金属切削过程及其控制
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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
刀具材料要完成切削加工，必须满足以下基本要求：
1） 高的硬度
刀具是从工件上去除材料， 刀具材料的硬度＞工件材料的的硬度
➢常温硬度HRC60以上。
1
2）足够的强度与韧性
如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f ＝0.5㎜ /r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N。
（4）铝高速钢 其典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al， 普通高速钢中加入少量的铝，从而提高了钢的耐 热性和耐磨性，它是我国独创的新型高速钢，有 良好的综合性能。它达到了钴高速钢的切削性能， 可加工性好，价格低廉，与普通高速钢的价格接 近。但刃磨性差，热处理工艺要求较严格。
14
➢粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾
刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。
➢刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性，承受 切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。 一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材 料抗脆性和崩刃能力。
2
3）较强的耐磨性和耐热性
A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。
高的耐磨性 → 保证刀具的尺寸精度↑
10
（2）、钨钼钢 W6M05Cr4V2，为缺钨而产生
简称： （M2）
优点：（1）合金元素少，减少了碳化物数量
及分布不均匀性，有利于提高高温塑性、抗弯强度、
冲 击 韧 性 ， 抗 弯 强 度 比 W18 高 10~15% ， 韧 性 高 50~60%。
（2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承
百度文库
受冲击力较大的刀具。
经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具 时，要考虑经济效果，以降低生产成本。
（1）刀具材料发展结合本国资源，资源丰富，则成 本极低；
（2）有的刀具材料（超硬刀具材料）虽然单件成本 贵，但寿命长，分摊到每个零件的成本不一定高， 要注重经济效益。
5
切削速度（m/min）
2000 1000
500
200 100
缺点：淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性
大，
主要用于热轧刀具（热轧麻花钻）
➢通用型高速钢主要用于一般材料的常规加工，速度 不高于50m/min.
11
➢高性能高速钢
高性能高速钢是指在普通型高速钢中增加碳、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、钛合金、耐热钢 和高强度钢等难加工材料，加工普通材料可达90m/min.
12
（1）高碳高速钢 含碳量提高到0.9～1.05%，其典型牌号为 95W18Cr4V。由于含碳量提高，使钢中的合金元素全部形 成碳化物，从而提高钢的硬度、耐磨性和耐热性，但其强 度和韧性略有下降。
5）可加工性好，热处理变形较小。
8
➢ 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： 普通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。
➢普通高速钢（含碳量0.7～0.9%，62～66 HRC）
（1）、钨钢：W18Cr4V，此牌号国内普遍使用，性
化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉 末，然后再热压锻轧制成。
刀具导热性好，表示切削产生的热量容易 传导出去，降低了刀具切削部分温度，减 少刀具磨损。
刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热 裂纹性能也强，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。
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6）良好的工艺性与经济性
刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于 制造，这要求刀具材料有较好的工艺性。 如锻造、热处理、焊接、切削及磨削、高温塑 性变形等功能。
一般刀具硬度越高，耐磨性越好。 刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越 多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。
B、刀具材料耐热性：在高温下保持硬度、耐磨性、 强度、韧性、化学稳定性，也称热稳定性。
刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑 性变。形能力、抗磨损能力越强。
3
5）良好的热物理性能和耐热冲击性能
50 碳素工具钢
20
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
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
6
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(如T10A、T12A)及合金工具钢(如9SiCr、 CrWMn)，因耐热性较差——通常仅用于手工工具 和切削速度较低的刀具 陶瓷、金刚石和立方氮化硼等目前仅用于较为有限 的场合。
能稳定，刃磨、热处理工艺控制较方便，国外钨价高， 很少使用。
简称：W18、18%W、4% Cr、1%V 综合性能好，600℃，HRC48.5，用以制造各种复杂 刀具。 特点：（1）含钒少，磨削性能好。
（2）碳化物含量高，塑性变形抗力较大。 （3）强度和韧性，显得不够，适宜做小截面刀具。 （4）热塑性差，很难用作热成形法制造的刀具（如热 轧钻头）。
（2）高钒高速钢 含钒量提高到3～5%，其典型牌号为 W12Cr4V4Mo。由于碳化钒量的增加，提高了钢的耐磨性， 一般用于切削高强度钢。但此种钢刃磨比普通高速钢困难。
（3）钴高速钢 其典型牌号为W2Mo9CrVCo8，普通高速钢 中加入钴，从而提高了钢的高温硬度和抗氧化能力，它有 良好的综合性能，用于切削高温合金、不锈钢等难加工材 料效果很好。钴高速钢在国外使用较多，我国钴原料价格 较贵，使用量尚不多。
7
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3.3GPa 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℃）；
切削时刀具要承受： 高温、高压、摩擦和冲击的作用
刀具材料要完成切削加工，必须满足以下基本要求：
1） 高的硬度
刀具是从工件上去除材料， 刀具材料的硬度＞工件材料的的硬度
➢常温硬度HRC60以上。
1
2）足够的强度与韧性
如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f ＝0.5㎜ /r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N。
（4）铝高速钢 其典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al， 普通高速钢中加入少量的铝，从而提高了钢的耐 热性和耐磨性，它是我国独创的新型高速钢，有 良好的综合性能。它达到了钴高速钢的切削性能， 可加工性好，价格低廉，与普通高速钢的价格接 近。但刃磨性差，热处理工艺要求较严格。
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➢粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾
刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。
➢刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性，承受 切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。 一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材 料抗脆性和崩刃能力。
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3）较强的耐磨性和耐热性
A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。
高的耐磨性 → 保证刀具的尺寸精度↑
10
（2）、钨钼钢 W6M05Cr4V2，为缺钨而产生
简称： （M2）
优点：（1）合金元素少，减少了碳化物数量
及分布不均匀性，有利于提高高温塑性、抗弯强度、
冲 击 韧 性 ， 抗 弯 强 度 比 W18 高 10~15% ， 韧 性 高 50~60%。
（2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承
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受冲击力较大的刀具。
经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具 时，要考虑经济效果，以降低生产成本。
（1）刀具材料发展结合本国资源，资源丰富，则成 本极低；
（2）有的刀具材料（超硬刀具材料）虽然单件成本 贵，但寿命长，分摊到每个零件的成本不一定高， 要注重经济效益。
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切削速度（m/min）
2000 1000
500
200 100
缺点：淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性
大，
主要用于热轧刀具（热轧麻花钻）
➢通用型高速钢主要用于一般材料的常规加工，速度 不高于50m/min.
11
➢高性能高速钢
高性能高速钢是指在普通型高速钢中增加碳、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、钛合金、耐热钢 和高强度钢等难加工材料，加工普通材料可达90m/min.
12
（1）高碳高速钢 含碳量提高到0.9～1.05%，其典型牌号为 95W18Cr4V。由于含碳量提高，使钢中的合金元素全部形 成碳化物，从而提高钢的硬度、耐磨性和耐热性，但其强 度和韧性略有下降。
5）可加工性好，热处理变形较小。
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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： 普通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。
➢普通高速钢（含碳量0.7～0.9%，62～66 HRC）
（1）、钨钢：W18Cr4V，此牌号国内普遍使用，性
化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉 末，然后再热压锻轧制成。
刀具导热性好，表示切削产生的热量容易 传导出去，降低了刀具切削部分温度，减 少刀具磨损。
刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热 裂纹性能也强，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。
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6）良好的工艺性与经济性
刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于 制造，这要求刀具材料有较好的工艺性。 如锻造、热处理、焊接、切削及磨削、高温塑 性变形等功能。
一般刀具硬度越高，耐磨性越好。 刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越 多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。
B、刀具材料耐热性：在高温下保持硬度、耐磨性、 强度、韧性、化学稳定性，也称热稳定性。
刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑 性变。形能力、抗磨损能力越强。
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5）良好的热物理性能和耐热冲击性能
50 碳素工具钢
20
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
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
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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(如T10A、T12A)及合金工具钢(如9SiCr、 CrWMn)，因耐热性较差——通常仅用于手工工具 和切削速度较低的刀具 陶瓷、金刚石和立方氮化硼等目前仅用于较为有限 的场合。
能稳定，刃磨、热处理工艺控制较方便，国外钨价高， 很少使用。
简称：W18、18%W、4% Cr、1%V 综合性能好，600℃，HRC48.5，用以制造各种复杂 刀具。 特点：（1）含钒少，磨削性能好。
（2）碳化物含量高，塑性变形抗力较大。 （3）强度和韧性，显得不够，适宜做小截面刀具。 （4）热塑性差，很难用作热成形法制造的刀具（如热 轧钻头）。
（2）高钒高速钢 含钒量提高到3～5%，其典型牌号为 W12Cr4V4Mo。由于碳化钒量的增加，提高了钢的耐磨性， 一般用于切削高强度钢。但此种钢刃磨比普通高速钢困难。
（3）钴高速钢 其典型牌号为W2Mo9CrVCo8，普通高速钢 中加入钴，从而提高了钢的高温硬度和抗氧化能力，它有 良好的综合性能，用于切削高温合金、不锈钢等难加工材 料效果很好。钴高速钢在国外使用较多，我国钴原料价格 较贵，使用量尚不多。
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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3.3GPa 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℃）；