剛石 超硬刀具材料,金剛石（ND）刀具的優(yōu)點是： 有較高的硬度和耐磨性；能長期保持鋒利的切削刃； 有很好的導熱性，較低的熱膨脹系數(shù)； 摩擦系數(shù)小，刃面粗糙度小，刃口非常鋒利。 缺點： 較脆易崩刃，刃磨困難，制造工藝差； 熱穩(wěn)定性差，切削溫度在700800時，表面就會碳化，而且與碳親和力強，故不易加工含碳的黑色金屬，用于非鐵材料、非金屬材料以及復合材料的加工； 金剛石來源有限，價格昂貴。,其它刀具材料,應具備性能,常用刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,31,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,超硬刀具,天然金剛石,PCBN,PCD,氧化物陶瓷,氮化物陶瓷,硬質(zhì)合金涂層,

17、WC硬質(zhì)合金涂層,超細粒狀硬金屬涂層,高速鋼,TiN涂層高速鋼,斷裂韌性,耐磨性,刀具材料的耐磨性與斷裂韌性,2020年7月29日星期三,32,2020年7月29日星期三,33,2020年7月29日星期三,34,超硬刀具,2.4 超硬刀具,一、超硬刀具材料,超硬刀具是指用天然單晶金剛石及性能與之相近的人造金剛石和立方氮化硼作為切削部分的刀具。 超硬刀具出現(xiàn)于20世紀50年代，主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具。,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,2020年7月29日星期三,35,二、超硬刀具的類型,人造聚晶金剛石(PCD)或聚晶立方氮化硼(PCBN) 刀具； 人造聚晶金剛石(PCD)或聚

18、晶立方氮化硼(PCBN) 復合片刀具； 超硬材料涂層刀具； 電鍍金剛石或電鍍立方氮化硼。,超硬刀具,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,2020年7月29日星期三,36,1. PCD或PCBN刀具,可任意取向刃磨，抗磨損能力強； 原料來源豐富，其價格遠低于ND刀具； 可采用較高的切削速度和較大的背吃刀量； 晶粒尺寸大，切削刃較粗糙，刃口質(zhì)量差。,PCD又稱為金剛石燒結(jié)體，是在高溫高壓作用下，通過鈷等結(jié)合劑將人造金剛石的單晶粉聚晶成的多晶體材料。PCBN是CBN單晶粉的燒結(jié)體。,超硬刀具,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,2020年7月29日星期三,37,2. PCD或PCBN復合片刀

19、具,超硬刀具,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,以硬質(zhì)合金為基底，在其表面燒結(jié)或壓制一層0.51mm厚的PCD或PCBN而組成的金剛石復合片或立方氮化硼復合片。 這種復合片的抗彎強度與硬質(zhì)合金基本一致，而工作表面的硬度接近PCD或PCBN，且可焊性好，重磨容易，成本低，故應用廣泛。,2020年7月29日星期三,38,三、超硬刀具幾何參數(shù),超硬刀具材料的脆性大、強度低。,超硬刀具,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,2020年7月29日星期三,39,四、超硬刀具的合理使用,1. 正確選用刀片的種類和牌號,粗晶粒 晶粒的平均尺寸為2050m； 中晶粒 晶粒的平均尺寸為1020m； 細晶粒

20、 晶粒的平均尺寸為210m。,PCD或PCBN刀片的使用性能與其晶粒尺寸的大小有關(guān)。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，刀具的壽命越高，但切削刃較粗糙，刃口質(zhì)量差。,超硬刀具,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,2020年7月29日星期三,40,2. 選取合適的切削用量,金屬的軟化效應,最佳的切削速度范圍,超硬刀具,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,2020年7月29日星期三,41,3. 防止水解作用,立方氮化硼刀具能承受12501350的切削溫度，但在1000左右高溫下，CBN會同水蒸氣及空氣中的氧起反應，生產(chǎn)氨和硼酸，這種化學反應稱為水解作用。 會加速刀具的磨損。在濕式切削時，忌用水溶液作

21、切削液，須用帶極壓添加劑的水溶液或極壓切削油，以減弱水解作用。,超硬刀具,應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,2020年7月29日星期三,42,刀具材料應具備的性能：足夠的硬度和耐磨性、足夠的強度與韌性、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、低速及小進給量的機用刀具。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。主要用于制造細長刀具或截面積大、刃形復雜的刀具。,小結(jié),應具備性能,常用刀具材料,其它刀具材料,超硬刀具,2020年7月29日星期三,43,高速鋼按切削性能分為普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。與工具鋼相比，高速鋼有較高的硬度、耐磨性以及強度和韌性。與硬質(zhì)合金相比，高速鋼的最大優(yōu)點是可加工性好并具有良好的綜合力學性能。高速鋼仍是主要用于制造形狀復雜的刀具。高性能高