刀具材料与工件材料

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1、 刀具材料与工件材料摘要：刀具材料、刀具结构和刀具几何形状是决定刀具切削性能的三大要求，其中刀具材料起着关键作用。刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择与合理的选用。刀具材料具备的基本性能：1 硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在 60HRC 以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。2 强度和韧性：刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。3 性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接

2、性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。4 耐热性：刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。刀具种类，特点及用途：1 金刚石刀具：天然金刚石刀具，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。PCD 金刚石刀具，适用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。 CVD 金刚石刀具，CVD金刚石的性能与天然金刚石相比十分接近，在一定程度上又克服了它们的不足。极高的硬度和耐磨性：天然金刚石是自然界已经发现的最硬的物质。 具有很低的摩擦系数：摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力。 切削刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利。 具有很高的导热性能：金刚石的

3、导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，刀具切削部分温度低。 具有较低的热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，由切削热引起的刀具尺寸的变化很小。金刚石刀具多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削及镗孔。适合加工各种耐磨非金属，如玻璃钢粉末冶金毛坯，陶瓷材料等；各种耐磨有色金属，如各种硅铝合金；各种有色金属光整加工。 金刚石刀具的不足之处是热稳定性较差，切削温度超过700800时，就会完全失去其硬度；此外，它不适于切削黑色金属，因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子作用，使碳原子转化为石墨结构，刀具极易损坏。2PCBN 刀具：PCBN 刀具可分为整体 PCBN 刀片和与硬质合金复合

4、烧结的 PCBN 复合刀片。PCBN 复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金上烧结一层 O.51.0mm 厚的 PCBN 而成的，其性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性，它解决了 CBN 刀片抗弯强度低和焊接困难等问题。 高的硬度和耐磨性：具有与金刚石相近的硬度和强度。 具有很高的热稳定性：CBN 的耐热性可达 14001500，比金刚石的耐热性(700800)几乎高 l 倍。 优良的化学稳定性：与铁系材料到 12001300时也不起化学作用，可广泛应用于铸铁的高速切削。 具有较好的热导性：热导性仅次于金刚石。 具有较低的摩擦系数：低的摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表面质量

5、提高。立方氮化硼适于用来精加工各种淬火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等难切削材料。加工精度可达 IT5(孔为 IT6)，表面粗糙度值可小至 Ra1.250.20m。 立方氮化硼刀具材料韧性和抗弯强度较差。因此，立方氮化硼车刀不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工；同时不适合切削塑性大的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等) ，因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，而使加工表面恶化。3 陶瓷刀具：陶瓷刀具材料种类一般可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、复合氮化硅一氧化铝基陶瓷三大类。其中以氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。氮化硅基陶瓷的性能更优越于氧化铝基陶瓷。硬度高、

6、耐磨性能好：可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，适合于高速切削和硬切削。 耐高温、耐热性好：陶瓷刀具在 1200以上的高温下仍能进行切削。陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液。 化学稳定性好：陶瓷刀具不易与金属产生粘接，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘接磨损。 摩擦系数低：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。.陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁) 和钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬火钢等)，也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。 陶瓷

7、刀具材料性能上存在着抗弯强度低、冲击韧性差问题，不适于在低速、冲击负荷下切削。.4 涂层刀具：根据涂层方法不同可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD) 涂层刀具。根据基体材料的不同可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料上的涂层刀具等。根据材料的性质又可分为硬涂层刀具和软涂层刀具。还有受欢迎的纳米涂层刀具。 力学和切削性能好：涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高 2 倍以上，并允许有较高的进给量。涂层刀具的寿命也得到提高。 通用性强：一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用。 涂层厚度：随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明

8、显增加。 重磨性：涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长。 涂层材料：不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转位刀片，满足高速切削加工各种钢和铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需要。随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加。涂层太厚时，易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差。.5 硬质合金刀具：按主要化学成分区分，硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳(氮) 化钛(TiC(N) 基硬

9、质合金。其中碳化钨基硬质合金包括钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT)、添加稀有碳化物类(YW) 三类，它们各有优缺点，主要成分为碳化钨 (WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC) 、碳化铌(NbC)等。 高硬度：硬质合金刀具是由硬度和熔点很高的碳化物(称硬质相) 和金属粘结剂(称粘接相)经粉末冶金方法而制成的，其硬度达 8993HRA ，远高于高速钢，在 5400C 时，硬度仍可达 8287HRA，与高速钢常温时硬度(8386HRA)相同。 抗弯强度和韧性：常用硬质合金的抗弯强度在 9001500MPa 范围内。金属粘接相含量越高，则抗弯强度也就越高。 . YG 类合金主要用于加工铸铁、有色金属

10、和非金属材料。细晶粒硬质合金( 如YG3X、YG6X) 在含钴量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，适用于加工一些特殊的硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜和耐磨的绝缘材料等。 YT 类硬质合金的突出优点是硬度高、耐热性好、高温时的硬度和抗压强度比 YG 类高、抗氧化性能好。YW 类合金兼具 YG、YT 类合金的性能，综合性能好。7 高速钢刀具：按用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。通用型高速钢,一般可分钨钢、钨钼钢两类。这类高速钢含加(C)为 0.70.9。高性能高速钢主要有以下几大类： 高碳高速钢。 高钒高速钢。 钴高速钢。 铝高速钢。 氮超硬高速钢。高速钢(Hig

11、h Speed Steel，简称 HSS)是一种加入了较多的 W、Mo、Cr、V 等合金元素的高合金工具钢。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。高速钢刀具易于磨出锋利的切削刃。 刀具材料与工件材料的化学关系：刀具的磨损是机械磨损和化学磨损综合作用的结果。机械磨损主要包括磨料磨损、粘着磨损、塑性磨损和微观断裂等。化学磨损主要是指在高温下刀具材料的组分与工件材料发生的化学反应、化学溶解以及刀具与工件间元素的扩散等。已有的研究表名切削条件密切相关,在不同的切削条件下加工不同的

12、工件材料时, 占主导地位的磨损机制有所不同。如在低速切削时, 由于温度较低, 其磨损机制往往表现为磨料磨损; 而在高速切削时高温引起的化学反应、氧化磨损和扩散磨损则占主导地位。由于在高温下工件材料硬度有所下降, 因而磨料磨损逐渐减小,化学磨损与切削温度 T 密切相关, 其表达式为:K = A ex p - E/ (RT ) 式中 K - 化学磨损量;A - 常数 ; E - 由刀具和工件材料组合所决定的活化能 ;R - 气体常数。切削刀具与加工对象的化学性能关系主要是指刀具与工件材料的化学亲和性、化学反应、扩散、粘着和溶解等化学性能参数应相互关系。具有不分的刀具( 如高速钢刀具、硬质合金刀具和

13、超硬刀具等) 所适合加工的工件材料有所不同。当刀具与工件中的元素化学亲和性强( 易产生化学反应、相互粘着或扩散) 时, 应设法回避。如含有 SiC 颗粒或 SiC晶须的刀具材料在加工镍基合金时表现出优良的切削性能, 但在加工钢件时刀具材料却发生急剧磨损这是因为 SiC 很容易在切削高温作用下与工件材料中的铁产生化学反应, 其反应式为: 4Fe+ SiC yFeSi+ Fe3 C。如陶瓷的化学惰性大于 T iC 和 WC。即使在熔温度时, Al2O3 与钢也不起化学反应。因此 , 切削加工钢件时, Al2 O3 陶瓷刀具的扩散磨损很小。另外, A l2 O3 陶瓷中含有铝元素 , 因此 Al2O

14、3 陶瓷刀具在加工铝及铝合金时存在较大化学亲和力, 很容易出现较大的粘着磨损和扩散磨损。因此应避免用此类刀具加工铝、钛及其合金。Si3N4 基陶瓷刀具高速切削碳钢时主要发生化学磨损。化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并不大, 但化学磨损的重要作用在于它能大大加剧机械磨损, 如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱, 加剧刀具与工件间的粘着, 从而导致严重的粘着磨损和微观断裂磨损。金刚石刀具切削温度达到 800 e 时就会失去其硬度; 金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料, 因为金刚石与铁族元素之间有很强的化学亲合力, 在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构, 刀具极易损坏。结论：在选择刀具时应考录工件的塑性与韧性，还应考虑刀具的经济性，选择适当的刀具加工，在可以达到加工精度的前提下尽量选择便宜的刀具，刀具的在加工过程中会产生磨损，磨料磨损、氧化磨损、扩散磨损、粘结磨损，为了延长刀具的使用寿命我们可以在切削过程中加入冷却液。 参考文献：陈卫国.金属切削原理与刀具 M . 北京: 中国劳动出版社, 1989黄伟九.刀具材料速查手册.机械工业出版社,2011.02.诸全兴.简明车工手册.上海科学技术出版社,2007.3.彭辉主.造船材料.哈尔滨工程大学出版社,2011.03.