刀具基础知识介绍及涂层选用

（2）正常磨损阶段（Ⅱ区，A~B）
（3）快速磨损阶段，也称严重磨 损阶段（Ⅲ区，B~C）
*磨损是一定会发生的，我们的分析与研究只是为了尽可能延长“正常磨损阶段”（即Ⅱ区）的时间， 并能对B点的到来作出准确的预测。
热失效
• 积屑瘤
• 热断裂 • 月牙洼磨损
• 热变形
积屑瘤
• 工件材料熔结到刀具切削刃
——前刀面积屑瘤 ——后刀面积屑瘤
• 通常在加工软性、粘性材料
时发生
前刀面
后刀面
热裂纹
• 平均分布并垂直与切削 刃的裂纹
• 一般发生在铣削和间断 切削中 • 是由切削刃上反复的冷 热循环的冷热冲击引起
月牙洼
• 在刀具的前刀面观察到
• 通常在高速加工碳钢的情况下 出现
• 由切屑极高的热量和压力引起
前刀面崩刃
减少切深 切深不变，切削速度不变，就要将进给变慢 刃口强壮一些刀片 减小主偏角 如果是断续切削，那么刀片材质韧性好，检查系统系统刚性等
大面积
小面积
微崩刃
作用力
切深处的破损
• 在切深高度处的局部失效 ——局部崩刃
——局部月牙洼
• 高温合金、所有的硬化材料中 • 在工件有氧化皮或者淬硬表面时也会出现 该磨损
氧化温度
• 氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高 温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于 TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN 涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成 一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。与高速钢 刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬 质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种 PVD TiAlN涂层。
• 刀具材料向切屑的扩散或融合
热变形 • 刀刃上的褶皱或钝化
——刀具软化使得硬质合金颗 粒流动 ——由于高温高压引起 • 通常在加工合金钢时产生
机械失效
• 崩刃
——后刀面崩刃 ——前刀面崩刃 • 切深处沟槽磨损 • 断裂
后刀面崩刃
切削力
小
大
微观崩刃
减少刀杆的长度 选择带有更大负前角的刀具 使用更大的倒棱或者倒圆的这种切削刃 Βιβλιοθήκη Baidu择更强的刀具材料 降低进给速度
2、精加工：粗加工后留下的余量，精加工时一次进给完成切削。
进给量（f）
进给量是指刀具在进给方向上刀 具相对的位移量,即工件每转一圈 刀具沿进给方向移动的距离。用 符号f表示，单位为mm/r。 进给量的选择：
1、为了缩短加工时间，提高效率，粗加工时 应选用较大的进给量；
2、为了保证表面质量和加工精度，精加工时 应选用较小的进给量。
表面耐磨性
• 高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩 擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有 助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少 热量的产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能 以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温 熔焊。
刀具的失效形式
刀具常见的失效种类
磨粒磨损 后刀面磨损 积屑瘤（前刀面、后刀面） 热裂纹 月牙洼磨损 热变形 崩刃（前刀面、后刀面） 机械失效 切深处沟槽破损 断裂
热失效
磨粒磨损
后刀面磨损
• 在刀具后刀面处观 测 • 由后刀面摩擦引起 • 在高温/高速/高 压下会恶化
磨损的过程
磨损过程（如下图所示） （1）磨合阶段（Ⅰ区，O~A）
按加工刀具分类
• 车刀
• 孔加工刀具 • 铣刀
• 拉刀
• 螺纹刀具
• 齿轮加工工具
• 自动线与数控机床刀具
切削三要素
• 背吃刀量（ ap ） • 进给量（f） • 切削速度（Vc）
：1 已加工表面直径 mm 、粗加工
余量不大，一次走刀切除多余的材料，只留下精加工余量。 ：待加工表面直径mm 余量太大，可分多次切削，但第一次的背吃刀量尽可能大。
应用：加工形成长屑的钢材等塑性材料。
注意：当加工淬硬钢、高强度钢和奥氏体不锈钢等难加工材料时，由
于切削力大，且集中在切削刃附近，如选用YT类硬质合金易造成崩刃，故 选用YG类硬质合金更为合适。
常用硬质合金的分类性能及应用
(3) 含添加剂的硬质合金。是在YG类、YT类硬质合金的基础上加入适当的添加剂 (合金碳化物TaC、NbC)所形成的硬质合金新品种。如：YA6、YW1和YW2等几种， 其中YW类又称为通用硬质合金。
车刀
孔加工刀具
铰 刀
钻头
丝锥
铣刀（整体铣刀，可转位铣刀）
整体铣刀
可转位铣刀
拉刀
螺纹刀具
齿轮加工刀具
滚齿刀
插齿刀
数控刀具
特点：有更高的硬度、高温硬度、韧性和耐磨性。 应用：用于钢料和难加工材料的半精加工和精加工。 (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
常用硬质合金的分类性能及应用
(2) 钨钴钛类硬质合金。YT5、YT14、YT15、YT30等。YT表示钨钴钛类硬质
合金，数字表示TiC的含量。与YG类硬质合金相比，YT类硬质合金中由于 含有硬度较高的TiC，故该类硬质合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力较高，
但其导热性能、抗弯强度和韧性、可磨削性和可焊性却有所降低。
2、精加工
背吃刀量
粗加工后留下的余量，精加工时应一次进给切削完成。
背吃刀量也叫切削深度，是指切削时已加工表面与待加工表面之 间的垂直距离，用符号 ap 表示，单位为mm。
dw dm ap 2
dw
：待加工表面直径
d m ：已加工表面直径
背吃刀量的选择： 余量不大，一次走刀切除多余余量。 1、粗加工 余量太大，可分多次切削，但第一次进刀量尽量大。
切削速度
vc 切削速度是指切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度，用符 号表示单位为m/min。当主运动是旋转运动时，切削速度是指圆周运 动的线速度，即:
1000 vc n d
• • • •
vc ——切削速度，m/min
n ——主轴转速，r/min d ——工件待加工表面直径，mm π ——圆周率， 3.14
所以，选择正确的涂层才是对加 工最为有益的，涂层的每一种特性都有 着十分重要的作用。
硬度
• 涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言， 材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。氮碳化钛(TiCN)涂层比氮 化钛(TiN)涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的 硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000(取决于制造 商)。表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较 为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了 10～20倍。金刚石涂层的高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～ 3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。
• 按照材料刀具的分类
• 按照加工刀具的分类
按照刀具材料的划分
W系高速钢 高速钢刀具
Mo系高速钢
钨钴类
软
刀 具 材 料
硬质合金
钨钛钴类
金属陶瓷
钨钛钽（铌）钴类
氧化铝陶瓷（白色陶瓷）
陶瓷 SiN添加类（黑色陶瓷） 立方氮化硼 金刚石
硬
高速钢
高速钢是富含W、Cr、Mo等合金元素的高合金工具钢。在工厂中常称 为白钢或锋钢。
抗粘结性
• 涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避 免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属(如铝、黄铜等)时，刀 具上经常会产生积屑瘤(BUE)，从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。 一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。例如，用 成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增 加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。具 有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场 合也能起到很好的作用。
断裂
• 两侧有同样的崩刃或断 裂 • 在断续车削或装夹刚性 不够的情况下发生 • 许多因素引起,良好的 应用条件是必需
如何正确的选择刀具涂层
刀具涂层的选择
对小型圆形刀具进行正确的表面 处理可以提高刀具寿命，减少加工循环 时间，提升加工表面质量。但是，根据 加工需要正确选择刀具涂层有可能是一 件令人困惑和费劲的工作。每一种涂层 在切削加工中都既有优势又有缺点，如 果选用了不恰当的涂层，有可能导致刀 具寿命低于未涂层刀具，有时甚至会引 出比涂层以前更多的问题。
常用硬质合金的分类性能及应用
硬质合金按化学成分可分为四类：钨钴类(YG类)、钨钴钛类(YT类)、 含添加剂的硬质合金(YW类)、TiC基硬质合金(YN类)。其中前面三类的 主要成分为WC，可统称为WC基硬质合金。
(1) 钨钴类硬质合金。YG3、YG6X和YG8等。YG代表钨钴类硬质合 金，后面数字表示Co的含量，细颗粒的硬质合金有较高的抗弯强度 和耐磨性。 应用：加工形成短切屑的铸铁、有色金属及非金属等脆性材料。加工 铸铁等脆性材料时，切屑呈崩碎状，对切削刃的冲击较大，切削力 与切削热都集中在刀尖附近。而YG类硬质合金抗弯强度和韧性及导 热性较高，故可满足要求。
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，因此允许切削速度 可提高l～2倍(25m/min～30m/min)。同时，高速钢还具有较高的耐 磨性以及较高的强度和韧性。
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。因此， 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性均超过高速钢，其缺点是抗弯强 度低，冲击韧性差，；由于硬质合金的常温硬度很高，很难采用切 削加工方法制造出复杂的形状结构，故可加工性差。