金属切削过程及其控制

聚晶立方 氮化硼
（PCBN） DLC涂层 硬质合金
TiC-TiN金属陶瓷
高速钢
合金工具钢
10
1800
1850
1900
1950
2000 年代
刀具材料的发展与切削加工高速化的关系
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常用刀具材料
工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢） 硬质合金、 陶瓷、 金刚石（天然和人造） 立方氮化硼等。 碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目 前仅用于手工工具。
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用途： 适用于高速精细加工硬材料，新型的陶瓷刀具也 能半精、粗加工多种难加工材料。
与传统硬质合金相比，有下列优点：
①可加工硬度高达65HRC的高硬度难加工； ②可进行扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削； ③刀具寿命可提高几倍至几十倍； ④切削效率提高3～10倍，可实现以车铣代磨。
Байду номын сангаас
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2.高速钢
高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等 合金元素的高合金工具钢。
➢ 特点：
1）强度高（抗弯强度为硬质合金的2～3倍,陶瓷的5～6倍）；
2）韧性高（比硬质合金高几十倍）；
3）具有一定的硬度（HRC63～70），且有较好的耐 磨性；
4）且有较好的耐热性（500℃～600℃）；
5）可加工性好，热处理变形较小。
牌号： YN05、YN10 特点：高硬度、高耐磨性、高耐热性和抗氧化性，
但强度和韧性降低。
用途：高速精加工钢材。
4. 涂层刀具材料
在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层 耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材 料的耐磨性，又不降低其韧性。
涂层方法：化学气相沉积法（CVD法，1000℃）和
物理气相沉积法（PVD法，500℃）。
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刀具材料
常用刀具材料可切削的主要工件材料
结构钢 合金钢 铸铁
镍基高
铜铝等
淬硬钢 冷硬铸 温合金 钛合金 有色合 非金属
铁
钢
金
高速钢
√
√
√
√
√
√
√
硬
K类
√
质 合
(YG) P类 (YT)
√
√
金 M类
√
√
√
(YW)
涂层硬质合金 √
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
Ti(N) 基硬质 √
√
√
合金
√
√
√
√
Al2O3
钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 高温塑性好
➢主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.
高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢
中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达 67～70HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。
典型牌号有：W6Mo5Cr4V2Co8 、
W6Mo5Cr4V2Al 。 ➢主要用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢 等难加工材料，加工普通材料可达90m/min.
钢
W2Mo9Cr4VCo8 用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作
（M42）
复杂刀具，价格昂贵
3. 硬质合金
是用具有高耐磨性和高耐热性的金属碳化物粉末(WC、 TiC、TaC、 NbC等)＋金属粘接剂 (Co、Ni等) 高压成 形后→高温烧结而成。
成分：WC（TiC、 TaC ）＋Co（Ni）
特点：
硬度一般为3000～5000HV。在切削耐磨材料时其耐磨
性是硬质合金刀具的50倍、涂层硬质合金刀具的30倍、
陶瓷刀具的25倍。
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2. 具有很高的热稳定性 PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的
常温硬度。 因此PCBN刀具适于加工淬硬钢、铸铁、高温合
金钢等高硬度耐磨材料。
3. 具有优良的化学稳定性
２）高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工
材料的高速切削。
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聚晶立方氮化硼 (PCBN)
聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN作为主要成分 与结合剂在高温高压下烧结而成的聚晶体，结合 剂主要有金属型(以CO、Ni为代表)或陶瓷型(以 TiC、TiN、Al2O3为代表)。
特点：
1. 具有较高的硬度和耐磨性
CBN的化学惰性特别大，在1200℃～1300℃时也不与
铁系材料发生化学反应，在中性、还原性的气体中，
对酸、碱都是稳定的；其对各种材料的粘结、扩散
作用比硬质合金小得多，因此PCBN刀具特别适合加
工钢铁材料。
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7.金刚石
金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，其显微硬 度达10000HV。 （1）天然单晶金刚石刀具
切削 速度
同YT15 进给 量
碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削
硬度 抗弯 高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、
YW2 、 强度 有色金属及其合金的半精加工和精加工
耐磨 、
YW1
性、 切削
韧性 、
高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、
进给 有色金属及其合金的粗加工和半精加工
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6. 立方氮化硼（CBN）
➢立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材
料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化
而成。
➢特点：它有很高的硬度及耐磨性；
性好；
可耐1300～1500℃的高温，热稳定
1300℃时不易
化学惰性大，与铁系金属在
➢用途：
起化学反应；
１）可用于冷硬铸铁导、热淬性硬好钢，的摩粗擦车系和数精低车。加工。
高矾
W12Cr4V4 Mo
用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀 具
W6Mo5Cr4V2Al 用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具
高 性 能
W10Mo4Cr4V3Al
耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀 具
高 速
超硬
W6Mo5Cr4V5Si 用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温
NbAl
合金的钻头
6）良好的工艺性和经济性
刀具材料应具有好的锻造性能、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。
切削速度（m/min）
2000 1000
500
200 100
50 碳素工具钢
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聚晶金刚石 （PCD） 陶瓷
TiAlN涂层 硬质合金 涂层硬质合金
WC-TiC系硬质合金
WC系硬质合金
主要用于非铁材料及非金属的精密加工。 ➢特点：单晶金刚石结晶界面有一定的方向，不同晶面上硬度 与耐磨性有较大的差异，刃磨时须注意选择刃磨平面。 （2）人造聚晶金刚石 （PCD） 人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化 而成。 ➢特点：人造聚晶金刚石抗冲击强度高，可选用较大的切削用 量。结晶面无固定方向，可自由刃磨。
TiC含量↑→耐磨性↑ 抗弯强度↓ 、韧性↓。
用途：高速切削结构钢和合金钢等塑性材料。
➢常用硬质合金的牌号及其应用范围
牌号
应用范围
YT30 YT15
硬度 、
耐磨 性、
抗弯 强度 、 韧性
碳素钢、合金钢的精加工
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
YT14 YT5
➢适合在钻头、丝锥、成形铣刀和切齿刀具上 应用。
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常用高速钢牌号及其应用范围
类别
牌号
主要用途
普通 高速钢
W18Cr4V
广泛用于制造加工一般钢材和铸铁的钻头、 铰、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等整体刀 具。切削速度低。
W6Mo5Cr4V2
用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的 刀具，如轧制钻头等，用于加工奥氏体不锈 钢、高温合金、钛合金。
Co含量↑→抗弯强度↑、韧性↑、耐磨性↓。
用途：加工铸铁和有色金属等脆性材料。
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➢常用硬质合金的牌号及其应用范围
牌号
应用范围
YG3X 硬度 、
YG3 耐磨 性、
YG6X 切削 速度
YG6
YG8
抗弯 铸铁、有色金属及其合金和合金淬火钢高速精加工 强度 、 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
速度 量
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③钨钛钽（铌）类硬质合金 M （ YW ）类（WC＋
TiC＋TaC（碳化钽）（NbC（碳化铌））＋Co）
牌号： YW1 (M10)、YW2 (M20)
特点：强度、韧性↑，耐热性↑，耐磨性↑。
用途：即可加工铸铁和有色金属，又可加工钢材及高
温合金和不锈钢等难加工材料。
④镍钼钛类硬质合金YN类（TiC＋Ni＋Mo）
特 点：外硬内韧，耐磨性、耐热性、抗氧化性和抗
粘结性↑，但锋利性、抗剥落性和抗崩刃性↓，成本 比较高。
常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al203及其复合材料 等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。
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5. 陶瓷刀具材料
以氧化铝Al2O3或氮化硅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。
1） 高的硬度
常温硬度HRC60以上。刀具硬度＞工件的硬度
2）高的耐磨性 → 保证刀具的尺寸精度↑
3）足够的强度与韧性
能承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和 崩刀。
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4）高的耐热性（热稳定性）
在高温下保持： 硬度、耐磨性、强度、韧性、化学稳定性。
5）良好的热物理性能和耐热冲击性能
刀具材料的导热性要好，不会因受到大的热冲击，产 生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。
3.3.3 常用刀具材料
刀具切削性能的优劣取决于：
刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。
刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影
响极大。
材料、结构和几何 形状是构成刀具切 削性能评估的三要 素。
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1. 刀具材料应具备的性能
切削时刀具要承受： 高温、高压、摩擦和冲击的作用 刀具材料须满足以下基本要求：
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➢ 应用：
常用于制造各种复杂刀 具（如钻头、丝锥、拉 刀、成型刀具、齿轮刀 具等）。
➢分类
按用途可分为： 通用高速钢和高性能高速钢。
按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末冶金高速 钢和表面涂层高速钢。
通用型高速钢（含碳量0.7～0.9%，62～66 HRC） ✓钨系高速钢 W18Cr4V
特点：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。 用途：可用于钢、铸铁类零件的高速车削、铣削加工， 并可切削难加工的高硬度材料。
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5. 陶瓷刀具材料
陶瓷刀具是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4） 为基体，添加少量金属在高温下烧结而成的。
特点：
① 高硬度和耐磨性。常温硬度达91～95HRC，可以切 削60HRC以上的硬材料。
② 高的耐热性。高温下强度、韧性降低较少。
③ 高的化学稳定性。在高温下有较好的抗氧化、抗黏 结性能。
④ 低的摩擦因数。切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。
⑤ 强度和韧性低。承受冲击载荷的能力较差。
⑥ 热导率低。抗热冲击性能较差。
韧性 普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的连续切削时的精加工、间断切 、 削时的半精加工
进给 铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工 量
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
②钨钛钴类硬质合金 P（ YT ）类（WC＋TiC
＋Co）
牌号： YT5、YT14、YT15、YT30 特点：耐磨性、耐热性好，强度、韧性较差。
高硬度（HRA89～93相当于HRC 74～82）;
高耐磨性，高耐热性（850～1000℃），切削速度 可达100～300m/min;
抗弯强度低和抗冲击振动性能差，很少用于制造 整体刀具。
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分类
①钨钴类硬质合金 K（ YG ）类（WC＋Co） 牌号：YG8、YG6、YG6X 、YG3、YG3X 特点： 强度、韧性好，耐磨性、耐热性稍差。
陶瓷 基
Si3N4
√
√
基
金刚石
超硬 材料
立方氮 化硼
√
√
√
√
√
√
√
应当指出，加工一般材料大量使用 的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在 加工难加工材料时，才考虑选用新牌号 合金或高性能高速钢，在加工高硬度材 料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。
粉末冶金高速钢 适用于制造精密刀具、大 尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀 等。
牌号
W18Cr4V2 W6Mo5Cr4V2 W6Mo5Cr4VCo8 W6Mo5Cr4V2Al
（表3—2）常用高速钢的力学性能
常温硬 度/HRC
抗弯强 度/GPa
冲击韧 性/ MJ/ m2
63~66 63~66 66~68 67~69
3~3.4 3.5~4 3.0 2.9~3.9
0.18~0.32 0.3~0.4 0.3 0.23~0.3
高温硬度
/HRC
500 °C
600 °C
56 55~56 --60
48.5
47~48
54 55
涂层高速钢。是采用物理气相沉积（PVD）
方法，刀具表面生成TiN，其厚度一般为2～ 8m。 ➢特点：切削力、切削温度约下降25%，切削 速度、进给量和刀具寿命显著提高。
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（3）金刚石烧结体
在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的聚晶金 刚石。
➢特点：强度较好，能进行断续切削，可多次刃磨。
主要用于有色金属的高速精细切削。
金刚石不是碳的稳定状态，遇热易氧化和石墨化， 用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。
金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳 原子和铁族元素的亲和力强，刀具寿命低。