常用刀具材料的性能及应用

常用刀具材料的性能及应用
一、概述
刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。

刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，还要求有相应的刀具材料。

目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质合金。

二、刀具材料应具备的性能
（一）高的硬度和良好的耐磨性
（二）高的强度和韧性
（三）高的耐热性
（四）良好的工艺性
总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预测性等要求。

三、常用刀具材料
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、硬质合金及陶瓷等。

一）碳素工具钢
碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.65～1.35%）。

1、常用牌号有T7A、T8A……T13A等
2、主要性能淬火后硬度较高，可达HRC61～65；红硬性为200℃～250℃，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度VC≤10m/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。

二）合金工具钢
在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。

1、主要牌号有9SiCr CrWMn
2、主要性能淬火后的硬度可达HRC61～65，红硬性为300℃～400℃，允许切削速度Vc=10～15m/min,制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。

如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。

三）高速钢
高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有W、Mo、Cr、V等合金元素。

(一) 高速钢的性能：具有较高的强度和韧性；良好的耐磨性；红硬性为600℃；允许切削速度V C=25~30m/min；良好的制造工艺性；可获得锋利的刀刃（锋钢之称）；加工范围较大(铸铁、有色金属、钢)。

（二）高速钢的分类
钨系高速钢：W18C r4V (最常用，刃磨性好)
普通高速钢
钼系高速钢：W6M O5C r4V2
高速钢
高碳高速钢：95W18C r4V (含C量为0.95%)
高钒高速钢：W6M O5C r4V3 (提高耐磨性)
高性能高速钢钴高速钢：W6M O5C r4V2C O8
铝高速钢：W6M O5C r4V2A l
四）硬质合金
硬质合金= 硬质相（TiC或WC）+粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）
上图为各种硬质合金刀头
（一）主要性能
1）常温硬度HRC74~81.5，红硬性800℃~1000℃，耐磨性优良；
2）允许切削速度V C=100m/min以上，最高不能超过200m/min；
硬质合金3）脆性较大，怕冲击和振动。

容易出现崩刃，因此注意加工条件；
4）制造工艺性差。

由于硬度太高，不能进行机械加工；
5）加工范围较广。

脆性材料、钢材、有色金属等均可加工。

（二）分类
钨钴类硬质合金(YG)
硬质合金钨钴鈦类硬质合金(YT)
添加稀有金属硬质合金（Y A 、YW）
碳化鈦基硬质合金（YN）
常用硬质合金牌号介绍：
1、钨钴类硬质合金YG：WC + Co
①常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）
②应用：
YG3（精加工）YG6（半精加工）YG8（粗加工）
C O的含量↑韧性↑强度↑HRC↓耐磨性↓
C O的含量↓韧性↓强度↓HRC↑耐磨性↑脆性↑
主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640℃时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。

2、钨钴钛类硬质合金（YT）：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）
①常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）
②应用：
YT5（粗加工） YT14/YT15(半精加工) YT30（精加工）
TiC含量↑硬度↑耐磨性↑脆性↑韧性↓
TiC含量↓硬度↓耐磨性↓脆性↓韧性↑
主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti 的亲合力较大，使刀具磨损较快。

3、添加稀有金属硬质合
钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW），是在钨钴钛类硬质合金（YT）中加入TaC(NbC),可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。

这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。

4、碳化钛基硬质合金（YN）
这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。

主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加工。

刀具几何参数与切削用量的合理选择
一、刀具几何参数的合理选择
（一）刀具合理几何参数的基本内容
1.刃形：刃形即是切削刃的形状。

从简单的直线刃发展到折线刃、圆弧刃、月牙弧刃、波形刃、阶梯刃及其他适宜的空间曲线刃
切断刀的刃形
外圆车刀的刃形
二、切削刃刃区的剖面型式
后刀面
负倒棱车刀
前刀面
刃形的区别
负倒棱消振棱刃带
刀具角度
A、前角的功用及合理前角值的选择
1）前角的主要功用
(1)影响切削区域的变形程度
(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件
(3)影响切屑形态和断屑效果
(4)影响已加工表面质量
2）合理前角的概念
在一定条件下，前角有一个合理的数值。

前角的合理数值
3）合理前角的选择原则：主要考虑以下因素
①工件材料的强度、硬度
②是否是塑性材料和脆性材料
③是否是粗加工和精加工
④刀具材料的抗弯强度是否高
⑤工艺系统刚性是否好和机床功率是否够
⑥是否是数控机床和自动机、自动线用刀具
B、后角的功用及合理前角值的选择
后角数值合理与否直接影响已加工表面的质量、刀具使用寿命和生产率。

1.后角的功用
①影响后刀面与加工表面之间的摩擦
②影响加工工件的精度
③影响刀具耐用度和刃口的强度
2.后角的选择
精加工：防止摩擦选较大的后角；
●加工精度
粗加工：增加刀头的强度选较小的后角。

塑性金属：选较大的后角；
●加工材料脆性材料：选较小的后角；
硬度、强度较高的材料：选较小的后角
C、主、副偏角的功用及其选择
1.主偏角的功用
①影响已加工表面残留面积的高度
②影响各切削分力的比例
③影响刀尖的强度和刀具耐用度
④影响断屑
2.主、副偏角的选择
⏹主偏角主要根据加工条件和工艺系统刚性来选择
⏹副偏角主要考虑表面粗糙度、刀尖强度和散热面积来选择
D、刃倾角的功用及其选择
1.刃倾角的功用
①影响已加工表面质量
②影响各切削分力的比例
③影响刀尖的强度
④影响切入切出的平稳性
■刃倾角控制切屑流向，影响加工质量
刃倾角小于0°时
刃倾角大于0°时
刃倾角等于0°时
■2.刃倾角的选择
根据加工性质和加工条件选择
1）粗加工λS < 0（保护刀尖）精加工λS > 0（使FP 小些） 2）断续切削：λS < 0（保护刀尖）
3）工件σb 、HB 大：λS < 0（保护刀尖） 4）系统刚性差：λS > 0（使FP 小些）
5）微量切削：λS 取大值(使刀具实际刃口半径↓）
切削用量的合理选择
（一）最大生产率耐用度
⏹ 完成一个工序所需要的工时tw 为
⏹ 求一阶导数，得最大生产率耐用度
（二）最低成本耐用度（经济耐用度）
⏹ 每个工件的工序成本为
⏹ 刀具经济使用寿命
切削用量的选择原则
⏹ 粗加工时，为充分发挥机床和刀具的性能，以提高金属切除量为主要目的，应选择
较大的切削深度、较大的进给量和适当的切削速度。

⏹ 精加工时，应主要考虑保证加工质量，并尽可能的提高加工效率，应采用较小的进
给量和较高的切削速度。

在切削加工性差的材料时，由于这些材料硬度高、强度高、导热系数低，必须首先考虑选择合理的切削速度。

切削用量的选择方法
在一般情况下，首先根据加工余量选择切削深度ap ，其次根据工件材料的硬化深度和切屑断连的已加工表面粗糙度情况选择进给量f
，最后尽量选择较高的（高速钢刀具
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选择较低的）切削速度Vc，以切削速度来控制切削温度，消除切屑瘤，保证工件表面粗糙度。

刀具几何参数和切削用量表。