1、讀書報告之常用刀具材料分類、特點及應(yīng)用金屬切削原理讀書報告常用刀具材料分類、特點及應(yīng)用 姓 名 學(xué) 號 班 級 學(xué) 院 二一五年五月摘要機械制造工業(yè)是制造業(yè)最重要的組成之一，它擔(dān)負(fù)著向國民經(jīng)濟(jì)的各個部門提供機械裝備的任務(wù)。我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展速度在很大程度上要取決于機械制造工業(yè)的發(fā)展水平，因此，從這個意義上說，機械制造工業(yè)的發(fā)展水平是關(guān)系全局的。機械制造中的加工方法很多，其中材料去除加工精度較高、表面質(zhì)量較好，有很強的加工適應(yīng)性，是目前機械制造中應(yīng)用最廣泛的加工方法。材料去除加工時，刀具在工作時，要承受很大的壓力。同時，由于切削產(chǎn)生的金屬塑性變形以及各部的摩擦，使刀具切削刃上產(chǎn)生很高的溫度和受

2、到很大的應(yīng)力，在這樣的條件下，刀具將迅速磨損或破損。因此刀具材料性能應(yīng)滿足；高的硬度和耐磨性、足夠的強度和韌性、高的耐熱性、良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能、良好的工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等要求。常用的刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層刀具以及其他刀具材料包括陶瓷、金剛石和立方氮化硼等。其中陶瓷材料和超硬刀具材料對常規(guī)刀具材料的競爭越來越激烈，且所占比重快速增長。隨著上述刀具材料的發(fā)展，使車削加工的切削速度提高了100多倍，而且新刀具材料出現(xiàn)的周期也越來越短。但在較長時間內(nèi)，各種刀具材料將仍是相互補充，相互競爭。關(guān)鍵詞：刀具材料性能，刀具材料分類，刀具材料特點，刀具材料應(yīng)用目錄引言3第一章 緒論31.1金

3、屬切削技術(shù)的發(fā)展概況31.2金屬切削材料的研究意義4第二章 刀具材料性能42.1刀具切削環(huán)境42.2刀具材料性能要求42.3刀具材料主要性能6第三章 刀具材料分類73.1高速鋼73.1.1 普通高速鋼83.1.2高性能高速鋼93.1.3粉末冶金高速鋼93.2硬質(zhì)合金93.2.1鎢鈷類硬質(zhì)合金103.2.2鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金103.2.3鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金113.2.4硬質(zhì)合金的選用113.3涂層刀具123.4其它刀具材料133.4.1陶瓷材料133.4.2金剛石143.4.3立方氮化硼（簡稱CBN）15第四章 刀具材料發(fā)展15參考文獻(xiàn)16引言隨著制造業(yè)的發(fā)展，采用高強度、高耐磨性、高耐熱性

4、和高化學(xué)穩(wěn)定性等材料越來越多，它們的加工難度較大，雖然可以使用硬質(zhì)合金涂層、金剛石、 立方氮化硼和陶瓷等刀具加工，但這些刀具價格昂貴，又不抗沖擊，所以一般工廠采用不多。淬火鋼的硬度一般在45HRC以上，材料硬度高、塑性變形性差、切削阻力大、切削溫度高，加工刀具容易磨損，切削很困難；高硅鋁合金具有較高的高溫 強度、良好的熱穩(wěn)定性和高的耐磨性，是一種理想的耐磨材料，近年來高硅鋁合金在汽車、摩托車、軍工及航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 韓慧，楊海東，張崇高金剛石和氮化碳涂層刀具加工高硅鋁合金 合肥大學(xué)（自然科學(xué)版）2007.1（66-67）。因此，探討這些難加工 材料的切削加工性能，選擇合適的刀具材料十

5、分必要。 第一章 緒論1.1金屬切削技術(shù)的發(fā)展概況制造業(yè)是人類財富在20世紀(jì)空前膨脹的主要貢獻(xiàn)者，可以說沒有制造業(yè)的發(fā)展，就沒有人類今天的現(xiàn)代物質(zhì)文明。有資料統(tǒng)計，美國財富的68%來自制造業(yè)， 2000年我國財政收入的三分之一來自制造業(yè)。我國現(xiàn)代化的發(fā)展速度在很大程度上 要取決于機械制造工業(yè)的發(fā)展水平，從這個意義上說，機械制造業(yè)的發(fā)展水平是關(guān)系全局的 于駿一，鄒青機械制造技術(shù)基礎(chǔ)北京：機械工業(yè)出版社，2004。機械制造中的加工方法很多，按照工件在加工過程中質(zhì)量的變化，可將加工方 法分為材料去除加工、材料成形加工和材料累積加工。材料去除加工是通過在被加 工對象上去除一部分材料后才制成一

6、合格零件的。與其他方法相比，其加工精度相 對較高、表面質(zhì)量相對較好，并且有很強的適應(yīng)性，至今仍是機械制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛的加工方法，而且在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)仍將占有重要地位。材料去除加工又可分切削加工和特種加工兩種加工方法。特種加工主要是利用機械能以外的其他能量（如光、電、化學(xué)、聲、熱能等直接去除材料的加工方法，目前常用的特種加工方法主要有電火花加工、電解加工、 激光加工、超聲波加工等。切削加工是利用切削刀具從工件表面切除多余的材料，使工件達(dá)到規(guī)定的幾何 形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的一種機械加工方法。金屬切削刀具是切削加工的基本工具，其選擇、使用與設(shè)計是工藝技術(shù)人員的基本技術(shù)技能。1.2金屬切削材

7、料的研究意義隨著工件材料的力學(xué)性能不斷提高，產(chǎn)品的品種和批量逐漸增多，加工精度的要求日益提高，工件的機構(gòu)和形狀不斷復(fù)雜化和多樣化，各種難加工材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，先進(jìn)制造系統(tǒng)、高速切削、超精密加工、綠色制造的發(fā)展和付諸實用都對刀具提出了更高、更新的要求，進(jìn)一步加強刀具材料的研究和開發(fā)，并合理地選擇刀具材料，是推動切削技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的重要前提。本文中簡單介紹了適用于切削加工的各種刀具材料，包括涂層刀具、陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、立方氮化硼刀具等，并分析各種刀具材料的合理選用。第二章 刀具材料性能2.1刀具切削環(huán)境刀具切削時，由于要克服被加工材料對彈性變形的抗力、對塑性變形的抗力以及切屑刀具已加工平面相

8、互間的摩擦等，要承受很大的切削力。此外，由于切削時消耗的變形功，刀具與切屑、刀具與工件的摩擦功，在切削層產(chǎn)生高溫。在高溫與應(yīng)力下，刀具會發(fā)生磨損（硬質(zhì)點磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、化學(xué)磨損）與破損（脆性破損：崩刃、碎斷、剝落、裂紋破損；塑性破損），而工件會產(chǎn)生加工硬化，進(jìn)一步阻礙切削。因此，要基于切削環(huán)境，來選擇刀具材料的性能。2.2刀具材料性能要求（1）高的硬度和耐磨性硬度是刀具材料應(yīng)具備的基本特性。刀具要從工件上切下切屑，其硬度必須比工件材料的硬度大。耐磨性是材料抵抗磨損的能力。一般來說，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。組織中硬質(zhì)點（碳化物、氮化物等）的硬度越高，數(shù)量越多，顆粒越小，分布越

9、均勻，則耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性實際上不僅取決于它的硬度，而且也和它的化學(xué)成分、強度、纖維組織及摩擦區(qū)的溫度有關(guān)。考慮到材料的品質(zhì)因素，可用下式表示材料的耐磨性：式中：指材料硬度（GPa）；指材料的斷裂韌度（MPa·m1/2）；指材料的彈性模量（GPa）。（2）足夠的強度和韌性要使刀具在承受很大壓力，以及在切削過程中通常要出現(xiàn)的沖擊和振動的條件下工作，而不產(chǎn)生崩刃和折斷，刀具材料就必須具有足夠的強度和韌性。（3）高的耐熱性耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要標(biāo)志。它是指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度和韌性的性能。圖2-1刀具材料的耐熱性1-金剛石 2-立方氮化硼 3-碳化

10、硅 4-氧化鋁陶瓷 5-YT15硬質(zhì)合金 6-YG8硬質(zhì)合金 7-W18Cr4V高速鋼 8-T12高碳鋼（4）良好的熱物理性能和沖擊性能刀具材料的熱物理性能越好，切削熱越容易從切削區(qū)散走，有利于降低切削溫度。刀具材料的導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率表示。熱導(dǎo)率大，表示導(dǎo)熱性好，切削時產(chǎn)生的熱量就容易傳散出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。刀具在斷續(xù)切削或使用切削液切削時，常常受到很大的熱沖擊，因而刀具內(nèi)部會產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致斷裂。刀具材料抵抗熱沖擊的能力可用耐熱沖擊系數(shù)R表示。式中-導(dǎo)熱系數(shù)，指抗拉強度，指泊松比，指彈性模量，指熱膨脹系數(shù)。（5）具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨

11、性能、熱處理性能、焊接性能等要好，且又要資源豐富，價格低廉。2.3刀具材料主要性能表2-1 常用刀具材料的主要性能種類常用牌號硬度HRC（HRA）抗彎強度（GPa）熱硬性（°C）工藝性能用途碳素工具鋼T8A、T10A、T12A6064（8183）2.452.75200250可冷熱加工成形，刃磨性能好用于手動工具，如銼刀、鋸條、鏨子等合金工具鋼9siCr、CiWMn6065（8184）2.452.75250300可冷熱加工成形，刃磨性能好，熱處理變形小用于低速成形刀具，如絲錐、板牙、鉸刀等高速鋼W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV26369（8287）3.434.41550600可冷熱

12、加工成形，刃磨性能好，熱處理變形小用于機動復(fù)雜的中速刀具，如鉆頭、銑刀、齒輪刀具等硬質(zhì)合金（YG類）K類（YT類）P類（YW類）M類6981（8993）1.082.168001100粉未冶金成形，只能磨削加工不能熱處理，多鑲片使用，較脆 用于機動簡單的高速切削刀具，如車刀、刨刀、銑刀刀片陶瓷SG4、AT6（9394）15002100HV0.41.1151200壓制燒結(jié)成形，只能磨削加工，不需熱處理，脆性略大于硬質(zhì)合金多用于車刀，適宜精加工連續(xù)切削立方氮化硼（CBN）FD、LBN-Y73007400HV0.570.8112001500高溫高壓燒結(jié)成形，硬度高于陶瓷，極脆，可用金剛石砂輪磨削，不需

13、熱處理用于加工高硬度、高強度材料（特別是鐵族材料）人造金剛石10000HV0.421.0700800硬度高于CBN，極脆用于有色金屬和非金屬高精度、低粗糙度切削第三章 刀具材料分類刀具材料可分為高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層刀具、其他刀具材料等四大類。3.1高速鋼高速鋼是一種加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的熱穩(wěn)定性、高的強度，制造工藝簡單，容易磨成鋒利切削刃，能鍛造，性能較穩(wěn)定，在自動機床上使用較可靠。常用幾種高速鋼的力學(xué)性能見表3-13.1.1 普通高速鋼普通高速鋼指用來加工一般工程材料的高速鋼，常用的牌號有：（1）W18Cr4V（簡稱W18）。屬鎢系高速鋼，具有

14、較好的切削性能，是我國最常用的一種高速鋼。 （2）W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）。屬鉬系高速鋼，碳化物分布均勻性、韌性和高溫塑性均超過W18Cr4V，但其磨削性能較差。（3）W9Mo3Cr4V（簡稱W9）。是一種含鎢量較多，含鉬量較少的鎢鉬系高速鋼。其碳化物不均勻性介于W18和M2之間，但抗彎強度和沖擊韌度高于M2。具有較好的硬度和韌性，其熱塑性也很好。 普通高速鋼常見用途見圖3-1。圖3-1 普通高速鋼常見用途3.1.2高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，用調(diào)整其基本化學(xué)成分和添加一些其它合金元素（如釩、鈷、鉛、硅、鈮等）的辦法，著重提高其耐熱性和耐磨性而衍生出來的。它主要用來

15、加工不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金和超高強度鋼等難加工材料。這類鋼的不同牌號只有在各自規(guī)定的切削條件下使用才能達(dá)到良好的切削性能。超硬高速鋼是指硬度能達(dá)到67-70HRC的高速鋼，。就其成分可分為含鈷的和不含鈷的超硬高速鋼。（1）W2Mo9Cr4VCo8 這是一種應(yīng)用最廣的含鈷超硬高速鋼。（2）W6Mo5Cr4V2Al 這是一種含鋁的超硬高速鋼由于不含鈷，保留有較高的強度和韌性。3.1.3粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼是采用粉末冶金方法制得致密的鋼坯，再經(jīng)鍛、軋等熱變形而得到的高速鋼型材。用粉末冶金方法制造的高速鋼有下列優(yōu)點：（1）它可有效地解決一般熔煉高速鋼在鑄錠時要產(chǎn)生的粗大碳化物共晶偏析，得到細(xì)

16、小均勻的結(jié)晶組織；（2）這種鋼的磨加工性很好，不會由于增加釩含量而降低磨加工性；（3）可減小淬火時的變形；（4）耐磨性可提高20%-30%；此外，粉冶鋼熱成形時具有高的合格率。粉冶鋼適于制造切削難加工材料的刀具及大尺寸刀具，也適于制造精密刀具和磨加工量大的復(fù)雜刀具，對于高壓動載荷下使用的刀具以及小截面、薄刃刀具和成形刀具也可適用。3.2硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點的金屬碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）作硬質(zhì)相，用鈷、鉬或鎳等作粘結(jié)相，研制成粉末，按一定比例混合，壓制成型，在高溫高壓下燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金的常溫硬度很高（8993HRA，相當(dāng)于7882HRC）。耐熔性好，熱硬性可達(dá)80

17、01000以上，允許的切削速度比高速鋼提高47倍，刀具壽命高58倍，是目前切削加工中用量僅次于高速鋼的主要刀具材料。但它的抗彎強度和韌性均較低，性脆，怕沖擊和振動，工藝性也不如高速鋼。我國目前常用的硬質(zhì)合金主要有以下三類：3.2.1鎢鈷類硬質(zhì)合金由WC和Co組成，代號為YG。常溫硬度為8991HRA，耐熱性達(dá)800900，適用于加工切屑呈崩碎狀的脆性材料。常用牌號有YG3X、YG6X、YG6和YG8等，其中數(shù)字表示含Co的百分比，其余為含WC的百分比。鈷在硬質(zhì)合金中起粘結(jié)作用，含Co愈多的硬質(zhì)合金韌性愈好，所以YG8適于粗加工和斷續(xù)切削，可用于加工45鋼鍛件粗車、65HRC冷硬鑄鐵和中速車削淬

18、硬鋼，YG6適于半精加工，YG3X適于精加工和連續(xù)切削，可用于HT200鑄件精車。常見應(yīng)用見圖3-2。圖3-2 鎢鈷類硬質(zhì)合金常見應(yīng)用3.2.2鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金由WC、TiC和Co組成，代號為YT。此類硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性（9001000）均比YG類合金高，但抗彎強度和沖擊韌度降低。主要適于加工切屑呈帶狀的鋼料等韌性材料。常用牌號有YT30、YT15、YT14和YT5等，數(shù)字表示含TiC的百分比。故YT30適于對鋼料的精加工和連續(xù)切削，可用于低速精車合金鋼蝸桿和高速精車調(diào)質(zhì)鋼長軸，YT15適于半精加工，YT5適于粗加工和斷續(xù)切削。常見應(yīng)用見圖3-3。圖3-3 鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金常見應(yīng)用

19、3.2.3鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金又稱通用合金，由WC、TiC、TaC（NbC）TCo組成，代號為YW。其抗彎強度、疲勞強度、沖擊韌性、耐熱性、高溫硬度和抗氧化能力都有很大提高。常用牌號有YW1和YW2，這兩種硬質(zhì)合金都具有YG類硬質(zhì)合金的韌性，比YT類硬質(zhì)合金的抗刃口剝落能力強。由于YW類硬質(zhì)合金的綜合性能較好，除可加工鑄鐵、有色金屬和鋼料外，主要用于加工耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料，可用于高速精密鏜削鋁合金缸套。常見應(yīng)用見圖3-4。圖3-4 鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金常見應(yīng)用3.2.4硬質(zhì)合金的選用加工鑄鐵、有色金屬及非金屬材料時，切屑成崩碎塊粒，對刀具沖擊很大，切削熱和切削力集中在刀

20、尖附近。由于YG類合金有較高的強度和沖擊韌性而且導(dǎo)熱性也好，適合加工這類材料。但是如果切削速度太高，反倒不如用耐熱性更好的YT類合金。加工鋼料時，金屬塑性變形很大，摩擦很劇烈，切削溫度很高。由于YT類合金具有較高的硬度和耐磨性、高的耐熱性，抗粘結(jié)擴(kuò)散能力和抗氧化能力，加工鋼時磨損小，刀具耐用度高，適鋼料合加工。但是，如果切削速度很低，切削過程不太平穩(wěn)，不如使用韌性更好的YG類合金。加工鈦的不銹鋼和鈦合金時，由于硬質(zhì)合金中的Ti元素和加工材料中的Ti元素之前的親和力會產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，不宜采用YT類硬質(zhì)合金。此時采用YG類硬質(zhì)合金，切削溫度較低、刀具磨損較小、加工表面粗糙度較小。加工淬硬剛、高

21、強度鋼、奧氏體鋼和高溫合金時，由于切削力很大，切削與前刀面接觸長度很短，切削力集中在切削刃附近，易造成崩刃，不宜采用強度較低、脆性較大的YT類合金，而宜采用韌性、導(dǎo)熱性較好的YG類合金。粗加工時，適于采用含鈷量多的硬質(zhì)合金，因為其抗彎強度和沖擊韌度較高。精加工時，適于采用含鈷量較少的硬質(zhì)合金，因為其硬度、耐磨性及耐熱性較高。YW類合金主要用于加工耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料。3.3涂層刀具涂層刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，或在高速鋼刀具基體上，涂覆一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的。涂層硬質(zhì)合金一般采用化學(xué)氣相沉積法，沉積溫度1000左右；涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法，沉

22、積溫度500左右。常用涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等，TiC的硬度比TiN高，抗磨損性能好。對于要產(chǎn)生劇烈磨損的刀具，TiC涂層較好。TiN與金屬親和力小，潤濕性能好，在空氣中抗氧化性能比TiC好，在容易產(chǎn)生粘結(jié)的條件下，TiN涂層較好。在高速切削產(chǎn)生大熱量的場合，宜采用Al2O3涂層為好，因為Al2O3在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性能。圖3-5 涂層刀具性能的提高 陳日曜金屬切削原理第2版北京：機械工業(yè)出版社，2002涂層刀具有比基體高得多的硬度，有高的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。涂層具有低的摩擦系數(shù)，可降低切削時的切削力及切削溫度，大大提高刀具耐用度。涂層

23、硬質(zhì)合金的通用性廣，一種涂層刀片可替代幾種未涂層刀片使用。3.4其它刀具材料3.4.1陶瓷材料陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔點都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金屬碳化物、氧化物或純金屬等添加劑。也是采用粉末冶金工藝方法經(jīng)制粉，壓制燒結(jié)而成。Al2O3基陶瓷具有下列特點：(1）有很高的硬度和耐磨性，使用良好時有很高的刀具耐用度；(2）有很高的耐熱性；(3）有很高的化學(xué)穩(wěn)定性；(4）有較低的摩擦系數(shù)，切削與刀具不易產(chǎn)生粘結(jié)，加工表面粗糙度較小。(5）抗彎強度很低，沖擊韌度很差Si3N4基陶瓷具有下列特點:(1)較高的強度和韌性；(2)有較高的熱穩(wěn)定性；（3）較高的導(dǎo)熱系數(shù)；（4）較低的熱膨脹系數(shù)及小的彈性模量。主要用于對鋼料、鑄鐵、高硬材料（如淬火鋼等）連續(xù)切削的半精加工或精加工。常見應(yīng)用見圖3