刀具材料及性能介绍

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（3）优良导热性和耐热性（2）高强度与强韧性2.5刀具材料2.5.1刀具材料的基本要求刀具材料需满足一些基本要求：（1）高硬度和耐磨性刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性（4）良好的工艺性与经济性 （1）高硬度和耐磨性刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度应在60HRC以上。对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC。A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。 （2）高强度与强韧性刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。 （3）优良导热性和耐热性A、刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。B、刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。 （4）良好的工艺性与经济性刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。 2.5.2普通刀具材料2.5.2普通刀具材料1．高速钢（1）概念：高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢（2）性质：①、高速钢具有良好的热稳定性②、高速钢具有较高强度和韧性③、高速钢具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性 （3）高速钢的分类①、普通高速钢A、钨系高速钢（简称W18）优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。B、钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢）优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性。缺点：高温切削性能和W18相比稍差。 ②、高性能高速钢优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍。缺点：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。 ③、粉末冶金高速钢优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；耐磨性好。适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。 2．硬质合金（1）硬质合金组成硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。（2）硬质合金的性能特点硬质合金优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高。硬质合金缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，冲击韧性只有高速钢的1/4～1/35。硬质合金力学性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。 （2）普通硬质合金的种类、牌号及适用范围按其化学成分的不同可分为：①、钨钴类（WC+Co）（合金代号为YG，对应于国标K类）合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工。 ②、钨钛钴类钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为YT，对应于国标P类）此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低→粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。 ③、钨钛钽（铌）钴类钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代号为YW，对应于国标M类）适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。 ④、碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）合金代号YN，对应于国标P01类。用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。 （3）超细晶粒硬质合金超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢。适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。 2.5.3特殊刀具材料1．陶瓷刀具（1）材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。（2）常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（3）优点：有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面光洁度。（4）缺点：强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。（5）适用范围：高速精细加工硬材料。 2．金刚石刀具（1）分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。（2）优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的60～80倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。（3）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。（4）适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。 3．立方氮化硼刀具（1）概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。（2）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。（3）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2。（4）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。 2.5.4涂层刀具（1）概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。（2）常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al2O3等（3）涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层（4）优点：涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性（5）适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。 课堂问题避免积屑瘤的发生的措施？ 避免积屑瘤的发生的措施P45①、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。②、调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑对刀具前刀面的压力。③、调低切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面温度降低，避免粘结现象的发生。或采用较高的切削速度，增加切削温度，因为温度高到一定程度，积屑瘤也不会发生。④、更换切削液，采用润滑性能更好的切削液，减少切削摩擦。 影响切削变形的因素问题？1．随着工件材料强度的增大，切屑的变形如何变化？2．当刀具前角γO增大时，金属切屑的变形趋势？刀尖圆弧半径越大，表面的切削变形是增大还是减小？ 1．工件材料通过试验，可以发现工件材料强度和切屑变形有密切的关系。从图可以看出，随着工件材料强度的增大，切屑的变形越来越小。图2-10材料强度对变形系数的影响 2．刀具几何参数由图2-7可以看到，当刀具前角γO增大时，沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出，金属切屑的变形也会变小。刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，刀尖圆弧半径越大，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切削变形也越大。 1、切削速度υc、进给量f、背吃刀量ap哪一个对温度的影响最显著？说明原因？2、前角γo对切削温度的影响？3、主偏角κr对切削温度的影响？4、材料的强度与硬度增大时，切削温度升高还是降低？ （1）切削用量经验公式：高速钢刀具(加工材料45钢)：θ＝140～170afv硬质合金刀具(加工材料45钢)：θ＝320afv切削用量三要素υc、ap、f中，切削速度υc对温度的影响最显著，因为指数最大，切削速度增加一倍，温度约增加32％；其次是进给量f，进给量增加一倍，温度约升高18％，背吃刀量ap影响最小，约7％。主要的原因是速度增加，使摩擦热增多；f增加，切削变形减小，切屑带走的热量也增多，所以热量增加不多；背吃刀量ap的增加，使切削宽度增加，显著增加热量的散热面积。影响切削温度的因素 （2）刀具的几何参数前角γo：前角γo增大，切削温度降低。因前角增大时，单位切削力下降，切削热减少。主偏角κr：主偏角κr减小，切削宽度bD增大，切削厚度减小，因此切削温度也下降。 （3）工件材料材料的强度与硬度增大时，单位切削力增大，因此切削热增多，切削温度升高。导热系数影响材料的传热，因此导热系数大，产生的切削温度低。 2.刀具的磨损原因：（1）硬质点磨损（2）粘结磨损（3）扩散磨损（4）氧化磨损（5）相变磨损问题？在低温区，一般以哪些磨损为主？在高温区又以哪些磨损等为主？ 在低温区，一般以硬质点磨损为主；在高温区以粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损、相变磨损为主。 课堂问题？3、车刀各刀具角度的概念？前角γo、后角αo、主偏角κr、副偏角κrˊ、刃倾角λs 1、强度和韧性大的刀具材料选择大的还是小的前角，而脆性大的刀具又如何选择？2、加工塑性材料时，一般选择大的还是小的前角。3、加工脆性材料时，刀具前角相对塑性材料如何选择？4、粗加工和精加工时刀具的前角有何区别？问题？ 强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具甚至取负的前角。加工钢件等塑性材料时，一般采用选择大的前角。加工脆性材料时，因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提高刀刃的强度。粗加工时，一般取较小的前角；精加工时，宜取较大的前角，以减小工件变形与表面粗糙度；解答 1、当切削点高于工件中心时，对工作前角、后角有何影响？2、导杆中心与进给方向不垂直，当刀杆中心与正常位置逆时针偏θ角时，如何影响刀具的工作角度？3、车削右螺纹时，刀具工作前角、后角如何变化？问题？ 解答 1、当切削点高于工件中心时，对工作前角、后角有何影响？2、导杆中心与进给方向不垂直，当刀杆中心与正常位置逆时针偏θ角时，如何影响刀具的工作角度？3、车削右螺纹时，刀具工作前角、后角如何变化？问题？ 解答 3．刀具的工作角度 问题？1、工件材料强度或硬度较高时，一般采用较小还是较大的后角？2、对于塑性较大材料，一般取较小还是较大的后角？ 1、工件材料强度或硬度较高时，为加强切削刃，一般采用较小后角。2、对于塑性较大材料，已加工表面易产生加工硬化时，后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大时，一般取较大后角。 3、工艺系统刚性较好时，主偏角κr如何选择？4、当车阶梯轴时，κr＝？；同一把刀具加工外圆、端面和倒角时，κr＝？。5、副偏角κrˊ的大小对表面粗糙度如何影响？ 3、工艺系统刚性较好时（工件长径比lw/dw<6），主偏角κr可以取小值。4、当车阶梯轴时，κr＝90o；同一把刀具加工外圆、端面和倒角时，κr＝45o。5、副偏角的减小，将可降低残留物面积的高度，提高理论表面粗糙度值，