高速切削加工中刀具材料的选用

高速切削加工中刀具材料的选用

[摘要]简要地介绍了在高速切削加工中，根据不同的工艺及被加工零件的不同材料，选用刀具材料的问题。

关键词：高速切削刀具材料选用

1 引言

随着科技工业的飞速发展，切削加工技术的应用也越来越广泛，新型刀具材料也不断涌现，高速切削加工技术的应用也越来越广泛，高速切削加工设备在生产中的优势正在日益发挥，在切削过程中，刀具的切削部分是在较大的切削力、较高的切削温度和剧烈的摩擦条件下进行工作的。刀具材料对刀具耐用度、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。因此，应当重视刀具材料的正确选择和合理使用。

2.1 刀具材料的基本要求

刀具在高温下进行切削工作，同时还要承受切削力、冲击和振动，因此刀具材料必须具备以下基本要求：

1、高硬度

刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度必须在HRC62以上，对于某些难以切削的材料，刀具硬度更高。

2、高的耐磨性

耐磨性表示抵抗磨损的能力，通常刀具材料的硬度越高、耐磨性就越好。

3、足够的强度和韧性

为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应该具有足够的强度

和韧性。一般用抗弯强度σ

b b 和冲击韧性α

k

来衡量。

4、高的耐热性

耐热性（又称红硬性）是指材料在高温下保持其硬度的性能，是衡量刀具材料切削性能的主要指标。

5、良好的工艺性

为了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的可加工性和热处理性能（如淬透性好，淬火变形小，脱碳层浅等）。

6、良好的经济性

经济性差的刀具材料难以推广使用。

2.2 刀具材料种类及选用

刀具材料种类很多，常用的金属材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢及硬质合金；非金属材料有陶瓷、金刚石（天然和人造）、立方氮化硼等。

1、碳素工具钢

含碳量在0.65～1.3％的优质碳素钢称碳素工具钢，用来制造刀具的常用牌号有T8A、T10A等。一般用于制造低速、手用刀具，如手用锯条、锉刀等。

2、合金工具钢

在碳素工具钢中加入适量的合金元素如Mn、Cr、W、Si等即成合金工具钢，常用牌号有9SiCr、CrWMn、GCr5等。与碳素工具钢相比，硬度相近，耐磨性、耐热性略高，热处理性能较好，主要用于制造低速、手用刀具，如手用丝锥、手用铰刀及硬质合金钻头的刀体等。

3、高速钢

高速钢是一种含Cr、W、Mo、V等合金元素较多的工具钢，与碳素工具钢、合金工具钢相比，硬度有所提高，耐热性显著提高，允许的切削

速度提高两倍以上，故称高速钢。虽然高速钢的硬度，耐磨性，耐热性都不如硬质合金，但由于用这种材料制造的刀具的刃口强度和韧性比硬质合金高，能承受较大的冲击载荷，能用于刚性较差的机床，可加工从有色金属到合金钢范围广泛的材料，另外这种材料的工艺性能较好，因此，应用范围很广，适用于各种结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、齿轮刀具、拉刀、螺纹刀具等，高速钢按其用途和性能可分为

通用高速钢和高性能高速钢；按其化学成分可分为钨系高速钢和钼系高速钢。常用的高速钢的化学成分及机械性能见表1。

（1）通用高速钢

通用高速钢是指加工一般金属材料的高速钢，如W18Cr4V(钨系高速钢),W6Mo5Cr4V2(钼系高速钢)。

（2）高性能高速钢

高性能高速钢是在通用高速钢中再加入一些合金元素，进一步提高了耐磨性，耐热性。这种高速钢的切削速度可达50～100m/min，具有比通用高速钢更高的生产率及刀具寿命；同时还能切削不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料。

表1

4、 硬质合金

硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物(主要是WC 、TiC 等,又称高温碳化物)微米数量级的粉末,用Co 、Mo 、Ni 等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制

品。硬质合金的硬度很高,常温下可达89～93HRA(相当于74～81HRC),它的耐磨性较好,耐热性也较好,能耐800～1000°的高温,因此能采用比高速钢高几倍甚至十几倍的切削速度;并能加工高速钢刀具难以切削的难加工材料,因此应用广泛,但其抗弯强度和冲击韧性较高速钢低。

目前绝大部分硬质合金硬质合金是以WC 为基体,并分为四类:钨钴类(YG)(含WC+Co);钨钛钴类(YT)(含WC+TiC+Co);钨钛钽(铌)钴类(YW)[含WC+TiC+TaC(NbC)+Co];碳化钛基类(YN) (含TiC+WC+Ni-Mo)。常用的硬质合金的牌号、化学成分及机械性能及加工材料见表2。

表2

5、陶瓷

陶瓷的主要成分是Al

2O

3

,其硬度、耐热性、耐磨性均比硬质合金高,

允许的切削速度也略高20～25%。切削时,摩擦系数小,切屑不粘刀,不容易产生积屑瘤,能获得较细的表面粗糙度和尺寸稳定性。但由于脆性大,抗弯强度低,切削时易崩刃,所以在使用范围上受到了限制,因此各国都在研究扩大其应用范围。

6、人造金刚石

金刚石分为天然和人造两种,都是碳的同素异形体。人造刚石是在高压高温条件下,借合金的触媒作用,由石墨转化而成的。金刚石是目前已知的最硬物质,其硬度接近于1000HV,粒度为0.5mm以内,加工后的工件表面粗糙度可达Ra0.1～0.025μm。金刚石刀具既能胜任硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、耐磨材料的加工,又可用以切削有色金属及其合金,但它不适合加工铁族材料。

7、立方氮化硼

立方氮化硼的性质与形状同石墨相似,其原料是六方氮硼,硬度仅次于金刚石(8000～9000HV),但其热稳定性和化学稳定性优于金刚石,能以正常的切削速度切削淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料。

3.1 高速切削加工中刀具材料的选用

1、铝合金

易切削铝合金适用的刀具有K10、K20、PCD(聚晶金刚石)切削速度在2000～4000m/min,前角范围在12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°。

铸铝合金适用的刀具根据含Si量的不同而不同，有K10、Si

3N

4

（陶

瓷刀具）、PKD(人造金刚石) 、PCD(聚晶金刚石)及CVD(金刚石涂层刀具)，其使用的切削速度比易切削铝的低，约1100 m/min。

精加工铝合金不宜用陶瓷刀具，因为氧化了的氧化铝切屑与陶瓷刀具材料相同，产生亲和力，造成摩擦阻力增大，产生积屑瘤并使刀具磨损加剧。

2、铸铁

当切削速度低于750m/min,可选用涂层硬质合金、金属陶瓷刀具；切

削速度在510～2000m/min时，可选用Si

3N

4

（陶瓷刀具）；切削速度在

2000～4500m/min时，可选用CBN刀具。

当铸件以铁素体为主时，因为扩散磨损而使刀具磨损严重，

不宜用CBN刀具，而应采用陶瓷刀具。

3、普通钢

普通钢高速切削的最佳切削速度为500～800m/min，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具都可用，涂层硬质合金可用切削液。

4、高硬度钢

高硬度钢具有较高的硬度及抗拉强度，常用作模具材料，硬度在HRC40～70，用于加工该类材料的高速切削刀具常采用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等材料。