01

刀具材料應具有基本的性能。

刀具的選擇對刀具壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本有很大的影響。刀具承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動。因此，刀具材料應具有以下基本性能:

(1)硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。工具的硬度越高，耐磨性越好。

(2)強度和韌性。刀具應具有較高的強度和韌性，以承受切削力、沖擊和振動，防止刀具脆斷和崩刃。

(3)耐熱性。該刀具材料耐熱性好，切削溫度高，抗氧化性好。

(4)工藝性能和經(jīng)濟性。材料應具有良好的鍛造性能、熱處理性能和焊接性能；研磨性能等。，追求高性價比。

02

刀具的類型、性能、特點和應用

1.金剛石刀具材料

鉆石是碳的同素異形體，碳是自然界中發(fā)現(xiàn)的最堅硬的材料。金剛石工具具有高硬度、高耐磨性和高導熱性，廣泛應用于有色金屬和非金屬材料的加工。特別是在鋁和硅鋁合金的高速切削中，金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具。金剛石刀具可以實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性和長壽命的加工，是現(xiàn)代數(shù)控加工中不可缺少的工具。

(1)金剛石刀具的類型

①天然金剛石工具:天然金剛石作為切割工具已有數(shù)百年的歷史。天然單晶金剛石刀具經(jīng)過精磨后，刃口可以極其鋒利，刃口半徑可以達到0.002μm m，可以實現(xiàn)超薄切削，可以加工極高的工件精度和極低的表面粗糙度。是公認的、理想的、不可替代的超精密加工工具。

② PCD金剛石工具:天然金剛石價格昂貴，聚晶金剛石(PCD)在切割中應用廣泛。自20世紀70年代初，高溫高壓合成技術(shù)制備的聚晶金剛石(簡稱PCD刀片)問世后，天然金剛石工具在許多場合被人造聚晶金剛石所取代。PCD原料豐富，價格僅為天然鉆石的十分之一到十分之一。PCD工具不能磨削極其鋒利的邊緣，加工出來的工件表面質(zhì)量不如天然金剛石。目前，具有斷屑槽的PCD刀片在工業(yè)上不容易制造。所以PCD只能用于有色金屬和非金屬的精細切割，很難實現(xiàn)超精密鏡面切割。

③ CVD金剛石工具:CVD金剛石技術(shù)于70年代末至80年代初出現(xiàn)在日本。CVD金剛石是指在異質(zhì)基底(如硬質(zhì)合金、陶瓷等)上合成金剛石薄膜。)通過化學氣相沉積(CVD)。CVD金剛石具有與天然金剛石相同的結(jié)構(gòu)和特性。與天然金剛石相比，CVD金剛石的性能非常接近，兼具天然單晶金剛石和聚晶金剛石(PCD)的優(yōu)點，但在一定程度上克服了它們的缺點。

⑵金剛石工具的性能特點

①極高的硬度和耐磨性:天然鉆石是自然界中發(fā)現(xiàn)的最堅硬的物質(zhì)。金剛石具有極高的耐磨性。加工高硬度材料時，金剛石刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的100 ~ 100倍，甚至高達上百倍。

②摩擦系數(shù)低:金剛石與某些有色金屬的摩擦系數(shù)低于其他刀具，摩擦系數(shù)低，加工時變形小，可降低切削力。

③刃口非常鋒利:金剛石刀具的刃口可以磨得非常鋒利，天然單晶金剛石刀具可以高達0.002 ~ 0.008微米，可用于超薄切削和超精密加工。

④導熱率高:金剛石的導熱率和熱擴散率高，切削熱容易散發(fā)，刀具切削溫度低。

⑤熱膨脹系數(shù)低:金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，切削熱引起的刀具尺寸變化很小，這對于尺寸精度要求高的精密和超精密加工尤為重要。

⑵金剛石工具的應用

金剛石工具主要用于有色金屬和非金屬材料的高速精密切削和鉆孔。適用于加工各種耐磨非金屬，如玻璃鋼粉末冶金坯料、陶瓷材料等。各種耐磨有色金屬，如各種硅鋁合金；各種有色金屬精加工。

金剛石工具的缺點是熱穩(wěn)定性差。當切削溫度超過700℃ ~ 800℃時，它們的硬度將完全喪失。另外也不適合切削黑色金屬，因為金剛石(碳)在高溫下容易與鐵原子發(fā)生反應，使碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具容易損壞。

2.立方氮化硼刀具材料

立方氮化硼(CBN)是采用類似金剛石制造方法合成的第二種超硬材料，其硬度和熱導率僅次于金剛石，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。在空氣中加熱到1000℃時不會被氧化。CBN對黑色金屬具有極其穩(wěn)定的化學性質(zhì)，可廣泛用于鋼鐵產(chǎn)品的加工。

(1)立方氮化硼工具的種類

立方氮化硼(CBN)是一種自然界不存在的物質(zhì)?？煞譃閱尉Ш投嗑В磫尉BN和多晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素異形體之一，其結(jié)構(gòu)類似于金剛石。

PCBN(多晶立方氮化硼)是一種多晶材料，其中細小的CBN材料通過粘結(jié)相(TiC、TiN、al、Ti等)燒結(jié)在一起。)在高溫高壓下。它是目前人工合成的硬度僅次于金剛石的工具材料，它和金剛石合稱為超硬工具材料。PCBN主要用于制造刀具或其他工具。

PCBN刀具可分為整體PCBN刀片和燒結(jié)硬質(zhì)合金PCBN復合刀片。

PCBN復合刀片是在具有良好強度和韌性的硬質(zhì)合金上燒結(jié)一層0.5 ~ 1.0毫米厚的PCBN制成的。其性能具有良好的韌性、高硬度和耐磨性，解決了CBN刀片抗彎強度低、焊接困難的問題。

⑵立方氮化硼的主要性能和特點

立方氮化硼的硬度雖然略低于金剛石，但遠高于其他高硬度材料。CBN的突出優(yōu)點是熱穩(wěn)定性遠高于金剛石，可達1200℃以上(金剛石為700 ~ 800℃)。另一個突出的優(yōu)點是化學惰性，在1200 ~ 1300℃不與鐵反應。立方氮化硼的主要性能特點如下。

①硬度高，耐磨:CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，硬度和強度與金剛石相近。PCBN特別適合加工以前只能磨削的高硬度材料，能獲得較好的工件表面質(zhì)量。

②熱穩(wěn)定性高:CBN的耐熱性可達1400 ~ 1500℃，幾乎是金剛石(700 ~ 800℃)的l倍。PCBN刀具能以比硬質(zhì)合金刀具高3 ~ 5倍的速度切削高速高溫合金和淬硬鋼。

③優(yōu)異的化學穩(wěn)定性:在1200-1300℃不與鐵基材料發(fā)生化學反應，不會像金剛石那樣急劇磨損。此時仍能保持硬質(zhì)合金的硬度；PCBN刀具適用于切削淬硬鋼零件和冷硬鑄鐵，可廣泛應用于鑄鐵的高速切削。

④導熱性好:雖然CBN的導熱性趕不上金剛石，但PCBN的導熱性僅次于金剛石，遠高于高速鋼和硬質(zhì)合金。

⑤低摩擦系數(shù):低摩擦系數(shù)可以降低切削力，降低切削溫度，提高加工表面質(zhì)量。

⑵立方氮化硼刀具的應用

立方氮化硼適用于加工各種難加工材料，如淬火鋼、硬鑄鐵、高溫合金、硬質(zhì)合金、表面噴涂材料等。加工精度可達IT5(孔IT6)，表面粗糙度可小至Ra1.25~0.20μm。

立方氮化硼刀具材料的韌性和抗彎強度較差。因此，立方氮化硼車刀不適合低速大沖擊載荷的粗加工；同時不適合切割塑性較高的材料(如鋁合金、銅合金、鎳基合金、塑性較高的鋼等)。)，因為切削這些金屬時，會出現(xiàn)嚴重的切屑結(jié)塊，使加工表面惡化。

3.陶瓷刀具材料

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐熱性和化學穩(wěn)定性優(yōu)異、不易與金屬粘結(jié)等特點。陶瓷刀具在數(shù)控加工中起著非常重要的作用。陶瓷刀具已成為高速切削和難加工材料加工的主要工具之一。陶瓷刀具廣泛應用于高速切削、干切削、硬切削和難加工材料的切削。陶瓷刀具可以高效加工傳統(tǒng)刀具根本無法加工的高硬度材料，實現(xiàn)“以車代磨”；陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬質(zhì)合金刀具高2 ~ 10倍，從而大大提高了切削生產(chǎn)效率。陶瓷刀具使用的主要原料是地殼中最豐富的元素。因此，陶瓷刀具的推廣應用對提高生產(chǎn)率、降低加工成本、節(jié)約戰(zhàn)略貴金屬具有重要意義，也將極大地推動切削技術(shù)的進步。

(1)陶瓷刀具材料的種類

陶瓷刀具材料一般可分為三類:氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷和氮化硅-氧化鋁基復合陶瓷。其中，氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料應用最為廣泛。氮化硅基陶瓷的性能優(yōu)于氧化鋁基陶瓷。

⑵陶瓷刀具的性能和特點

①硬度高，耐磨性好:陶瓷刀具的硬度雖然沒有PCD和PCBN高，但比硬質(zhì)合金和高速鋼刀具高得多，達到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工的高硬度材料，適用于高速切削和硬切削。

②耐高溫，耐熱性好:陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能切削。陶瓷刀具具有良好的高溫力學性能，A12O3陶瓷刀具具有優(yōu)異的抗氧化性能。即使刀刃處于赤熱狀態(tài)，也可以繼續(xù)使用。因此，陶瓷刀具可以實現(xiàn)干切削，從而節(jié)省切削液。

③化學穩(wěn)定性好:陶瓷刀具不易與金屬粘結(jié)，具有良好的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性，可減少刀具的粘結(jié)磨損。

④摩擦系數(shù)低:陶瓷刀具與金屬的親和力小，摩擦系數(shù)低，可降低切削力和切削溫度。

⑵陶瓷刀有用途。

陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具適用于切削各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵)和鋼(碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高強度鋼、高錳鋼、淬火鋼等)。)，也可用于切割銅合金、石墨、工程塑料和復合材料。

陶瓷刀具的性能存在一些問題，如抗彎強度低、沖擊韌性差，不適合在低速和沖擊載荷下切削。

4.涂層工具材料

刀具涂層是提高刀具性能的重要途徑之一。涂層刀具的出現(xiàn)使刀具的切削性能有了很大的突破。涂層刀具是在韌性好刀具本體上涂覆一層或多層耐磨性好的耐火化合物，使刀具基體與硬質(zhì)涂層相結(jié)合，從而大大提高刀具性能。涂層刀具可以提高加工效率、加工精度、延長刀具壽命、降低加工成本。

新型數(shù)控機床使用的刀具中，約80%使用涂層刀具。涂層刀具將是未來數(shù)控加工領(lǐng)域最重要的刀具品種。

(1)涂層工具的類型

根據(jù)涂層方法的不同，涂層工具可分為化學氣相沉積(CVD)涂層工具和物理氣相沉積(PVD)涂層工具。涂層硬質(zhì)合金刀具常用化學氣相沉積法，沉積溫度在1000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積，沉積溫度在500℃左右。

根據(jù)涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質(zhì)合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具以及陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具。

根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，涂層工具可分為兩類，即“硬”涂層工具和“軟”涂層工具?！坝病蓖繉庸ぞ叩闹饕繕耸歉哂捕群湍湍バ裕渲饕獌?yōu)點是高硬度和良好的耐磨性，典型的是TiC和TiN涂層。“軟”涂層工具的目標是低摩擦系數(shù)，也稱為自潤滑工具。其與工件材料的摩擦系數(shù)僅為0.1左右，可降低附著力、摩擦力、切削力和切削溫度。

最近，已經(jīng)開發(fā)了納米涂層工具。這種涂層刀具可以采用各種涂層材料的不同組合(如金屬/金屬、金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷等。)以滿足不同的功能和性能要求。納米涂層的合理設(shè)計可以使刀具材料具有優(yōu)異的減摩、耐磨和自潤滑性能，適用于高速干切削。

⑵涂層刀具的特點

①良好的力學和切削性能:涂層刀具結(jié)合了基體材料和涂層材料的優(yōu)良性能，既保持了基體材料的良好韌性和高強度，又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)。因此，涂層刀具的切削速度可以比無涂層刀具提高2倍以上，并且允許更高的進給速度。涂覆工具的壽命也提高了。

②通用性強:涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴大?？梢杂靡粋€涂層工具代替幾個非涂層工具。

③涂層厚度:隨著涂層厚度的增加，刀具壽命會增加，但當涂層厚度達到飽和時，刀具壽命不會明顯增加。涂層過厚，容易造成起皮；當涂層太薄時，耐磨性差。

④復磨性:涂層葉片復磨性差，涂層設(shè)備復雜，工藝要求高，涂層時間長。

⑤涂層材料:不同涂層材料的刀具切削性能不同。比如低速切削時TiC涂層占優(yōu)勢；錫適合高速切削。

⑵涂層工具的應用

涂層刀具在數(shù)控加工領(lǐng)域有著巨大的潛力，將是未來數(shù)控加工領(lǐng)域最重要的刀具品種。涂層技術(shù)已應用于立銑刀、鉸刀、鉆頭、復合孔加工刀具、齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、成形拉刀和各種可轉(zhuǎn)位刀片，滿足了各種鋼、鑄鐵、耐熱合金和有色金屬的高速切削需要。

5.硬質(zhì)合金刀具材料

硬質(zhì)合金刀具，尤其是可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具，是數(shù)控加工刀具的主導產(chǎn)品。20世紀80年代以來，各種整體式、可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具或刀片擴展到各種切削刀具，其中可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具從簡單的車刀、面銑刀擴展到各種精密、復雜、異形刀具。

(1)硬質(zhì)合金刀具的種類

根據(jù)主要化學成分，硬質(zhì)合金可分為WC基硬質(zhì)合金和TiC(N)基硬質(zhì)合金。

鎢基硬質(zhì)合金包括鎢鈷(YG)、鎢鈷鈦(YT)和稀有碳化物(YW)，它們各有優(yōu)缺點。主要成分有碳化鎢(WC)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)和碳化鈮(NbC)等。常用的金屬粘結(jié)相是CO。

碳(氮)基碳化鈦是一種以TiC為主要成分的硬質(zhì)合金(有的還添加了其他碳化物或氮化物)，常用的金屬粘結(jié)相有Mo和Ni。

ISO(國際標準化組織)將切削硬質(zhì)合金分為三類:

K級，包括Kl0~K40，相當于中國的YG級(主要成分是WC。Co)。

P級，包括P01~P50，相當于中國的YT級(主要成分是WC。TiC.Co)。

M級，包括M10~M40，相當于中國的YW級(主要成分是WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。

每個品牌都是從高硬度到最大韌性的一系列合金，編號在01到50之間。

⑵硬質(zhì)合金刀具的性能特點

①高硬度:硬質(zhì)合金刀具是由高硬度、高熔點的碳化物(稱為硬質(zhì)相)和金屬粘結(jié)劑(稱為粘結(jié)相)用粉末冶金方法制成的。其硬度達到89 ~ 93 HRA，遠高于高速鋼。在5400C時，硬度仍可達到82 ~ 87 HRA，與室溫高速鋼相同(83 ~ 86 HRA)。硬質(zhì)合金的硬度隨碳化物的性質(zhì)、數(shù)量、粒度和金屬粘結(jié)相的含量而變化，一般隨粘結(jié)金屬相含量的增加而降低。當粘結(jié)相含量相同時，YT合金的硬度高于YG合金，含TaC(NbC)的合金具有更高的高溫硬度。

②抗彎強度和韌性:普通硬質(zhì)合金的抗彎強度在900~1500MPa范圍內(nèi)。金屬粘結(jié)相含量越高，抗彎強度越高。當粘結(jié)劑含量相同時，YG合金(WC-Co)的強度高于YT合金(WC-TiC-Co)，強度隨TiC含量的增加而降低。硬質(zhì)合金是一種脆性材料，室溫沖擊韌性只有高速鋼的1/30 ~ 1/8。

⑵常用硬質(zhì)合金刀具的應用

YG合金主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。細晶粒硬質(zhì)合金(如YG3X、YG6X)在鈷含量相同的情況下，比中晶粒硬質(zhì)合金具有更高的硬度和耐磨性。適用于加工一些特殊的硬鑄鐵、奧氏體不銹鋼、耐熱合金、鈦合金、硬青銅和耐磨絕緣材料。

YT硬質(zhì)合金的突出優(yōu)點是硬度高、耐熱性好，比YG硬質(zhì)合金具有更高的高溫硬度和抗壓強度，以及更好的抗氧化性。因此，當要求工具具有高耐熱性和耐磨性時，應選擇TiC含量高的品牌。YT合金適用于加工鋼材等塑料材料，不適用于鈦合金和硅鋁合金。

YW合金兼有YG和釔合金的性能，具有良好的綜合性能。它們可用于加工鋼、鑄鐵和有色金屬。如果適當增加鈷含量，這種合金的強度可以很高，可用于各種難加工材料的粗加工和斷續(xù)切削。

6.高速鋼刀具

高速鋼是一種含W、Mo、Cr、v等合金元素較多的高合金工具鋼，高速鋼工具在強度、韌性和工藝性等方面具有優(yōu)異的綜合性能。在復雜刀具中，高速鋼仍占主要地位，特別是在一些復雜刀具的制造中，如孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具、拉刀和齒輪刀具。高速鋼工具很容易磨出鋒利的刀刃。

根據(jù)用途不同，高速鋼可分為通用高速鋼和高性能高速鋼。

(1)萬能高速鋼刀具

通用高速鋼。一般可分為鎢鋼和鎢鉬鋼。這種高速鋼含有0.7% ~ 0.9%的添加劑(C)。按鋼中鎢的含量可分為含12%或18% W的鎢鋼、含6%或8% W的鎢鉬鋼、含2% W或不含W的鉬鋼，通用高速鋼具有一定的硬度(63-66HRC)和耐磨性，強度和韌性高，塑性和加工工藝性好，因此廣泛用于制造各種復雜的刀具。

①鎢鋼:通用高速鋼鎢鋼的典型品牌為W18Cr4V(簡稱W18)，綜合性能良好。其600℃高溫硬度為48.5HRC，可用于制造各種復雜工具。具有易磨性好，脫碳敏感性低的優(yōu)點，但由于碳化物含量高，分布不均勻，顆粒大，強度和韌性低。

②鎢鉬鋼:指用鉬代替鎢鋼中的一部分鎢而得到的一種高速鋼。鉬鋼的典型品牌是W6Mo5Cr4V2(簡稱M2)。M2碳化物顆粒細小均勻，其強度、韌性和高溫塑性均優(yōu)于W18Cr4V。另一種W-Mo鋼是W9Mo3Cr4V(簡稱W9)，熱穩(wěn)定性比M2鋼略高，抗彎強度和韌性比W6M05Cr4V2好，切削性能好。