切削刀具及其材料(精)
硬质合金切削刀具材料介绍和基本知识
1.5 碳化物的一些主要性质
碳化物 晶格类型
Cr3C2 Mo2C WC
VC NbC TaC TiC ZrC HfC
斜方晶格 密排六方 简单六方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方
密度 g/cm3 6.68 9.18 15.7 5.36 7.56 14.48
WC-TiC-TaC（NbC）-Co硬质合金
在WC-TiC-Co硬质合金中加入适当的TaC，可提 高其抗弯强度（显著增加刀刃强度）、疲劳强度 和冲击韧性，提高耐热性、高温硬度、高温强度 和抗氧化能力，提高其耐磨性，增加抗月牙洼磨 损和抗后刀面磨损能力。这类合金兼有WC-TiCCo及WC-TaC-Co合金的大部分最佳性能，它既 可用于加工钢料（主要用途），又可用于加工铸 铁和有色金属，故常被称为通用合金（代号 YW）。这类合金通常用于加工各种高合金钢、 耐热合金和各种合金铸铁、特硬铸铁等难加工材 料。如果适当提高含钴量，这类硬质合金便具有 更高的强度和韧性，可用于对各种难加工材料的 粗加工和断续切削。
几种材料的物理机械性能
材料
熔点 密度 (°C) (g/cm³)
硬度 (HV)
弹性模量 抗高温 (kN/mm²) 氧化性能
TiC
3067 4.93
3200
470
TiN
2950 5.40
2500
590
Al2O3
2047 3.98
2100
400
硬质合金
1400~1800
高速钢 1500 7.8
900
一般 一般 很好
4.9 6.73 12.2
显微硬度 弹性模量 导热率
金属切削刀具及选择
主要用于硬质合金刀具和陶瓷刀具，加 工铸铁等脆性材料。
• C、负前角平面型 （右图） • 特点：切削刃强度较好，
但刀刃较钝，切削变形大。
• 主要用于硬脆刀具材料。加 工高强度高硬度材料，如淬 火钢。
• 图示类型负前角后部加有正 前角，有利于切屑流出。
硬质合金： 由难熔金属化合物（如WC、TiC
）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金 法制成。
因含有大量熔点高、硬度高、 化学稳定性好、热稳定性好的金属 碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性 和耐热性都很高。硬度可达HRA89 ～93，在800～1000 °C还能承担 切削，耐用度较高速钢高几十倍。 当耐用度相同时，切削速度可提高 4～10倍。
14金属切削刀具及选择数控加工工艺刀具材料刀具材料刀具材料应具备的性能刀具材料的种类其他刀具材料在切削过程中刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面刀具材料对金属切削的生产率成本质量有很大的影响因此要重视刀具材料的正确选择与合理使用
刀具材料
刀具材料
在切削过程中，刀具直接切除工件上的余量并形 成已加工表面，刀具材料对金属切削的生产率、成本、 质量有很大的影响，因此要重视刀具材料的正确选择 与合理使用。
(3) 副后刀面(副后面)：刀具上与工件已加工表面相对并相互作用的表面
(4) 主切削刃：前刀面与主后刀面的交线。承担主要切削工作，它在工件 上切出过渡表面。 (5) 副切削刃：前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作 ，并最终形成已加工表面。 (6) 刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的线段 或圆弧。刀尖按其连接过渡部分形状不同，分为点状刀尖、修圆刀尖、 倒角刀尖，如图1-5所示。刀尖是刀具切削部分工作条件最恶劣的部位之 一。
机械加工刀具基础知识
切削要素
切削层参数(parameters of undeformed chip)
机械加工刀具基础知识
1.1 切削运动及切削要素
二、切削运动及切削用量 1.主运动和切削速度 主运动(primary motion) 是使刀具和工件之间产生相 对运动，促使刀具接近工件 而实现切削的运动。
机械加工刀具基础知识
机械加工刀具基础知识
1.2 切削刀具及其材料
一、切削刀具 2.车刀切削部分的主要角度
背吃刀量和进给量一定时，主偏角愈小，切削层公称宽 度愈大而公 称厚度愈小，即切下宽而薄的切屑。
机械加工刀具基础知识
1.2 切削刀具及其材料
一、切削刀具 2.车刀切削部分的主要角度
主、副偏角小时，已加 工表面残留面积的高度hc亦 小，因而可减小表面粗糙度 的值，并且刀尖强度和散热 条件较好，有利于提高刀具 寿命。
机械加工刀具基础知识
1.2 切削刀具及其材料
一、切削刀具 2.车刀切削部分的主要角度 (2)车刀的主要角度
车刀设计、制造、刃磨 及测量时，必须考虑的主要角 度，如图所示。 1)主偏角kr在基面中测量的主 切削平面与假定工作平面间的 夹角。 2)副偏角k’r在基面中测量的 副切削平面与假定工作平面间 的夹角。
机械加工刀具基础知识
1.2 切削刀具及其材料
二、刀具材料 1.刀具材料应具备的性能
较高的硬度和耐磨性
足够的强度和韧度
较高的耐热性
良好的工艺性和经济性
机械加工刀具基础知识
1.2 切削刀具及其材料
二、刀具材料 2.常用的刀具材料
常用刀具材料基本性能
机械加工刀具基础知识
1.2 切削刀具及其材料
二、刀具材料 2.常用的刀具材料
数控刀具材料及选用
数控刀具材料及选用，再也不用盲目选刀加工设备与高性能的数控刀具相配合，才能充分发挥其应有的效能，取得良好的经济效益。
随着刀具材料迅速发展，各种新型刀具材料，其物理、力学性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用范围也不断扩大。
一. 刀具材料应具备基本性能刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。
刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。
因此，刀具材料应具备如下一些基本性能：(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) 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。
(4) 工艺性能和经济性。
刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。
二.刀具材料的种类、性能、特点、应用1．金刚石刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。
金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。
尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。
可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。
⑴金刚石刀具的种类①天然金刚石刀具：天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了，天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0.002靘，能实现超薄切削，可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。
②PCD金刚石刀具：天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是聚晶金刚石(PCD)，自20世纪70年代初，采用高温高压合成技术制备的聚晶金刚石(Polycrystauinediamond，简称PCD刀片研制成功以后，在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。
各种刀片用途及钢料
各种刀片用途及钢料刀片是一种常见的切割工具，广泛应用于不同领域，包括日常生活中的厨房刀具、手术刀、行业中的工艺刀具和工业切割工具等。
不同的刀片使用不同的钢材制成，以满足各种不同的应用需求。
以下是几种常见的刀片和它们的用途以及使用的钢料。
1.厨房刀片厨房刀片用于食物的切割和加工，一般分为切菜刀、剁刀、刨刀、水果刀等。
这些刀片通常使用不锈钢制成，因为它具有耐腐蚀性能，不会对食物产生有害物质。
常用的不锈钢材料有420不锈钢、440不锈钢等。
2.医疗手术刀片手术刀片用于医疗领域的手术操作，要求具有尖锐度和消毒性能。
医疗手术刀片一般使用高碳不锈钢材料制成，如17-4PH不锈钢或440C不锈钢。
这些钢材具有高硬度和耐腐蚀性能，适合进行手术操作。
3.工艺刀具工艺刀具广泛应用于手工艺品制作、纸艺、编织、剪纸等领域。
常见的工艺刀具包括割刀、雕刻刀、裁缝剪等。
这些刀片通常使用高碳钢或合金钢制成，提供良好的切削性能和耐磨性。
4.工业切割工具工业切割工具用于工业生产中的金属切削和加工，包括圆锯片、金属刀片、铣刀等。
这些刀片通常使用硬质合金制成，如钨钛合金、维氏硬质合金等。
这些合金钢具有高硬度和耐磨性，可以进行高速切削和长时间使用。
除了上述常见的刀片和钢材，还有一些特殊应用的刀片和钢材。
例如：5.石材切割刀片石材切割刀片用于石材的切割和加工，常见的刀片有连续刀片和分割刀片。
这些刀片通常使用硬质合金制成，以应对石材高硬度和高磨损的特点。
6.纸张切割刀片纸张切割刀片用于印刷和纸加工领域，要求刀片锋利度高且不易磨损。
这些刀片通常使用高速钢制成，因为高速钢具有高硬度和热稳定性。
总体而言，不同的刀片具有不同的用途和要求，因此需要使用不同材料制作以满足需求。
选择适当的刀片和合适的钢材对于切削质量和使用寿命都非常重要。
车床常用的刀具材料及其用途
车床常用的刀具材料及其用途车床常用的刀具材料及其用途车床车刀切削部分在切削过程中连续经受强烈的摩擦，切削温度很高，并同时承受很大的切削力及冲击力，所以作为车刀切削部分的材料必须真备良好的切削性能，要具有硬度高（冷硬性）、耐磨性好、耐高温（红硬性），并具有足够的强度和韧性。
(1）高速钢高速钢是一种含有钨（W）、铬（Cr)、钒（V）、钼（Mo）等合金元素的高合金工其钢。
高速钢刀具制造简单，刃磨方便，切削刃锋利，而且韧性较好，能承受较大的冲击万，因此常用子加工一些冲击性较犬、形状不规则的工件。
高速钢也常作为精加工车刀(如宽刃天进给的车刀、梯形螺纹精车力等）以及成型车力的材料。
但高速钢的耐热性较差（600~660℃），因此不能用子高速切削。
常见的普通高速钢有两种，钨系高速钢典型牌号为W18Cr4V和钨钼系高速钢典型牌号为W6Mo5Cr4V2。
(2）硬质合金硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物粉末，加钴（Co）、钼(Mo）等作为黏结剂烧结而成的粉末冶金制品。
硬质合金能耐高温，即使在100o℃左右仍能保持良好的切削性能，耐磨性也很好，常温下硬度很高，而且具有一定的使用强度，是目前我国应用泛的刀具材料之一。
硬质合金按其成分不同，可分为钨钴类、钨钛钴类、钨但钴类和钨钛但钴类。
①钨钴类硬质合金:它的以YG表示。
这类硬质合金的韧性较好，硬度和耐热性较低，因此适合于加工铸铁、青铜等脆性材料或冲击性较大的工件。
钨钴类硬质合金按不同的含钴量，分为YG3、YG6、YG8等多种牌号。
YG8适合于粗加工，YG6适谷子半精加工，YG3适合于精加工。
②钨钛钴类硬质合金:它的以YT表示。
这类硬质合金的耐磨性较好，能承受较高的切削温度，所以适合于加工碳钢、合金钢等塑性金属或其他韧性较大的塑性材料。
因为它性脆，不耐冲击，所以不宜加工脆性材料。
钨钛钴类硬质合金按不同的含碳化钛量，分为YT5、YT15、YT3o等几种牌号。
YT5适合子粗加工，YT15适合于半精加工和精加工，YT3o适合于精加工。
刀具材质及加工参数
生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。
2 、 TiN 涂层：在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数
较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。
3 、 TiC—TiN 复合涂层：第一层涂 TiC ，与刀具基体粘牢不易 脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。 4 、 TiC-Al203 复合涂层：第一层涂 TiC, 与刀具基体粘牢不易 脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和 抗氧化性能。 目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层 或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。
上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而制成的。
涂层 硬质合 金 一般采 用 化学气 相 沉积法 ， 沉积温度 在
1000℃左右；涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法， 沉
积温度在500℃左右。 常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。 涂层厚度：硬质合金为4～5 μm，表层硬度可达HV2500～ 4200； 高速钢为2 μm， 表层硬度可达HRC 80。
二、金刚石（C） 应用：目前主要用于磨具及磨料，可用于加工硬质合 金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材 料，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达 65 ～ 70HRC 的材 料。也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木 材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复 合难加工材料的精加工或超精加工。 用作刀具材料时，多用于在高速下精细车削或镗削有色金 属及非金属材料。加工铝合金、铜合金时，切速可达 800～3800 m／min。
2.5 其它刀具材料
一、 陶瓷
※陶瓷：以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体 再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。 特点： 优点：硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学 稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩 散能力强； 缺点：是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃， 所以使用范围受到限制； 应用：可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。高速 切削加工的精加工阶段。
刀具材料及刀具构造
金切基础：刀具材料及刀具构造刀具是由切削部分和夹持部分组成。
夹持部分是用来将刀具夹持在机床上的部分，要求它能保证刀具正确的工作位置，传递所需要的运动和动力，并且夹固可靠，装卸方便。
切削部分是刀具上直接参加切削工作的部分，刀具切削性的优劣，取决于切削部分的材料、角度和结构。
一.刀具材料1.对刀具材料的基本要求刀具材料是指切削部分的材料。
它在高温下工作，并要承受较大的压力、摩擦、冲击和振动等，因此应具备以下基本性能。
（1）较高的硬度刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温硬度一般在60HRC以上。
（2）有足够的强度和韧性，以承受切削力、冲击和振动。
（3）有较好的耐磨性，以抵抗切削过程中的磨损，维持一定的切削时间。
（4）较高的耐热性，以便在高温下仍能保持较高硬度，又称为红硬性或热硬性。
（5）有较好的工艺性，以便于制造各种刀具。
工艺性包括锻造、轧制、焊接、切削加工、磨削加工和热处理性能等。
目前尚没有一种刀具材料能全面满足上述要求。
因此，必须了解常用刀具材料的性能和特点，以便根据工件材料的性能和切削要求，选用合适的刀具材料。
2. 常用的刀具材料目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷材料等。
（1）碳素工具钢含碳量较高的优质钢，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。
（2）合金工具钢在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具钢。
常用来制造一些切削速度不高或手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等。
目前生产中应用最广的刀具材料是高速钢和硬质合金。
（3）高速钢它是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。
它的耐热性、硬度和耐磨性虽低于硬质合金，但强度和韧度却高于硬质合金，工艺性较硬质合金好，而且价格也比硬质合金低。
W18Cr4V是国内使用最为普遍的刀具材料，广泛地用于制造各种形状较为复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具等。
（4）硬质合金它是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC等）作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金的方法而制成的一种合金。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1－45°弯头车刀；2－90°外圆车刀；3－外螺纹车刀；4－75°外圆车刀； 5－成形车刀；6－90°外圆车刀；7－切断刀；8－内圆切槽刀；9－内螺纹 车刀；10－盲孔镗刀；11－通孔镗刀
1. 整体式式车刀
切削部分与夹持部分材料 相同，对贵重的刀具材料 消耗较大。 多用高速钢制造。
2. 硬质合金焊接式车刀
1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响
用刃倾角λs=0°车刀车削外圆时，由于车
刀的刀尖高于工件中心，工作前角γoe增大， 而工作后角αoe减小。 若切削刃低于工件中心，则工作前角γoe增 大，而工作后角αoe减小
2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响
当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时
针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角 将减小。
2.后角αo
（1）功用
αo
后刀面与工件的摩擦 后刀面的磨损率
（2）选择
取决于：加工要求、工件材料 及工艺系统刚度。
•粗加工或工件材料较硬，后角取较小值； •工件材料越软、塑性越大，后角越大； •工艺系统刚度较差时，适当减小后角；
3.主偏角κr 和副偏角κr′
（1）功用
κr 和κr′
刀刃强度 ，散热条件
与静态系统中正交平面参考系建立的定义 和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动 υe或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基 面pre。
2．刀具工作角度的分析
在车削(切断、车螺纹、车丝杠 ) 、镗孔、铣削等加工中，通常因刀 具工作角度的变化，对工件已加工表 面质量或切削性能造成不利影响。
（1）刀具安装位置对刀具工作角度的影响
刀具寿命
残留面积高度 背向力Fp
表面粗糙度
，工件易变形
Fp
Ff kr1 kr2 Kr ’
（2）选择
•工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反
之取较大值。 副偏角大小取决于表面粗糙度（ 5 ° 〜 15 ° ) ， • 粗加工时取大值，精加工取小值。
4.刃倾角λs
（1）功用 （2）选择
主要影响刀头的强度、 切削分力和切屑的流动方向。
1．刀具静止参考系
刀具静止参考系或标注角度参考系：在设计、制 造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参 考系。 在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。 静止参考系中最常用的是正交平面参考系。
2.正交平面参考系
(1)基面pr (2)切削平面ps (3)正交平面po
通过切削刃上选定 点，同时与基面和切削 平面垂直的平面。
2)后角αo 后面与切削平面之间的夹角。
说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等 高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑 进给运动的影响等条件下确定的。
（四）刀具工作角度
1．刀具工作参考系的建立
刀具在工作参考 系中确定的角度 称为刀具工作角 度。 研究刀 具工作角度的变 化趋势，对刀具 的设计、改进、 革新有重要的指 导意义。
第二节 一、
切削刀具及其材料 切削刀具结构
由工作部分和非工作部分构成。
车刀(turning tools)的工作部分比较简单， 只由切削部分构成，非工作部分就是车刀 的柄部(或刀杆)。
不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部 分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变 而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参 数。
将硬质合金刀片 用紫铜、黄铜等焊接在开 有刀槽的刀杆上。 结构简单、紧凑，抗振性 能好，制造方便，使用灵 活。但刀片易产生应力和 裂纹。
（一）刀具切削部分的基本定义
1.刀 面
（1)前刀面 切屑流过的刀面。 （2)主后刀面 （3)副后刀面 与工件正在被切削加工的表面 （过渡表面）相对的刀面。 与工件已切削加工的表面相对 的刀面。
2.刀刃
（1）主切削刃 （2）副切削刃 前刀面与主后刀面在空间的交线。 前刀面与副后刀面在空间的交线。
Hale Waihona Puke 3．刀尖三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃 二条刀刃汇交的一小段切削刃。 在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性， 一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。
（二）定义刀具角度的参考系
• 刀具角度是刀具设计、制造、刃磨和测量 时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削 部分几何形状（各表面空间位置）的重要参 数。 • 参考系：用于定义和规定刀具角度的各基 准坐标面。 • 参考系：刀具静止参考系和刀具工作参考 系。
•加工一般钢料和铸铁，无冲击时：
粗车λs ＝ 0°〜－5°，精车λs ＝ 0°〜+5°； 有冲击时：λs ＝ －5°〜－15°； 特别大时：λs ＝ －30°〜－45°。 •切削加工高强度钢、冷硬钢时： λs ＝－30°〜－45°。
三、切削刀具结构
（一）、车刀
车刀是金属切削加工中最简单、使用最广泛的刀 具，它可以在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半 自动车床上，完成工件的外圆、端面、切槽或切断等不同 的加工工序。
由以下三个在空间 相互垂直的参考平 面构成。 通过切削刃上选定 点，垂直于该点切 削速度方向的平面。 通常平行于车刀的 安装面（底面）。
通过切削刃 上选定点，垂直 于基面并与主切 削刃相切的平面。
（三）刀具的标注角度
（1）基面中测量的刀具角度
1）主偏角κr 主切削刃在基面上的投影与进给 运动速度vf 方向之间的夹角。 2）副偏角κr′ 副切削刃在基面上的投影与进给 运动速度vf反方向之间的夹角。
（2）切削平面中测量的刀具角度
1）刃倾角λs 夹角。 主切削刃与基面之间的
•它在切削平面内标注或 测量，但有正负之分。 •当主切削刃与基面平行 时λs=0°； •当刀尖点相对基面处于 主切削刃上的最高点时 λs ＞0°；反之λs ≤0°。
（3）正交平面中测量的刀具角度
1)前角γO
前面与基面之间的夹角。
二、刀具角度的选择
1.前角γO
（1）功用
γO
刀刃锋利 ，切屑变形
切削力和切削功率 刀具寿命
刀刃和刀尖强度
，散热体积
Pr
γo2
γo1
（2）选择
取决于：工件材料、刀具材料 及加工要求。
•工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反
之应取较小的前角。 •加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料 时，应取较小的前角。 •刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之 （硬质合金）取较小前角。 •粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。