金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第第 3 讲讲教学内容教学内容第第2章章 刀具材料刀具材料教学重点教学重点刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能常用刀具材料的选用方法常用刀具材料的选用方法1 高硬度高硬度常温硬度常温硬度 60HRC2 强度强度 韧性足够韧性足够硬度与韧性、抗弯强度相互制约硬度与韧性、抗弯强度相互制约基本性能指标：基本性能指标：首选指标首选指标 综合能力指标：承压抗冲击与振动综合能力指标：承压抗冲击与振动冲击韧度冲击韧度 a a k 工作条件：高温工作条件：高温 高压高压 强摩擦强摩擦 冲击和振动冲击和振动2.1 概述概述刀具材料刀具材料硬度硬度=（1.3 1.5）工件硬度）工件硬度抗弯强度抗弯强度 s sbb 解决解决：优选刀具结构：优选刀具结构 刀具几何参数刀具几何参数一一 刀具材料应具备的基本性能刀具材料应具备的基本性能 3 较高耐磨性较高耐磨性4 较高耐热性较高耐热性常用衡量指标：常用衡量指标：硬度硬度衡量指标衡量指标重要性能指标：影响刀具寿命重要性能指标：影响刀具寿命主要性能指标主要性能指标 高温刀具维持切削的特性高温刀具维持切削的特性B 允许耐热温度值允许耐热温度值粘结和扩散磨损粘结和扩散磨损A 高温硬度值（红硬性）高温硬度值（红硬性）相变磨损相变磨损 热膨胀系数小热膨胀系数小 刀具热变形小刀具热变形小 6 导热性与热膨胀系数导热性与热膨胀系数5 工艺性工艺性 7 经济性经济性价格低廉价格低廉 资源丰富资源丰富磨削加工性良好磨削加工性良好导热性与焊接工艺性良好导热性与焊接工艺性良好热处理：淬火变形小热处理：淬火变形小 淬透层深淬透层深 脱碳层浅脱碳层浅导热系数大导热系数大 刀具温度低刀具温度低加工尺寸精度稳定加工尺寸精度稳定高速钢高速钢和和硬质合金硬质合金目前使用最广泛目前使用最广泛工具钢工具钢高速钢高速钢硬质合金钢硬质合金钢陶瓷陶瓷 超硬材料：超硬材料：金钢石金钢石、立方氮化硼立方氮化硼二二 常用刀具材料的种类常用刀具材料的种类常用刀具材料的性能、牌号及用途常用刀具材料的性能、牌号及用途 刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材 铸铁一般钢材 铸铁粗 精加工一般钢材 铸铁粗 精加工高硬度钢材精加工硬质合金 铜 铝有色金属及其合金陶瓷等高硬度材料淬火钢 冷硬铸铁 高温合金等难加工材料常用常用刀具材料刀具材料性能指标性能指标用途用途缺点缺点250 300OC 硬度下降硬度下降 失去切削性能失去切削性能常用牌号：常用牌号：T8A T10A T12A手用低速工具：锉刀手用低速工具：锉刀 锯条锯条 丝锥丝锥 扳扳牙牙 硬度硬度 58 64 HRC成分：含碳量成分：含碳量 0.651.35% 优质高碳钢优质高碳钢 2.2 工具钢工具钢切削速度切削速度 5 10 m/min红硬性红硬性 250 300OC一一 碳素工具钢碳素工具钢硬度硬度62HRC总量控制总量控制3 5%缺点：缺点：325 400OC时失去切削性能时失去切削性能用途：低速工具丝锥、扳牙、铰刀、搓丝板、量规用途：低速工具丝锥、扳牙、铰刀、搓丝板、量规性能性能指标指标主要类型：主要类型：9Mn2V 9SiCr CrW5 CrWMn 二二 合金工具钢合金工具钢成分：高碳钢中加成分：高碳钢中加Si Cr W Mn红硬性红硬性=325 400OC切削速度：切削速度：1015 m/min 硬度：硬度：6265HRC常用牌号：常用牌号：W18Cr4V W6MO5Cr4V2 W6MO5Cr4V2Al1 基本性能基本性能基本性能基本性能2 优点优点强度强度=（23）硬质合金硬质合金 2.3 高速钢高速钢韧性等于硬质合金几十倍韧性等于硬质合金几十倍加工性好加工性好：钻头、铣刀钻头、铣刀耐热性：耐热性：500600 0C强度：强度：s sbb bb = 360GPa k k =3m/Cm2切削速度：切削速度：V 30 m/min工艺性好工艺性好 适于制造复杂刀具适于制造复杂刀具1 1 钨系钨系 典型牌号：典型牌号：W18Cr4V （简称：（简称：18-4-1 W18）综合性能综合性能缺点缺点 硬度：硬度：HRC（6266）碳化物分布不均匀碳化物分布不均匀 不宜做大截面刀具不宜做大截面刀具一一 普通高速钢普通高速钢红硬度红硬度620O 600O时仍为时仍为48.5HRC刃磨工艺好：刃磨工艺好：0.0050.018 刃口平直刃口平直通用性强通用性强: :车刀车刀 成型车刀成型车刀 拉刀拉刀 宽刃精刨刀宽刃精刨刀 齿轮刀具齿轮刀具热处理控制较容易热处理控制较容易 钨价高：国内外已逐渐淘汰钨价高：国内外已逐渐淘汰热塑性差热塑性差优点优点缺点缺点典型牌号：典型牌号：W6Mo5Cr4V2 （简称（简称 6-5-4-2 M2） 冲击韧性比冲击韧性比W18，k 提高约提高约40%以上以上热处理时脱碳过敏性大热处理时脱碳过敏性大 淬火温度范围淬火温度范围窄窄我国通用牌号：我国通用牌号：W9MO3Cr 4V （简称（简称 93-41 W9）2 钨钼系钨钼系 目前各国使用较多的一种刀具系列目前各国使用较多的一种刀具系列 适用承受大冲击力刀具以及结构较薄弱刀具适用承受大冲击力刀具以及结构较薄弱刀具 如：麻花钻如：麻花钻 晶粒密度晶粒密度W18，热塑性、加工性好，热塑性、加工性好 抗弯强度抗弯强度W18， bb 提高提高18%刀具寿命刀具寿命 M2类型类型使用要点使用要点在适用条件下在适用条件下 选用不要超出使用范围选用不要超出使用范围高碳高速钢高碳高速钢钴高速钢钴高速钢含铝高速钢含铝高速钢高钒高速钢高钒高速钢二二 高性能高速钢高性能高速钢性能性能P16 表表2-2成分：普通型成分：普通型+ C V Co AlHRC（67 70）耐磨性、耐热性耐磨性、耐热性 通用型通用型适用切削不锈钢适用切削不锈钢 耐热钢耐热钢 高强度高强度钢钢1 工艺方法工艺方法2 性能特点性能特点TiN涂层在钻头涂层在钻头 齿轮刀具广泛应用齿轮刀具广泛应用多涂层多涂层 软硬组合涂层软硬组合涂层 纳米涂层纳米涂层 金刚石涂金刚石涂层层 三三 高速钢的表面处理高速钢的表面处理氮化处理氮化处理 离子注入离子注入 真空溅射真空溅射 物理气相沉物理气相沉积积涂层厚度涂层厚度 （ 2 8）m 刀具重磨后其性能仍明显高于普通高速钢刀具重磨后其性能仍明显高于普通高速钢切削力切削力 切削温度切削温度下降下降25%3 应用应用4 技术发展技术发展切削速度切削速度 进给量进给量 刀具寿命显著提刀具寿命显著提高高类别类别牌牌 号号主主 要要 用用 途途普通普通高速钢高速钢W18Cr4V广广泛泛用用于于制制造造钻钻头头、绞绞刀刀、铣铣刀刀、拉拉刀刀、丝丝锥锥、齿齿轮刀具等轮刀具等W6Mo5Cr4V2用用于于制制造造要要求求热热塑塑性性好好和和受受较较大大冲冲击击载载荷荷的的刀刀具具 如轧制钻头等如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用用于于制制造造要要求求热热塑塑性性好好和和受受较较大大冲冲击击载载荷荷的的刀刀具具，如轧制钻头等如轧制钻头等高高性性能能高高速速钢钢高碳高碳95W18 Cr4V用于制造韧性要求不高用于制造韧性要求不高 但对耐磨性要求较高的刀具但对耐磨性要求较高的刀具高矾高矾W12Cr4V4 Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单刀具用于制造形状简单刀具 如加工铁基高温合金钻头如加工铁基高温合金钻头W12Cr4V3 Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8 （M42）用作难加工材料的刀具，用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具因其磨削性好可作复杂刀具 价格昂贵价格昂贵常用高速钢牌号及其应用范围常用高速钢牌号及其应用范围硬度硬度 74 82HRC 可切淬火钢可切淬火钢基本性能基本性能主要成分主要成分趋向趋向广泛应用广泛应用碳化物：碳化物：WC TiC TaC NbC 硬质相硬质相2.4 硬质合金硬质合金耐热性耐热性 800 1000 切削速度切削速度 V = =100 300m/min工艺性差工艺性差 不宜制造整体结构的复杂刀具不宜制造整体结构的复杂刀具抗冲击抗冲击 振动差振动差 k =1/101/25高速钢高速钢抗弯强度低抗弯强度低 bb =1/2高速钢高速钢金属金属：Co Mo Ni 粘结相粘结相 车刀车刀 深孔钻深孔钻 复杂立铣刀复杂立铣刀 孔加工刀具孔加工刀具 小模数齿轮滚小模数齿轮滚刀刀 3 碳化物晶粒分布的影响碳化物晶粒分布的影响晶粒均匀晶粒均匀 可防止由热应力和机械冲击而产生的裂纹可防止由热应力和机械冲击而产生的裂纹碳化物在硬质合金中所占比例大碳化物在硬质合金中所占比例大 硬度高硬度高细晶粒硬质合金的硬度高于粗晶粒硬质合金细晶粒硬质合金的硬度高于粗晶粒硬质合金粘结剂厚度小粘结剂厚度小 硬质合金硬度高硬质合金硬度高一一 影响硬质合金性能的因素分析影响硬质合金性能的因素分析 1 碳化物种类的影响碳化物种类的影响含含TiC硬质合金硬度高于只含硬质合金硬度高于只含WC的硬质合金的硬质合金但脆性差但脆性差 导热性更差、密度更小导热性更差、密度更小 2 碳化物数量、粒径及粘结剂数量的影响碳化物数量、粒径及粘结剂数量的影响1 分类方法分类方法按化学成分与使用性能分类按化学成分与使用性能分类 二二 硬质合金硬质合金的种类和牌号的种类和牌号标准：标准：GB/T20075 1998符号符号: P 长屑长屑 K 短屑短屑 M 通通用型用型 2 钨钴类（钨钴类（WC + Co）硬质合金）硬质合金抗弯强度与韧性抗弯强度与韧性P类类 耐热性耐热性P类类典型牌号：典型牌号：YG3（K01） YG6（K20） YG（K40）Co含量愈高含量愈高 强度强度 韧性愈好韧性愈好高适于粗加工高适于粗加工 少用于精加工少用于精加工 3 钨钛钴类钨钛钴类（ P类类 YT ） 成分成分：WC + TiC + Co性能性能硬度硬度 耐热性较高耐热性较高(90010000C)YT5(P30) YT14(P20) YT15(P10) YT30(P01)典型牌号典型牌号应用应用：加工长切屑黑色金属加工长切屑黑色金属 塑性材料塑性材料较好的抗粘结较好的抗粘结 抗氧化作用抗氧化作用焊接焊接 刃磨易产生裂纹刃磨易产生裂纹 使用时要特别注意使用时要特别注意TiC量增多时量增多时 合金导热性差合金导热性差YT30高速精加工淬硬钢高速精加工淬硬钢 高温合金高温合金 4 通用合金类通用合金类 M类类 YM成分成分：WC + TiC + TaC（NbC）+ Co YW1（M10） YW2（M20） YW3（M30）典型牌号典型牌号加工短切屑铸铁、长切屑钢材加工短切屑铸铁、长切屑钢材应用应用导热差导热差 耐磨性好耐磨性好 刀具寿命刀具寿命长长性能性能适于断续切削、铣削，不易崩刃适于断续切削、铣削，不易崩刃在在YG类、类、YT类分别加入类分别加入TaC时时YG类类 8000C 使使bb 提高提高0.15 0.20%YT类类 高温硬度可提高约高温硬度可提高约（50 100）HV精加工精加工粗加工粗加工牌号牌号应应 用用 范范 围围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工 不能承受冲击载荷不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工 不能承受冲击载荷不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工 也可用于断续切削也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工亦可用于断续切削时的精加工亦可用于断续切削时的精加工YT14同同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工碳素钢、合金钢的粗加工 也可以用于断续切削也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料的半精加工和精加工的半精加工和精加工普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高高温温合合金金、高高锰锰钢钢、不不锈锈钢钢等等难难加加工工材材料料及及普普通通钢钢料料、铸铸铁铁、有有色金属及其合金的粗加工和半精加工色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯抗弯强度强度韧性韧性进给进给量量 硬度硬度耐磨耐磨性性 切削切削速度速度抗弯抗弯强度强度韧性韧性进给进给量量 硬度硬度耐磨耐磨性性 切削切削速度速度抗弯强抗弯强度、韧度、韧性、进性、进给量给量 硬度、硬度、耐磨性、耐磨性、切削速切削速度度各种硬质合金的应用范围各种硬质合金的应用范围1 硬度硬度 2 强度强度 韧性韧性三三 硬质合金的性能特点硬质合金的性能特点含含TaC（NbC）比不含者高）比不含者高 细晶粒粗晶粒细晶粒粗晶粒含量相同时，含量相同时，YTYGCo含量增加含量增加 bb k增加增加Co相同时相同时 YG高于高于YT细晶粒略低于粗晶粒细晶粒略低于粗晶粒加加TaC时时 除除YGA bb 有所提高有所提高Co含量多则硬度低含量多则硬度低5 抗粘结性抗粘结性YT中随中随 TaC 增加而减小增加而减小 YT明显高于明显高于YG 且随且随TaC含量增加而增大含量增加而增大YT类高于类高于YG 类类硬质合金比高速钢高硬质合金比高速钢高硬质合金比高速钢低硬质合金比高速钢低4 线膨胀系数线膨胀系数YG中随中随Co量增加而减小量增加而减小YG YT 高近高近1倍倍(20 88) W/m0C3 导热系数导热系数冷焊冷焊：与钢发生粘结的温度与钢发生粘结的温度 YG类类 YGA类类 五五 选用原则选用原则 YW类类 YT类类铸铁铸铁 有色金属及其合金有色金属及其合金 非金属等脆性材料非金属等脆性材料高速加工钢料高速加工钢料高速加工钢料高速加工钢料含含Co少宜于精加工少宜于精加工 含含Co量多宜于粗加工量多宜于粗加工冷硬铸铁冷硬铸铁冷硬铸铁冷硬铸铁 高锰钢高锰钢高锰钢高锰钢 淬硬钢淬硬钢淬硬钢淬硬钢 含钛不锈钢含钛不锈钢含钛不锈钢含钛不锈钢 钛合金与高温合金钛合金与高温合金钛合金与高温合金钛合金与高温合金不宜含不宜含Ti 不锈钢和钛合金等难加工材料不锈钢和钛合金等难加工材料用于难加工材料的半精用于难加工材料的半精 精加工精加工高温合金高温合金 高锰钢高锰钢 淬硬钢淬硬钢 不含不含TiTi不锈钢不锈钢