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刀具材料及其选用说明书
浏览:13193    时间:2018-11-30    来源:深圳誉和


刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣,直接影响着生产效率、加工质量和生产成本。而刀具的切削性能,首先取决于切削部分的材料;其次是几何形状及刀具结构的选择和设计是否合理。选用合适的刀具材料,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。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一,特别对那些难加工材料的切削,刀具材料的选用尤为重要。


一、对刀具材料的基本要求


在切削过程中,刀具切削部分不仅要承受很大的切削力,而且要承受切屑变形和摩擦产生的高温,要保持刀具的切削能力,刀具应具备如下的切削性能。


1. 高的硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。常温下一般应在HRC60以上。一般说来,刀具材料的硬度越高,耐磨性也越好。

2. 足够的强度和韧性

刀具切削部分要承受很大的切削力和冲击力。因此,刀具材料必须要有足够的强度和韧性,防止刀具脆性断裂和崩刃。

3. 良好的耐热性和导热性

刀具材料的耐热性是指在高温下仍能保持其硬度和强度,耐热性越好,刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强;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。刀具材料的导热性越好,切削时产生的热量越容易传导出去,从而降低切削部分的温度,减轻刀具磨损。

4. 良好的工艺性

为便于制造,要求刀具材料具有良好的可加工性。包括热加工性能(热塑性、可焊性、淬透性)和机械加工性能。

5.良好的经济性,刀具材料应具备好基本要求,要追求高的性能价格比。



二、常用刀具材料与刀具特点应用


1.金刚石

金刚石分人造和天然两种,做切削刀具的材料,大多数是人造金刚石,其硬度极高,可达10000 HV(硬质合金仅为1300~1800 HV)。其耐磨性是硬质合金的80~120倍。但刃性差,对铁族材料亲和力大。因此一般不宜加工黑色金属,主要用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡胶、石墨、陶瓷、有色金属等材料的高速精加工。


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,切削热容易散出,刀具切削部分温度低。

⑤具有较低的热膨胀系数:金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍,由切削热引起的刀具尺寸的变化很小。

金刚石刀具应用:

金刚石刀具多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削及镗孔。适合加工各种耐磨非金属,如玻璃钢粉末冶金毛坯,陶瓷材料等;各种耐磨有色金属,如各种硅铝合金;各种有色金属光整加工。 金刚石刀具的不足之处是热稳定性较差,切削温度超过700℃~800℃时,就会完全失去其硬度;此外,它不适于切削黑色金属,因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子作用,使碳原子转化为石墨结构,刀具极易损坏。


2. 硬质合金

硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物,用Co、Mo、Ni作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78~82 HRC,能耐850~1000℃的高温,切削速度可比高速钢高4~10倍。但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差,因此很少做成整体式刀具。实际使用中,常将硬质合金刀片焊接或用机械夹固的方式固定在刀体上。


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。


我国目前生产的碳化钨基硬质合金三类:


1) 钨钴类(YG)

即钨钴类,由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好,但硬度和耐磨性较差,适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的牌号有:YG8、YG6、YG3,它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。数字表示Co含量的百分数,YG6即含Co为6%,含Co越多,则韧性越好。


2) 钨钴钛类(YT)

即钨钴钛类,由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好,但抗冲击韧性较差,适用于加工钢料等韧性材料。常用的牌号有:YT5、YT15、 YT30等,其中的数字表示碳化钛含量的百分数,碳化钛的含量越高,则耐磨性较好、韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。


3) 添加稀有碳化物类(YW)

即钨钴钛钽铌类。由在钨钴钛类硬质合金中加入少量的稀有金属碳化物(TaC或NbC)组成。它具有前两类硬质合金的优点,用其制造的刀具既能加工脆性材料,又能加工韧性材料。同时还能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用牌号有YW1、YW2。


硬质合金刀具特点:

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。

硬质合金刀具应用:

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。 YT类硬质合金的突出优点是硬度高、耐热性好、高温时的硬度和抗压强度比YG类高、抗氧化性能好。YW类合金兼具YG、YT类合金的性能,综合性能好。



3.涂层硬质合金

这种材料是在韧性、强度较好的硬质合金基体上或高速钢基体上,采用化学气相沉积(CVD)法或物理气相沉积(PVD)法涂覆一层极薄硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。通过这种方法,使刀具既具有基体材料的强度和韧性,又具有很高的耐磨性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的韧性和耐磨性好;TiN的抗氧化、抗粘结性好;Al2O3的耐热性好。使用时可根据不同的需要选择涂层材料。


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。

涂层刀具应用:

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。


4.陶瓷

其主要成分是Al2O3,刀片硬度可达78 HRC以上,能耐1200~1450℃的高温,故能承受较高的切削速度。但抗弯强度低,冲击韧性差,易崩刃。主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。


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。

陶瓷刀具应用:

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. 高速钢

是在合金工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的强度、韧性和耐热性,是目前应用最广泛的刀具材料。因刃磨时易获得锋利的刃口,又称“锋钢”。


高速钢按用途不同,可分为普通高速钢和高性能高速钢。


1)普通高速钢

普通高速钢具有一定的硬度(62~67 HRC)和耐磨性、较高的强度和韧性,切削钢料时切削速度一般不高于50~60m/min,不适合高速切削和硬材料的切削。一般可分钨钢、钨钼钢两类,这类高速钢含加(C)为0.7%~0.9%。常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。


2)高性能高速钢

在普通高速钢中增加碳、钒的含量或加入一些其它合金元素而得到耐热性、耐磨性更高的新钢种。但这类钢的综合性能不如普通高速钢。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。常用牌号有9W18Cr4V 、9W6Mo5Cr4V2、 W6Mo5Cr4V3等。


高速钢刀具特点:

高速钢(High Speed Steel,简称HSS)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。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。


6.氮化硼(CBN)

这是人工合成的超硬刀具材料,其硬度可达7300~9000HV,仅次于金刚石的硬度。但热稳定性好,可耐1300~1500℃高温,与铁族材料亲和力小。但强度低,焊接性差。目前主要用于加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。


PCBN刀具可分为整体PCBN刀片和与硬质合金复合烧结的PCBN复合刀片。PCBN复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金上烧结一层O.5~1.0mm厚的PCBN而成的,其性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性,它解决了CBN刀片抗弯强度低和焊接困难等问题。


CBN刀具特点:

① 高的硬度和耐磨性:具有与金刚石相近的硬度和强度。

② 具有很高的热稳定性:CBN的耐热性可达1400~1500℃,比金刚石的耐热性(700~800℃)几乎高l倍。

③ 优良的化学稳定性:与铁系材料到1200—1300℃时也不起化学作用,可广泛应用于铸铁的高速切削。

④ 具有较好的热导性:热导性仅次于金刚石。

⑤ 具有较低的摩擦系数:低的摩擦系数可导致切削时切削力减小,切削温度降低,加工表面质量提高。

CBN刀具应用:

立方氮化硼适于用来精加工各种淬火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等难切削材料。加工精度可达IT5(孔为IT6),表面粗糙度值可小至Ra1.25~0.20μm。 立方氮化硼刀具材料韧性和抗弯强度较差。因此,立方氮化硼车刀不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工;同时不适合切削塑性大的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等),因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤,而使加工表面恶化。




刀具材料的选用应对使用性能、工艺性能、价格等因素进行综合考虑,做到合理选用。例如,车削加工45钢自由锻齿轮毛坯时,由于工件表面不规则且有氧化皮,切削时冲击力大,选用韧性好的K类(钨钴类)就比P类(钨钴钛类)有利。又如车削较短钢料螺纹时,按理要用YT,但由于车刀在工件切入处要受冲击,容易蹦刃,所以一般采用YG比较有利。虽然它的热硬性不如YT,但工件短,散热容易,热硬性就不是主要矛盾了。


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。在计算机集成先进制造系统出现后,在刀具使用中还应考虑"刀具系统"。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。随着现代社会的进步和科学技术的日新月异,机械材料加工对刀具的材料要求也越来越高,因此,熟练掌握了解各种刀具的使用及材料的特点,才能更好的选择和正确使用刀具,制造出更加精确的零件。




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