刀具选择

刀具选择

机械科学与工程学院机自12-1班

120401140103 李语涵

刀具材料的种类及应用

在传统的机械加工中，刀具材料、刀具结构和刀具几何形状是决定刀具切削性能的三大要求，其中刀具材料起着关键作用。刀具材料通常是指刀具切削部分的材料。在切削过程中，刀具切削部分直接承担切削工作。刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择与合理的选用。

一、刀具材料的基本性能

1、硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。

2、强度和韧性

刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。

3、性能和经济性

刀具材料应具备好的锻造性能、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。

4、耐热性

刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。

二、刀具材料的种类、特点及应用

1、碳素工具钢

碳素工具钢常用于制作刀具、模具和量具，其加工性良好，价格低廉，使用范围广泛，所以它在工具钢中用量较大。由于碳素工具钢生产成本极低，原材料来源方便易于冷热加工，在热处理后可获得相当高的硬度，由于碳素工具钢在切削温度高于250～300℃时，马氏体要分解，使得硬度降低，碳化物分布不均匀，淬火后变形较大，易产生裂纹，淬透性差，淬硬层薄所以只适于用于切削速度很低的刀具，如锉刀、手用锯条等。

2、高速钢

高速钢是一种加入了较多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。按用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。通用型高速钢,一般可分钨钢、钨钼钢两类。这类高速钢含加C为0.7％～0.9％。高性能高速钢主要有以下几大类：①高碳高速钢。②高钒高速钢。③钴高速钢。④铝高速钢。

⑤氮超硬高速钢。

高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。高速钢刀具易于磨出锋利的切削刃。

3、硬质合金

按主要化学成分区分，硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳(氮)化钛(TiC(N))基硬质合金。其中碳化钨基硬质合金包括钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT)、添加稀有碳化物类(YW)三类，它们各有优缺点，主要成分为碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化铌(NbC)等。

硬质合金特点主要体现在两个方面：

①高硬度：硬质合金刀具是由硬度和熔点很高的碳化物(称硬质相)和金属粘结剂(称粘接相)经粉末冶金方法而制成的，其硬度达89～93HRA，远高于高速钢，在5400C时，硬度仍可达82～87HRA，与高速钢常温时硬度(83～86HRA)相同。

②抗弯强度和韧性：常用硬质合金的抗弯强度在900～1500MPa范围内。金属粘接相含量越高，则抗弯强度也就越高。

YG类合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)在含钴量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，适用于加工一些特殊的硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜和耐磨的绝缘材料等。

4、陶瓷刀具

陶瓷刀具材料种类一般可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、复合氮化硅一氧化铝基陶瓷三大类。其中以氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。氮化硅基陶瓷的性能更优越于氧化铝基陶瓷。

陶瓷刀具特点：

①硬度高、耐磨性能好：可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，适合于高速切削和硬切削。

②耐高温、耐热性好：陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍能进行切削。陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液。

③化学稳定性好：陶瓷刀具不易与金属产生粘接，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘接磨损。

④摩擦系数低：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。

陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁)

和钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬火钢等)，也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。陶瓷刀具材料性能上存在着抗弯强度低、冲击韧性差问题，不适于在低速、冲击负荷下切削。

5、涂层刀具

根据涂层方法不同可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。根据基体材料的不同可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料上的涂层刀具等。根据材料的性质又可分为硬涂层刀具和软涂层刀具。还有受欢迎的纳米涂层刀具。

涂层刀具特点：

①力学和切削性能好：涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高2倍以上，并允许有较高的进给量。涂层刀具的寿命也得到提高。

②通用性强：一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用。

③涂层厚度：随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加。

④重磨性：涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长。

⑤涂层材料：不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。

涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转位刀片，满足高速切削加工各种钢和铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需要。随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加。涂层太厚时，易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差。

6、金刚石刀具

金刚石刀具可分为：

①天然金刚石刀具，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。

②PCD金刚石刀具，适用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。

③CVD金刚石刀具，CVD金刚石的性能与天然金刚石相比十分接近，在一定程度上又克服了它们的不足。

金刚石刀具具有以下特点：

①极高的硬度和耐磨性：天然金刚石是自然界已经发现的最硬的物质。

②具有很低的摩擦系数：摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力。

③切削刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利。

④具有很高的导热性能：金刚石的导热系数及热扩散率高，切削热容易散