切削条件的合理选择

3. 超硬刀具材料
(2) 金刚石

金刚石可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合 金及耐磨塑料等高硬度的材料，金刚石主要用 于磨具及磨料，用作刀具时多用于有色金属及 合金的高速精细车削及镗孔。
金刚石的主要缺点是耐热性差，切削温度超过 700～800℃时，它就会碳化而失去硬度。 此外，金刚石不适合于加工钢铁材料，因为它 与铁有很强的亲合作用，刀具极易损坏。
3. 超硬刀具材料
（1）陶瓷 总之，陶瓷刀具有硬度高、化学稳定性和抗粘接性好、 摩擦系数低等优点，是价格相对便宜的干切削刀具材 料。 陶瓷刀具可加工钢，也可加工铸铁，对于高硬度材料 （冷硬铸铁和淬硬钢）大件及高精度零件的加工特别 有效，可用于铣削也可用于车削。 目前，常用Si3N4基陶瓷刀片高速干切削灰铸铁和球 墨铸铁；常用Al2O3基陶瓷刀片高速干切削淬硬钢和 冷硬铸铁。
2.硬质合金
1) 钨钴类硬质合金 粗加工宜选用：YG8(K30) 精加工宜选用：YG3(K01)
?
2.硬质合金
2)钨钛钴类硬质合金 化学成分：WC＋TiC + Co
国标代号YT，ISO标准代号P类。
YT应用： 在中高切削速度下加工钢料。
2.硬质合金
2)钨钛钴类硬质合金（注意）
①不能加工含钛的不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）和钛 合金；
氮化钛涂层刀具适合于加工低合金钢和不锈钢。


2. 硬质合金
5) 涂层硬质合金 碳氮化钛涂层(TiCN) 碳氮化钛涂层表面为灰色，硬度比氮化钛涂层 要高，耐磨性更好。与氮化钛涂层相比，碳氮 化钛涂层刀具能在更大的进给速度及切削速度 下加工(分别比氮化钛涂层高出40％和60％)， 工件材料去除率更高。 碳氮化钛涂层刀具可以加工各种工件材料，很 适合于用作丝锥的涂层，用于干攻螺纹。


3. 超硬刀具材料
(3) 立方氮化硼

立方氮化硼刀具有两种： 整体聚晶立方氮化硼(PCBN) 立方氮化硼复合刀片(CBN)
3. 超硬刀具材料
(3)立方氮化硼




立方氮化硼刀具的特点: 有很高的硬度（8000 HV ～9000 HV）和耐磨 性，因而刀具寿命很高； 有很高的耐热性，耐热温度可达1400℃～ 1500℃； 有良好的化学稳定性； 有良好的导热性和较低的摩擦系数。
2.硬质合金
4) 碳化钛基硬质合金
YN应用：
TiC基硬质合金可加工钢，也可加工铸铁。
但是， TiC 基硬质合金的抗弯强度和韧性 不如WC基硬质合金，因此不适于重载荷切削 及断续切削，只适用于精加工。
2. 硬质合金
5) 涂层硬质合金

涂层硬质合金是采用化学气相沉积（CVD）法或物理 气相沉积（PVD）法，在高韧性的硬质合金基体表面 上涂覆5～8μm的一层耐磨性很高的金属化合物，涂 层可采用单涂层，也可采用双涂层或多涂层。 涂层硬质合金比基体硬质合金具有更高的硬度和耐磨 性，低的摩擦系数和高的耐热性，切削力和切削温度 均比未涂层刀片要低，因此,刀具寿命可以提高好几 倍，涂层刀片可用于加工不同材料，通用性广，因而 可大大简化刀具的管理。
标准二 用切削速度来衡量
在刀具寿命相同的条件下，允许切削速 度高的工件材料，其切削加工性能好。
2.3.1 工件材料的切削加工性
标准二 用切削速度来衡量
为了统一标准，取正火状态下的 45 钢作基准材 料，刀具寿命为 60 min，这时的切削速度为基准 （写作 (Vc 60) j ），而将其它材料的 (Vc 60)与 其相比，这个比值Kr称为相对加工性：
切削速度
在刀具寿命相同的条件下，硬质合金的 切削速度比高速钢的可提高2～10倍，可达 100 m / min以上。
2.硬质合金
强度和韧性 抗弯强度
硬质合金 高速钢 1500Mpa 4000Mpa
冲击韧度
30KJ/m2 350KJ/m2
2.硬质合金
冷加工性和热加工性较差 主要用于制造如车刀、刨刀、 铣刀、深孔钻、铰刀等简单刀具。

2 硬质合金
5) 涂层硬质合金

最常见的三种涂层材料是氮化钛 (TiN)、碳氮化钛 (TiCN)和氮铝化钛 (TiAlN)。 氮化钛涂层刀具(TiN)

20世纪80年代出现的氮化钛涂层应用最广泛， TiN涂 层在所有涂层刀具中占有80％，其涂层颜色为金黄色， 容易辨认。 氮化钛涂层可增加表面硬度和耐磨性，降低摩擦系数， 减少积屑瘤的产生，延长刀具寿命。
1)硬度和强度 2)塑性和韧性 3)导热系数
工件材料的导热性 ↑
Q散失↑
θ↓
VB↓
例：铜、铝合金与45钢
Kr ↑
3.改善切削加工性的途径
1）热处理方法
例如：高碳钢 低碳钢
？
3.改善切削加工性的途径
1)热处理方法 2)调整材料的化学成分 适当加入：硫S、磷P、铅Pb、钙Ca
2.3.2 刀具材料
2.3.2 刀具材料
2.硬质合金
5) 涂层硬质合金



氮铝化钛涂层(TiAlN) 氮铝化钛涂层呈现灰色或黑色，在高热应力条件下， TiAlN涂层刀具比其他涂层更有优势，如在干铣削及 小直径孔的深孔钻削切削液难以到达的部位。 TiAlN的高温硬度比TiN更硬，且具有较高的热稳定性 和抗化学磨损性能。TiAlN是最常用的隔热涂层，并 特别适用于高速干切削。 氮铝化钛适合加工淬硬钢、钛合金、镍合金、铸铁和 高硅铝合金等。
1.高速钢
高速钢的冷加工工艺性特别好，在热处理 前，高速钢可以象一般中碳钢一样的进行各 种加工；热处理后，高速钢刀具可以磨出锋 利的切削刃。
在钻头、丝锥、拉刀、齿轮刀具、 成形刀具等复杂刀具制造中，高速钢仍 占主导地位。
1）
2）
3）粉末冶金高速钢： 4）高速钢涂层（TiC或TiN涂层）：
2.硬质合金
2.硬质合金
硬质合金由于具有高硬度、高耐热 性和高耐磨性，加工性能优良，而且生 产成本较低，所以，使用极其广泛。
P50
表2-10
2.硬质合金
1) 钨钴类硬质合金 化学成分：Wc+Co 国标代号YG，ISO标准代号K类。
2.硬质合金
1) 钨钴类硬质合金
YG应用：
主要 用于加工铸铁，也适用于加工
有色金属和非金属材料。 此外， K 类硬质合金还适用于加工 钛合金和不锈钢。
2.3.1 工件材料的切削加工性
1.切削加工性的概念和衡量指标
标准一 用刀具寿命来衡量
在相同的切削条件下，使用同一型号（最 好是同一把）刀具，在同一磨钝标准（例如 VB = 0.3 mm）下，切削两种不同的工件材料， 刀具寿命高的比寿命低的切削加工性好。
2.3.1 工件材料的切削加工性
1.切削加工性的概念和衡量指标
②不能加工加工淬火钢、高强度钢和高温合金；
③不能在低速下切削钢。
宜采用韧性较好的YG类硬质合金。
2.硬质合金
2)钨钛钴类硬质合金 粗加工选用：YT5(P30)
精加工选用：YT30(P01)
?
2.硬质合金
3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金 化学成分：WC+TiC+TaC(NbC)+Co
国标代号YW，ISO标准代号M类。
1.高速钢
高速钢是刀具材料中强度和韧性最好的材料：
抗拉强度：3000-4000Mpa.
是一般硬质合金的2～3倍,陶瓷的5～6倍；
冲击韧性：300-400KJ/m2 较硬质合金和陶瓷高几十倍；
硬度：（63HRC～70HRC）； 热硬性：在切削温度高达500℃～600℃时尚能切削。 适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材 料。
v c 60 Kr ( vc 60) j
P46 表2-8
2.3.1 工件材料的切削加工性
标准三 用已加工表面的表面质量来衡量
精加工时，常以已加工表面质量作为衡量切 削加工性的指标，容易获得良好已加工表面质 量的，其加工性就好，反之就差。
2.工件材料的物理机械性能对切削加工性的影响
1)硬度和强度
σb、HB ↑
Fc ↑
θ↑
VB↑
例：白口铸铁与灰铸铁
Kr↓
2.工件材料的物理机械性能对切削加工性的影响
1)硬度和强度 2)塑性和韧性
塑性↑
同时
Λh ↑
↑ Fc
θ↑
Kr↓
VB↑
Kr↓
Ra ↑
刀具与切屑越容易产生粘结↑
韧性↑
↑ Fc
θ↑
例：1Cr18Ni9Ti不锈钢与45#钢
2.工件材料的物理机械性能对切削加工性的影响
第2章 金属切削及机床基本知识
刘英 教授
重庆大学
2.3 切削条件的合理选择
刘英 教授
重庆大学
第三节 选择合理的切削条件
切削条件:
刀具材料 刀具几何参数 切削用量 切削液
目标：质量、成本、生产效率
2.3.1 工件材料的切削加工性
1.切削加工性的概念和衡量指标
切削加工性是指工件材料被切削加工 的难易程度。
3.超硬刀具材料
（1） 陶瓷



按化学成分的不同，目前生产中常用的刀具陶 瓷可分为 Al2O3基陶瓷 Si3N4基陶瓷
3.超硬刀具材料
（1） 陶瓷 特点: 有很高的硬度（91 HRA ～95 HRA）和耐磨性， 因而刀具寿命高； 有很高的耐热性（1200℃）； 有良好的抗粘结性和化学稳定性，陶瓷刀具抗 粘结、抗扩散、抗氧化磨损的能力强； 有较低的摩擦系数，不易产生积屑瘤，故加工 表面粗糙度小。
3. 超硬刀具材料
（2） 金刚石 金刚石刀具有三种： 天然单晶金刚石 整体人造聚晶金刚石(PCD) 金刚石复合刀片
3 超硬刀具材料
(2) 金刚石 金刚石刀具的特点: 有极高的硬度（10000 HV）和耐磨性，是目前 已知的最硬物质 刀具切削刃非常锋利，适合于极精密的加工； 具有很高的导热系数和很低的线膨胀系数，故 加工质量好。
2.硬质合金
3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金 YW2(M20)适用于：粗加工
YW1(M10)适用于：精加工
2.硬质合金
4) 碳化钛基硬质合金 化学成分：TiC（主要成分）+Ni、Mo wk.baidu.com标代号YN，ISO标准代号P类
2.硬质合金
4) 碳化钛基硬质合金
特点：硬度更高 TiC 基硬质合 金 的 硬 度 已经 达 到 9 3 HRA，接近陶瓷的水平。 因此， TiC 基硬质合金的刀具寿命比 WC基硬质合金高。
1.对刀具材料的要求
(1)高的硬度和耐磨性；
(2)足够的强度和韧性；
(3)高的耐热性（指高温下保持硬度、耐磨性、强度和 韧性的性能)； (4)良好的冷加工工艺性、热加工（热处理、表面处理、 锻造、铸造等）工艺性；
(5)经济性。
2.3.2 刀具材料
常用的刀具材料有：
碳素工具钢
合金工具钢
切削金属的性能较差，切削刃
2.硬质合金
3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金
YW类硬质合金兼有YG类和YT类的优点， 具有硬度高、耐热性好和强度高、韧性 好的特点，既可加工钢材，也可加工铸 铁和有色金属，故被称为通用硬质合金。
2.硬质合金
3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金
YW类硬质合金成本高，使用受限。 YW应用： 主要用于加工耐热钢、高锰钢、不 锈钢等难加工材料。
3. 超硬刀具材料
(3)立方氮化硼

立方氮化硼不仅用于制造砂轮磨具，而且还制成车刀、 镗刀、端铣刀、铰刀等刀具，用于加工淬硬钢、硬铸 铁，高温合金及各种表面喷涂材料。 CBN含量低(50％~65％)的PCBN刀具主要用来高速干切 削精加工钢(45~65HRC),而CBN含量高(80％~90％)的 PCBN刀具用来高速干切削粗、半精加工镍铬铸铁，断 续加工淬硬钢、硬质合金、金属陶瓷、重合金等。
金属碳化物 WC、TiC、 TaC NbC 金属粘结剂 Co、Ni
粉末 冶金
+
硬质合金
2.硬质合金
硬度
硬质合金的硬度为89 HRA ～93 HRA; 高速钢的硬度为83 HRA ～86.6 HRA;
耐热性
硬质合金在800~10000C时仍能切削; 高速钢在500~6000C时能切削;
2.硬质合金
立方氮化硼在高温下与水容易起化学反应，故一般宜 干切削。


小结

如上所述，现在使用的金属切削刀具材料种类很多， 包括从切削速度最低、耐磨性能最差的高速钢到高速 性能最好的聚晶金刚石刀具。
锋利，可加工木材、橡胶、塑料。
高速钢
硬质合金
生产中用的最多、
最广。
加工金属材料
陶瓷
金刚石 立方氮化硼
仅用于某些有限的场合。
高速硬切削、 强度低、脆性大，成本高， 干切削
1.高速钢
高速钢是一种加入了较多金属（W、
Cr、Mo 、V等）碳化物的、含碳量也 比较高的一种合金工具钢，具有一定 的硬度（63 HRC ～70 HRC）和耐磨性， 有较高的耐热性，在切削温度高达 500℃～600℃时尚能切削。