第2章 刀具材料 (2)
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机械制造技术基础 第2章
MMT
2.2.3 刀具工作角度
• 在横向进给切削或切断 工件时，随着进给量f值的增 加和加工直径d的减小，工作 后角不断减小，刀尖接近工 件中心位置时，工作后角的 减小特别严重，很容易因后 面和工件过渡表面剧烈摩擦 使刀刃崩碎或工件被挤断， 切削中应引起充分重视。因 此，切断工件时不宜选用过 大的进给量f，或在切断接近 结束时，应适当减小进给量 或适当加大标注后角。
MMT
2.2.3 刀具工作角度
当工件材料和加工性质不同时，常用硬质合金车刀的 合理前角如表2-1所示。
表2-1 合理前角 粗 车 精 车 硬质合金车刀合理前角的参考值 合理前角 粗 车 精 车
工件材料 低碳钢 中碳钢 合金钢 淬火钢
工件材料 灰铸铁 铜及铜合金 铝及铝合金 钛合金 ≤1.177 GP a
MMT
2.1.1 切削运动
3、合成切削运动
刀具与工件间的相对切削运 动是主运动和进给运动的合成运 动。切削刃上选定点相对于工件 的主运动的瞬时速度，称为切削 速度，以vc表示。切削刃上选定点 相对于工件的进给运动的瞬时速 度，称为进给速度，以vf表示。合 成切削运动的瞬时速度用ve表示。 则ve＝vc＋vf 。
MMT
2.2.2 刀具静止角度参考系及其坐标平面
MMT
2.2.2 刀具静止角度参考系及其坐标平面
刀具静止角度
2.
MMT
2.2.2 刀具静止角度参考系及其坐标平面
刀具在正交平面参考系中定义的标注角度有： （1）前角 γo ：前刀面与基面间的夹角（正交平面中测量） 作用：影响切屑的变形程度； 影响刀刃强度
后角α0：后刀面与切削平面间的夹角（正交 平面中测量）
MMT
2.2.2 刀具静止角度参考系及其坐标平面
刀具材料
补充一些常用牌号: 高碳高速钢: W18Cr4V(9W18) , W6Mo5Cr4V2(CM2) 其碳的质量分数从普通高速钢的0.7％～0.8％增加 到0. 9％～l .0%，使常温硬度提高到66～68HRC， 600°c时高温硬度提高到51～52HRC。适用于耐磨 性要求高的铰刀、锪钻，丝锥以及加工较硬材料 (220～250HBS)的刀具。
含铝高速钢
铝高速钢W6M05cr4V2A1(简称501)和 W10M04Cr4V3Al(简称5F一6)是我国独创的新钢 种，这种钢常温硬度为67～69HRC，600°C高温 时硬度为54～55HRc，切削性能相当于钻高速钢 M42，刀具寿命比W18cr4V显著提高(至少1～2 倍)，而价格却相差不多，用这种钢做的齿轮滚刀 允许l 67m／s的切削速度。
2、 高速钢
概念：高速钢是一种含钨(w)、钼(Mo)、铬(cr)、钒 (V)等合金元素较多的合金工具钢。 以重量计其碳的质量分数为0.7%～1．5％，铬 的质量分数约为4%，钨的质量分数和钼的质量分 数为10％～20%，钒的质量分数为1％～5％。 由于合金元素与碳化合形成较多的高硬度碳化 物，如碳化钒，硬度高达2800HV，且晶粒细小， 分布均匀。而且合金元素和碳原子结合力很强，提 高了马氏体受热时的稳定性。
高钒高速钢 W6Mo5Cr4V3、W12Cr4V4Mo 高钒高速钢质量分数在3％～5％，由于形成 大量高硬度耐磨的碳化钒弥散在钢中，提高 了高速钢的耐磨性，且能细化晶粒和降低钢 的过热敏感性。
3） 粉末冶金高速钢 是20世纪70年代开发的新型刀具材料， 其工艺方法是用高压惰性气体（氩气 或氮气）或高压水雾化高速钢水得到 细小的高速钢粉末，再经热压制成刀 具毛坯。
钴高速钢
M42(W2MO9Cr4VCO8) 和 W10MO4Cr4V3CO10
第二章 刀具材料题解
第二章刀具材料2．1 必备知识和考试要点2．1．1 刀具材料应具备的性能1。
了解刀具切削过程的工作环境。
2．熟悉刀具材料应具备的性能。
2．1．2 高速钢1．熟悉高速钢的基本性能和应用范围。
2．了解通用型高速钢、高性能高速钢主要牌号和数字的含义。
2．1．3 硬质合金1．熟悉硬质合金的特点，能区别硬质合金与高速钢的不同性质和应用特点。
2．熟悉各类硬质合金牌号的含义。
3．根据已知的工件材料、加工条件，正确地选用硬质合金牌号。
2．1．4 其他1．了解涂层刀具材料的性能及应用范围。
2．熟悉陶瓷、金刚石、立方氮化硼刀具材料的性能及应用范围。
2．2 典型范例和答题技巧[例2．1] 根据刀具工作的条件说明刀具材料应具备的性能。
[答案] 刀具在切削时，要承受很大的压力和很高的切削温度，有时还要承受冲击、振动。
所以刀具材料应满足以下要求：(1)高的硬度和耐磨性。
硬度是刀具材料应具备的基本特性。
刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度高。
切削金属所用刀具的切削刃的硬度，一般都在60HRC以上。
耐磨性是材料抵抗磨损的能力。
要保证刀具有足够的使用寿命，刀具材料应具有很好的耐磨性。
(2)足够的抗弯强度和韧性。
要使刀具在承受很大压力和在切削过程中通常出现的冲击和振动的条件下正常工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。
(3)高的耐热性(热稳定性)。
耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。
它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。
刀具材料的高温硬度愈高，则刀具的切削性能愈好，允许的切削速度也愈高。
除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散的能力，即刀具材料应具有良好的化学稳定性。
(4)良好的热物理性能和耐热冲击性能。
刀具材料的导热性愈好，切削热愈容易从切削区散走，有利于降低切削温度。
刀具在断续切削(如铣削)或使用切削液切削时，常常受到很大的热冲击(温度变化剧烈)，使刀具内部产生裂纹而导致断裂。
第2章超精密切削与金刚石刀具详解
一、超精密切削对刀具的要求
• 1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。 • 2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。 • 3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的 镜面。 • 4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的 加工表面完整性。 • 不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。
刃口半径为0.6μm、0.3μm
刃口锋锐度对加工表面有一 定的影响，相同条件下（背 吃刀量、进给量），更锋锐 的刀具切出的表面粗糙度更 小；速度的影响不是很大。
2.4 刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响
二、刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响
锋锐车刀切削变形系数明显低于 较钝的车刀。 刀刃锋锐度不同，切削力明显不 同。刃口半径增大，切削力增大， 即切削变形大。背吃刀量很小时， 切削力显著增大。因为背吃刀量很 小时，刃口半径造成的附加切削变 形已占总切削变形的很大比例，刃 口的微小变化将使切削变形产生很 大的变化。所以在背吃刀量很小的 精切时，应采用刃口半径很小的锋 锐金刚石车刀。
2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构
二、金刚石晶体的性能
• • • • 硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。 优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体 或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。 大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体 生长时间。 人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。
2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响
一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响
3、修光刃的影响
修光刃长度常取0.05～ 0.20mm。 修光刃的长度过长，对 加工表面粗糙度影响不 大。 修光刃有直线和圆弧两 种，加工时要精确对 刀，使修光刃和进给方 向一致。圆弧刃半径一般 取2～5mm。
• 1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。 • 2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。 • 3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的 镜面。 • 4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的 加工表面完整性。 • 不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。
刃口半径为0.6μm、0.3μm
刃口锋锐度对加工表面有一 定的影响，相同条件下（背 吃刀量、进给量），更锋锐 的刀具切出的表面粗糙度更 小；速度的影响不是很大。
2.4 刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响
二、刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响
锋锐车刀切削变形系数明显低于 较钝的车刀。 刀刃锋锐度不同，切削力明显不 同。刃口半径增大，切削力增大， 即切削变形大。背吃刀量很小时， 切削力显著增大。因为背吃刀量很 小时，刃口半径造成的附加切削变 形已占总切削变形的很大比例，刃 口的微小变化将使切削变形产生很 大的变化。所以在背吃刀量很小的 精切时，应采用刃口半径很小的锋 锐金刚石车刀。
2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构
二、金刚石晶体的性能
• • • • 硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。 优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体 或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。 大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体 生长时间。 人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。
2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响
一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响
3、修光刃的影响
修光刃长度常取0.05～ 0.20mm。 修光刃的长度过长，对 加工表面粗糙度影响不 大。 修光刃有直线和圆弧两 种，加工时要精确对 刀，使修光刃和进给方 向一致。圆弧刃半径一般 取2～5mm。
《金属切削原理与刀具》知识点总结
I 切削原理部分第1章刀具几何角度及切削要素1、切削加工必备三个条件：刀具与工件之间要有相对运动；刀具具有适当的几何参数，即切削角度；刀具材料具有一定的切削性能2、切削运动：刀具与工件间的相对运动，即表面成形运动。
分为主运动和进给运动。
1）主运动是刀具与工件之间最主要的相对运动，消耗功率最大，速度最高。
有且仅有一个。
运动形式：旋转运动（车削、镗削的主轴运动）直线运动（刨削、拉削的刀具运动）运动主体：工件（车削）；刀具（铣削）。
2）进给运动：使新切削层不断投入切削，使切削工作得以继续下去的运动。
进给运动的速度一般较低，功率也较少。
其数量可以是一个，也可以是多个。
可以是连续进行的，也可以是断续进行的。
可以是工件完成的，也可以是刀具完成的。
运动形式：连续运动：如车削；间歇运动：如刨削。
一个运动，如钻削；多个运动，如车削时的纵向与横向进给运动；没有进给运动，如拉削。
运动主体：工件，如铣削、磨削；刀具，如车削、钻削。
3、切削用量切削用量是指切削速度c v 、进给量f （或进给速度）和背吃刀量p a 。
三者又称为切削用量三要素。
1）切削速度c v （m／s 或m／min）：切削刃选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。
主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定1000dn v c π=式中：d-工件或刀具的最大直（mm）n-工件或刀具的转速(r/s 或r/min)2）进给量f：工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mm／r（或mm／双行程）。
3）背吃刀量p a （切削深度mm）2m w p d d a -=式中:w d -工件上待加工表面直径（mm）；m d -工件上已加工表面直径（mm）。
4、工件表面：切削过程中，工件上有三个不断变化的表面待加工表面：工件上即将被切除的表面。
过渡表面：正被切削的表面。
下一切削行程将被切除。
己加工表面：切削后形成的新表面。
5、刀具上承担切削工作的部分称为刀具的削部分，刀具切削部分由一尖二刃三面组成。
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。
02.项目二-刀具知识
三、车刀切削部分的几何参数及选择
• • 1、车刀的组成： 车刀是由刀头和刀杆两部分组成，刀 头是车刀最重要的部分，由刀面、刀 刃和刀尖组成，承担切削加工任务。
（1）、刀面 1）、前刀面Ar：切屑流出时经过的刀面。 2）、后刀面AS：与加工表面相对的刀面。 3）、副后刀面AS′：与已加工表面相对的刀 面。
于该点切削速度方向的平面。
•
（2）、切削平面（Ps）：通过切削刃且垂直于基面
的平面。
• （3）、主剖面（P。）通过主切削刃上的选定点， 又垂直于基面和切削平面的剖面。(主截面)
车刀的三个辅助平面
3、车刀的几何角度 1）、前角γ 。：前刀面与基面之间的夹角。 2）、后角α 。：后刀面与切削平面之间的夹角。
硬质合金车刀
按结构其四类车刀的用途如下： 名称 特点 适用场合
整体式
用整体高速钢制造，刃口可磨得较锋利
小型车床或加工非铁金属
焊接式
焊接硬质合金或高速钢刀片，结构紧凑，使 用灵活 避免了焊接产生的应力、裂纹等缺陷，刀杆 利用率高。刀片可集中刃磨获得所需参数； 使用灵活方便 避免了焊接刀的缺点，刀片可快换转位；生 产率高；断屑稳定；可使用涂层刀片
4、车刀几何角度的选择
•
3、主偏角的作用是减小主偏角可改善切削刃的散热性能。
•
主偏角的选择：当工件刚性较差时，应选择较大的主偏角；车细长轴时，为减小径向力应选较大的主
偏角；工件硬度高选较小主偏角。主偏角通常取45°~90°。
•
4、副偏角的作用主要是减小副切削刃与工件之间的摩擦，并改善工件的表面粗糙度。副偏角一般可取
各类车刀特别是小刀具
机夹式
外圆、端面、镗孔、切断、螺 纹车刀等
可转位式
§ 2.1 刀具的结构
镗刀（单刃镗刀）
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γ 0e＞γ0
γ0e=γ0
γ re＜γr
a）
α0e=α0
α 0e＜α0
b） 刀具安装高度对工作角度的影响
c）
α 0e＞α0
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机械制造技术——第二章 金属切削原理与刀具 §2.1 刀具的结构
● 车刀安装偏斜对工作角度的影响
车刀安装偏斜对工作角度的影响 (θ为切削时刀杆纵向轴线的偏转角)
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机械制造技术——第二章 金属切削原理与刀具 §2.1 刀具的结构
（2）孔加工工具 孔加工工具 一般可分为两大类： a.从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等； b.对工件上已有孔进行再加工的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。
普通麻花钻头
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机械制造技术——第二章 金属切削原理与刀具 §2.1 刀具的结构
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机械制造技术——第二章 金属切削原理与刀具 §2.1 刀具的结构
3. 刀具的标注角度 刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所必需的，并在刀具设计图上予以标注的 角度。 刀具的标注角度主要有五个，以车刀为例，表示了几个角度的定义。 （1） 前角γ0 γ 0α0 在正交平面内测量的前刀面与 α0′ 基面之间的夹角。前角表示前面的 ′ + 倾斜程度，有正、负和零值之分。 γ 0 通过选定点的基面位于刀头实体之 A 外时γo定为正值；位于刀头实体之 f ′ κ r 内时γo定为负值。 κr A向 ε r γo影响切削难易程度。增大前角可使刀具 锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强 λs 度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。 用硬质合金车刀切削钢件，γo取10～20°；切削 灰铸铁，γo取5～15°；切削铝及铝台金，γo取25～ 35°；切削高强度钢，γo取-5～ -10°。
数控机床刀具的选择
生的碳化物偏析。其强度、韧性比熔炼 钢有很大提高。可用于加工超高强度钢、 不锈钢、钛合金等难加工材料。用于制 造大型拉刀和齿轮刀具，特别是切削时 受冲击载荷的刀具效果更好。
（2）硬质合金（Cemented Carbide）
1)普通硬质合金
①钨钴类（YG）
WC+Co，强度好，硬度和耐磨性较差， 用于加工脆性材料、有色金属和非金属 材料。常用牌号：YG3、YG6、YG8、 YG6X。数字表示Co的百分含量， Co多 韧性好，用于粗加工； Co少用于精加 工。
2)新型硬质合金 ①钨钛钽（铌）钴类
在YG类中添加 TaC 或 NbC，可提高 高温硬度、强度、耐磨性。用于加工 难切削材料和断续切削。
②通用合金（YW）
在YT类中添加合金，可提高抗 弯强度，冲击韧性，耐热性及高 温强度，抗氧化性等。
（3）新型刀具材料
① 涂层刀具
刀具基体材料上涂一薄层耐磨性 高的难熔金属化合物而得到的刀具材 料.
具 装三面刃铣刀
装面铣刀
M
装有扁尾莫氏锥柄刀具
TQW
倾斜式微调镗刀
XDZ
装直角端铣刀
G C 规格
攻螺纹夹头
TQC
倾斜式粗镗刀
XD
装端铣刀
切内槽工具
TZC
直角形粗镗刀
用数字表示工具的规格，其含义随工具不同而异。有些工具该数字为轮廓尺寸D-L；有些工具 该数字表示应用范围。还有表示其他参数值的，如锥度号等。
②钨钛钴类（YT）
TiC+WC+Co类（YT）：常用牌号有YT5、 YT14、YT15、YT30等。此类硬质合金硬度、 耐磨性、耐热性都明显提高，但韧性、抗冲 击振动性差，主要用于加工钢料,不宜加工脆 性材料。含TiC量多，含Co量少，耐磨性好， 适合精加工；含TiC量少，含Co量多，承受 冲击性能好，适合粗加工。
（2）硬质合金（Cemented Carbide）
1)普通硬质合金
①钨钴类（YG）
WC+Co，强度好，硬度和耐磨性较差， 用于加工脆性材料、有色金属和非金属 材料。常用牌号：YG3、YG6、YG8、 YG6X。数字表示Co的百分含量， Co多 韧性好，用于粗加工； Co少用于精加 工。
2)新型硬质合金 ①钨钛钽（铌）钴类
在YG类中添加 TaC 或 NbC，可提高 高温硬度、强度、耐磨性。用于加工 难切削材料和断续切削。
②通用合金（YW）
在YT类中添加合金，可提高抗 弯强度，冲击韧性，耐热性及高 温强度，抗氧化性等。
（3）新型刀具材料
① 涂层刀具
刀具基体材料上涂一薄层耐磨性 高的难熔金属化合物而得到的刀具材 料.
具 装三面刃铣刀
装面铣刀
M
装有扁尾莫氏锥柄刀具
TQW
倾斜式微调镗刀
XDZ
装直角端铣刀
G C 规格
攻螺纹夹头
TQC
倾斜式粗镗刀
XD
装端铣刀
切内槽工具
TZC
直角形粗镗刀
用数字表示工具的规格，其含义随工具不同而异。有些工具该数字为轮廓尺寸D-L；有些工具 该数字表示应用范围。还有表示其他参数值的，如锥度号等。
②钨钛钴类（YT）
TiC+WC+Co类（YT）：常用牌号有YT5、 YT14、YT15、YT30等。此类硬质合金硬度、 耐磨性、耐热性都明显提高，但韧性、抗冲 击振动性差，主要用于加工钢料,不宜加工脆 性材料。含TiC量多，含Co量少，耐磨性好， 适合精加工；含TiC量少，含Co量多，承受 冲击性能好，适合粗加工。
刀具的材料
➢ 高性能高速钢 在普通高速钢的基础上增加含碳量、含钒量并添加钴、铝 等合金元素熔炼而成，其耐热性好，在630~650℃时仍 能保持接近60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合 金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。
表2-1 几种常用高速钢的力学性能
2、硬质合金
用高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）和金属粘结 剂（Co、Ni等）在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。 1）性能、特点及应用 ➢ 常温硬度达89-93HRA，760℃时其硬度为77-85HRA，在 800-1000℃时硬质合金还能进行切削； ➢ 刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍； ➢ 强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的 1/8-1/30，承受切削振动和冲击的能力较差； ➢ 最常用的刀具材料之一，常用于制造车刀和端铣刀，也可用 于制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形状复杂的 刀具，可采用整体硬质合金制造。 ➢ 整体硬质合金刀具成本高，其价格是高速钢刀具的8-10倍； 可加工包括淬硬钢在内的多种材料。
➢ 制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀 具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形 状复杂的刀具。
2）高速钢分类
高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢； 按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。
➢ 普通高速钢 切削硬度的 基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于 40~60m/min。
2．立方氮化硼
立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼经高温高压处理转 化而成，其硬度高达，仅次于金刚石。是一种新型刀具材 料，它可耐1300~1500℃的高温，热稳定性好；它的化学 稳定性也很好，即使温度高达1200~1300℃也不与铁产生 化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的 切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。
表2-1 几种常用高速钢的力学性能
2、硬质合金
用高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）和金属粘结 剂（Co、Ni等）在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。 1）性能、特点及应用 ➢ 常温硬度达89-93HRA，760℃时其硬度为77-85HRA，在 800-1000℃时硬质合金还能进行切削； ➢ 刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍； ➢ 强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的 1/8-1/30，承受切削振动和冲击的能力较差； ➢ 最常用的刀具材料之一，常用于制造车刀和端铣刀，也可用 于制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形状复杂的 刀具，可采用整体硬质合金制造。 ➢ 整体硬质合金刀具成本高，其价格是高速钢刀具的8-10倍； 可加工包括淬硬钢在内的多种材料。
➢ 制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀 具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形 状复杂的刀具。
2）高速钢分类
高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢； 按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。
➢ 普通高速钢 切削硬度的 基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于 40~60m/min。
2．立方氮化硼
立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼经高温高压处理转 化而成，其硬度高达，仅次于金刚石。是一种新型刀具材 料，它可耐1300~1500℃的高温，热稳定性好；它的化学 稳定性也很好，即使温度高达1200~1300℃也不与铁产生 化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的 切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。
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常用硬质合金牌号及应用范围
(4) TiC基硬质合金。TiC基硬质合金是以TiC为主体，Ni与Mo为黏结
剂，并加入少量其他碳化物而形成的一种硬质合金。如：YN10和YN05。 其具有比WC基硬质合金更高的耐磨性、耐热性和抗氧化能力，但热导率
低和韧性较差。
应用：适用于工具钢的半精加工和精加工及淬硬钢的加工。
成的。硬度仅次于金刚石，显微硬度达到8000~9000HV，耐热性好（达 1400度），化学稳定性好，与铁族金属直至1200~1300度时也不易起化学 作用，因此可用于加工淬硬钢和冷硬铸铁。 应用：用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢和冷 硬铸铁等难加工材料。
第六节 刀具材料的发展
目前国内外用于切削加工刀具材料主要有：金刚石刀具、立方氮化硼刀 具、陶瓷刀具、硬质合金、涂层刀具、高速钢刀具等。它们各有优势， 又彼此竞争，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。 从资源、价格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大的优势，尤其是其资 源优势，因为陶瓷刀具的主要成分在自然界是用之不竭，因此，陶瓷刀 具将会得到更大的发展。
总之，高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性 能又比硬质合金好得多。
应用：高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具 的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。
• 常用高速钢材料的分类与性能及应用 分类：通用型高速钢（普通高速钢）、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。 一、 普通高速钢 特点：工艺性能好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。可用 于制造各种刃形复杂的刀具。切削普通钢料时的切削速度通常不高于 40m/min～60m/min。 普通高速钢又分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。 (1) 钨系高速钢。这类高速钢的典型牌号为W18Cr4V(简称W18)， 含C量为0.7%～0.8%，含W18%，Cr4%、V1%。此类高速钢综合性能 较好，可制造各种复杂性较差。
二、 常用硬质合金的分类、性能及应用
YG (K) 类 YT (P)类 加工长切屑的 黑色金属 WC+ TiC+ Co YW (M)类
加工长或短切屑的 黑色金属和有色金属
分 类
加工短切屑黑色金属 有色金属、非金属 WC+ Co
WC+ TiC+TaC(NbC)+Co
WC+ Co (YG)类硬质合金：常用牌号YG3X、YG6X、YG6、YG8等，数 字表示Co含量的百分率，Co的含量少者，较脆较耐磨。YG类硬质合金有 粗晶粒、中晶粒（ YG6、YG8 ）、细晶粒（ YG3X、YG6X ）和超细晶 粒之分。 在含Co量相同时，细晶粒比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，但 抗弯强度和韧性则要低一些。 超细晶粒硬质合金能在较高硬度时获得很高的抗弯强度，YS2(YG10H)。 为了提高WC+ Co (YG)类合金的常温、高温硬度及耐磨性，在其成分中加 入1%~3%的TaC(NbC)，组成WC+ TaC(NbC)+Co 合金，如YG6A(YA6)。
目前刀具材料中应用最多的仍是高速钢和硬质合金
表2-1 各种刀具材料的物理力学性能
HRC 65 60
HRA 83.6 81
HV 798 687
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第二节 高 速 钢
• 高速钢是富含W、Cr、Mo(钼)、V等合金元素的高合金工具钢。
• 高速钢的特点 • 与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢的热硬性很高， 在切削温度高达500℃～650℃时，仍能保持60HRC的高硬 度，因此切削速度可提高l～3倍，刀具耐用度提高10~40倍。
• 三、 粉末冶金高速钢
粉末冶金高速钢：是将熔炼的高速钢液用高压惰性气体雾化成细小 粉末，将粉末在高温高压下制成刀坯，或压制成钢坯然后经轧制(或锻造) 成材的一种刀具材料。
特点：与熔炼高速钢相比，由于碳化物细小，分布均匀，热处理变 形小，因此粉末冶金高速钢耐磨性好和可磨削性均得到显著改善。
应用：适于制造切削难加工材料的刀具，特别适于制造各种精密刀 具和形状复杂的刀具。
涂层刀具
• 涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金
刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀 片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶 瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目 的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)， 可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。
总体 优点：有很高的硬度、耐磨性、耐热性，在1200℃高温下仍能进 行切削；很好的化学稳定性、较低的摩擦因数。 缺点：强度低、韧性差，抗弯强度仅为硬质合金的1/3～1/2；导热系 数低，仅为硬质合金的1/5～1/2。 应用：钢、铸铁及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精加工，对于 冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲 击大的加工场合。
耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高 刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降 低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志， 在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包 括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成 形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。
• 2.、 钨钼系高速钢。它是以Mo代替部分W发展起来的一种高速钢，典型
牌号是W6Mo5Cr4V2(简称M2)，含碳量为0.8%～0.9%，含W6%、 Mo5%、Cr4%、V2%。 • 与W18Cr4V相比，优点是碳化物含量相应减少，而且颗粒细小分布 均匀，因此抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性都略有提高，适于制造尺寸 较大、承受冲击力较大的刀具(如滚刀、插刀)；又因Mo的存在，使其热 塑性非常好，故特别适于轧制或扭制钻头等热成形刀具。其主要缺点是 可磨削性略低于W18Cr4V。
陶瓷刀具的制备
原材料处理 配比进行配料 细化球磨
干燥
过筛
烧结成型
磨削加工，电火花线切割
陶瓷刀具产品
陶瓷刀具的种类
1.氧化铝—碳化物系陶瓷 2.氮化硅基陶瓷刀具
二、 金刚石
有三种：天然单晶金刚石刀具、整体人造聚晶金刚石刀具、金刚 石复合刀片。 特点：具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度达到10000HV，是目 前已知的最硬物质。刃口极锋利、可切下极薄的切屑、摩擦系数在所有 刀具材料中是最小的、抗黏结能力强。金刚石的热稳定性较低，切削温 度超过700~800度时，就会完全失去硬度。
涂层刀具
• 涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学
气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温
度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD 法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多 采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之 间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂 覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术， 开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等 离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至 180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，
• 二、高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢成分中再添加一些C、V、Co(钴)、 Al(铝)等合金元素，进一步提高耐热性能和耐磨性。这类高速钢刀具的 耐用度为普通高速钢的1.5～3倍。 应用：加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。 (1) 钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8，简称M42)。这是一种含Co超硬高 速钢，常温硬度达67HRC～69HRC，具有良好的综合性能。Co能提高 高温硬度，相应地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。 (2) 铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al，简称501)。铝高速钢是我国研制的无 钴高速钢，是在W6Mo5Cr4V2的基础上增加铝、碳的含量，以提高钢的 耐热性和耐磨性，并使其强度和韧性不降低。
可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超
硬涂层特别有效。
第五节 其他刀具材料
一、陶瓷
常用的刀具陶瓷有两种：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。 Al2O3基陶瓷的特点：高硬度（91~95HRA）、高耐磨性、高耐热性、很高的 化学稳定性，较低的摩擦系数。最大的缺点是：抗弯强度很低，冲击韧性很差。 Si3N4基陶瓷具有高的强度和韧性，能够承受较大的冲击负荷。由于Si3N4基 陶瓷具有较高的导热系数、较低的热膨胀系数，其耐热冲击性能大大优于Al2O3基 陶瓷，切削时可以使用切削液。
第四节 涂层刀具
• 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，
利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可 涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作 为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而 减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、
第三节
一. 硬质合金的组成与特点
硬质合金
硬质合金是将一些难熔的、高硬度的合金碳化物微米数量级粉末与金 属黏结剂按粉末冶金工艺制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、 TiC、TaC、NbC等，常用的黏结剂有Co以及Mo、Ni等。 硬质合金具有高硬度、高熔点和化学稳定性好等特点，在800℃～ 1000℃仍能完成切削加工。缺点是抗弯强度低，冲击韧性差，可加工性 差。
对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的出现
，使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力 ，预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大。