机械制造第三章2讲解

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1、 一.刀具材料应具备的基本性能 所谓机械加工的实质就是，用比工件材料硬的刀具，在机械能 和机械力的作用下，切除多余的材料。刀具工作时除了要承受很大 的压应力外，还要承受与工件和切屑间的强烈摩擦而产生的高温。 刀具材料的切削性能对刀具的使用寿命、生产效率、加工质量和生 产成本影响很大，因此必须合理选用。刀具材料的性能应满足以下 基本要求： 1.硬度和耐磨性 刀具材料的硬度应比工件材料的硬度高，一般常温硬度要求 60HRC以上。刀具材料应具有较高的耐磨性。材料硬度越高，耐 磨性也越好。刀具材料含有耐磨的合金碳化物越多、晶粒越细、 分布越均匀，则耐磨性越好。目前，切削性能最差的刀具材料- 碳素工具钢

2、，其硬度在室温条件下也在60HRC以上,高速钢的硬度 为6370HRC。 2.强度和韧性 刀具材料必须有足够的强度和韧性，以便在承受振动和冲击时不产 生崩刃和折断。例如，车削45钢时，当ap=4mm，f=0.5mm/r时，刀片要 承受约4000N的切削力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一 般用刀具材料的抗弯强度bb (单位为PaNm。)表示它的强度大小。 用冲击韧度k(单位为Jm。)表示其韧性的大小，它反映刀具材料抗脆 性断裂和崩刃的能力。 3.耐热性 耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量， 或叫热硬性。刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。 高温硬

3、度越高，表示耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、 抗磨损的能力也越强。耐热性差的刀具材料，由于高温下硬度显著下降 而会很快磨损乃至发生塑性变形，丧失其切削能力。 一.刀具材料应具备的基本性能 4.导热性 刀具材料的导热性用热导率单位为w（mK)来表示。热导率大， 表示导热性好，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，减轻刀具磨损。此外，导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热龟 裂的性能增强，这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削，特别在加 工导热性能差的工件时尤为重要。 5.工艺性 为了便于刀具制造、要求刀具材料有较好的可加工性，如热塑性 （锻压成形）、焊接工艺性、切削加

4、工性、可磨削性和热处理工艺性等。 6.经济性 经济性是评价刀具材料的重要指标之一，刀具材料的价格应低廉， 便于推广。但有些材料虽单件成本很高，但因其使用寿命长，分摊到每 个工件上的成本不一定很高。 一.刀具材料应具备的基本性能 刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、 超硬材料五大类。其主要力学物理性能见表下表。 但目前应用最多的是高速钢和硬质合金。据统计，我 国前高速钢用量约占刀具的50以上，硬质合金的用量约 占40以上，随着难加工材料应用的增加，陶瓷刀具和超 硬刀具材料的使用量日益增长。 二.常用刀具材料的性能特征 刀 具 材 料 类 型 工具钢 硬质合金 陶 瓷 超硬刀具 氧化铝陶

5、瓷 氧化铝碳化物 氮化硅陶瓷 立方氮化硼 人造金刚石 钨钛钴类 含铌、钽类 碳化钛基类 钨钴类高速钢 合金工具钢 二.常用刀具材料的性能特征 碳素工具钢 二.常用刀具材料的性能特征 二.常用刀具材料的性能特征 刀 具 类 型 及 刀 体 材 料 整 体 机夹、可转位 高速钢 硬质合金 分 体 焊接碳钢或者合金钢 合金钢：9CrSi 、GCr15 螺纹刀具、成形铣刀、拉刀 小直径镗刀、铰刀 二.常用刀具材料的性能特征 1.工具钢 碳素工具钢是含碳量较高的优质钢 (含碳量为0 71.2。如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉， 但耐热性较差。 在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元 素，形

6、成合金工具钢(如9SiCr等)，可适当减少热处 理变形和提高耐热性。 由于这两种刀具材料的耐热性较低，当温度高 于200时失去切削功能，所以常用来制造一些切削 速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等，较 少用于制造其他低速刀具。 二.常用刀具材料的性能特征 2-2 2.高速钢 高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。 所允许的切削速度比碳素工具钢及合金工具钢高13倍， 故称为高速钢。 高速钢具有较高的耐热性，在500650C时仍能切削。高速 钢还具有高的强度、硬度（6370HRC）和耐磨性。 高速钢具有高的强度(抗弯强度为一般硬质合金的23倍， 为陶瓷的56倍)和韧性，抗冲

7、击振动的能力较强，适宜制造 各类刀具。热处理变形小、能锻易磨，是一种综合性能好、 应用最广泛的刀具材料。特别适合制造结构和刃型复杂刀具 (钻头、铣刀、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等) 。 由于高速钢的硬度、耐磨性、耐热性不及硬质合金，因此 只适于制造中、低速切削的各种刀具。 牌号：通用高速钢： 钨系 钼系 W18Cr4V（过去国内用得多） W6Mo5Cr4V2（目前国内外大量使用） 主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min。 高性能高速钢： 高钒高速钢 高钴高速钢 高铝高速钢 W12Cr4V4Mo W2Mo9Cr4VCo8 W6Mo5Cr4V2Al 主要用于难加工材料的加工，加工普通材

8、料可达90m/min。 二.常用刀具材料的性能特征 2.高速钢 2.高速钢 二.常用刀具材料的性能特征 2.高速钢 二.常用刀具材料的性能特征 2.高速钢 2.高速钢 二.常用刀具材料的性能特征 2.高速钢 二.常用刀具材料的性能特征 2.高速钢 二.常用刀具材料的性能特征 硬 质 合 金 硬质相 粘结相 碳化物：WC、TiC、TaC、NbC 金属：Co、Mo、Ni 二.常用刀具材料的性能特征 3.硬质合金 绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、浅孔 钻、铰刀等均已采用硬质合金制造，是目前最主要的刀具材 料之一。 组成：由硬度和熔点很高的碳化物（硬质相）和金属 （粘结相）通过粉末冶金工艺制

9、成的。 3.硬质合金 硬度为HRA8993（相当于HRC69 81），能耐850 1000的高温，具有良好的耐磨性，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，因此获得广泛应用。但是，硬质台金的抗弯强度低， 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(主要用于制造如车刀、刨刀、铣刀、深孔钻、 铰刀等简单刀具)，因此目前还不能完全取代高速钢。 硬质合金由于具有高硬度、高耐热性和高耐磨性，加 工性能优良，而且生产成本较低，所以，使用极其广泛。 常用的硬质台金有钨钴类 （YG类)、钨钛钴类 (YT类)和通用 硬质台金(YW类)三类。 注意：硬

10、质合金不是合金钢。 3.硬质合金 二.常用刀具材料的性能特征 Y X 硬的汉 语拼音 第一个 字母 G6 G6钨钴 类合金及 钴含量。 T15钨钴钛 类合金 及TiC含量. W钨钴钛钽 类合金。 N钨钛镍钼 合金 附加字母分别表示 X细晶粒 C粗晶粒 N加铌元素 A加钽元素 二.常用刀具材料的性能特征 3.硬质合金 硬质合金牌号的表示方法 （1）钨钴类 （YG类） YG类硬质台金主要由碳化钨（WC）和钴（Co）组 成，常用的牌号有YG3、YG6、YG8等。YG类硬质台金的 抗弯强度和冲击韧性较好，且刃磨性较好，刃口可以磨 得较锋利，不易崩刃，很适宜切削切屑呈崩碎状的铸铁、 有色金属（青铜）和非

11、金属等脆性材料。由于YG类硬质 合金的耐热性和耐磨性较差，因此一般不用于普通钢材 的切削加工。但它的韧性好，导热系数较大，可以用来 加工不锈钢和高温合金（钛合金）等难加工材料。 3.硬质合金 二.常用刀具材料的性能特征 （2） 钨钛钴类 (YT类) YT类硬质台金主要由碳化钨、碳化钛和钴组 成，常用的牌号有YT5、YTl5、YT30等。它里面加 入了碳化钛后，增加了硬质台金的硬度、耐热性、 抗粘接性和抗氧化能力。但由于YT类硬质合金的 抗弯强度和冲击韧性较差，故主要用于切削普通 碳钢及合金钢（钢料）等韧性材料。 3.硬质合金 二.常用刀具材料的性能特征 （3） 通用硬质台金(YW类) 钨钛钽

12、(铌)钴类硬质台金(YW类)它是在普通硬质 合金中加入了少量的稀有高熔点金属碳化钽（TaC)或 碳化铌(NbC)，能阻止WC晶粒在烧结过 程中长大，起到 细化晶粒的作用。从而提高了硬质合金的韧性和耐热 性，使其具有较好的综合切削性能。YW硬质合金主要 用于不锈钢、耐热钢、高锰钢的加工，也适用于普通 碳钢和铸铁的加工，因此被称为通用型硬质台金，常 用的牌号有YWl、YW2等。主要用于耐热钢、高锰钢、 不锈钢等难加工材料。YW1适用于精加工，YW2适用于 粗加工。YW类硬质合金成本高，使用受限。 3.硬质合金 2-3 3.硬质合金 3.硬质合金 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体 上，

13、采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的工艺 方法，涂覆一薄层(约512um)高硬度、耐磨性高、难熔金 属化合物(TiC、TiN、AL2O3等) 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，又使表面有更高 的硬度(可达15003000HV)和耐磨性更小的摩擦因数和 高的耐热性(达8001200)。实践证明，涂层刀片在高速 切削钢件和铸铁时 能获得良好效果，比未涂层刀片的刀具 寿命提高13倍，高者可达510倍。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，获得较好的经济效益。 4.涂层刀具 二.常用刀具材料的性

14、能特征 4.涂层刀具 陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3、 Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳化物、氧化 物或纯金属等添加剂，经压制成形后烧结而成的一种刀具 材料。它的硬度可达到HRA9195（相当于HRC6983）， 在1200的切削温度下仍可保持HRA80的硬度。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1012倍。 其最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧性低。因此 它主要用于半精加工和精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸 铁等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷，复合氧化 铝陶瓷以及复合氧化硅陶瓷等。 5.陶瓷材料 二.常用刀具材料

15、的性能特征 5.陶瓷材料 二.常用刀具材料的性能特征 5.陶瓷材料 二.常用刀具材料的性能特征 5.陶瓷材料 二.常用刀具材料的性能特征 5.陶瓷材料 二.常用刀具材料的性能特征 5.陶瓷材料 二.常用刀具材料的性能特征 金刚石是碳的同素异构体，分天然金刚石和人造金刚石两种。 人造金刚石是在高温(约2000C)、高压(59GPa)和金属触媒作 用的条件下，由石墨转化而成的。金刚石刀具的性能特点是： (1)有极高的硬度和耐磨性 人造金刚石的硬度高达10000HV，比硬质合金的硬度(1300 1800HV)和陶瓷的硬度高很多，是世界已发现的最硬材料。人造 金刚石的耐磨性为硬质合金的6080倍。 (

16、2)有锋利的切削刃 人造金刚石的切削刃钝圆半径很小，能进行超精密微量切削， 使已加工表面冷硬层很小，尺寸精度和几何形状精度可达到3 1m，表面粗糙度值可达到Ra0.020.06m），可实现镜 面加工。 6.人造金刚石 二.常用刀具材料的性能特征 (3)有很高的导热性 人造金刚石有较低的线膨胀系数和摩擦系数。其 热导率约为硬质台金的27倍，陶瓷的736倍，而热 膨胀系数只有硬质台金的1/1l和陶瓷的18。因此， 切削热变形小，尺寸精度稳定。 (4)耐热性较差 人造金刚石的温度超过800C时就会碳化而失去切 削能力；且与铁有较强的化学亲和力。高温时金刚石 中的碳元素会很快扩散到铁中去，而使刃口“破裂”。 因此，金刚石刀具一般不适于加工铁系金属。 6.人造金刚石 二.常用刀具材料的性能特征 (5)强度很低 人造金刚石脆性大，抗冲击能力差，对振动很敏感，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。 使用场合： 人造金刚石主要