3．3 數(shù)控刀具材料及選用

先進(jìn)的加工設(shè)備與高性能的數(shù)控刀具相配合，才能充分發(fā)揮其應(yīng)有的效能，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著刀具材料迅速發(fā)展，各種新型刀具材料，其物理、力學(xué)性能和切削加工性能都有了很大的提高，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。

3．3．1刀具材料應(yīng)具備基本性能

刀具材料的選擇對刀具壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本等的影響很大。刀具切削時(shí)要承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動等作用。因此，刀具材料應(yīng)具備如下一些基本性能：

(1)    硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必須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)    強(qiáng)度和韌性。刀具材料應(yīng)具備較高的強(qiáng)度和韌性，以便承受切削力、沖擊和振動,防止刀具脆性斷裂和崩刃。

(3)    耐熱性。刀具材料的耐熱性要好，能承受高的切削溫度，具備良好的抗氧化能力。

(4)    工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。刀具材料應(yīng)具備好的鍛造性能、熱處理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能價(jià)格比。

3．3．2刀具材料的種類、性能、特點(diǎn)、應(yīng)用

1．金剛石刀具材料的種類、性能和特點(diǎn)及刀具應(yīng)用

金剛石是碳的同素異構(gòu)體，它是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最硬的一種材料。金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性和高導(dǎo)熱性能，在有色金屬和非金屬材料加工中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在鋁和硅鋁合金高速切削加工中，金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具品種?？蓪?shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的金剛石刀具是現(xiàn)代數(shù)控加工中不可缺少的重要工具。

⑴ 金剛石刀具的種類

①天然金剛石刀具：天然金剛石作為切削刀具已有上百年的歷史了，天然單晶金剛石刀具經(jīng)過精細(xì)研磨，刃口能磨得極其鋒利，刃口半徑可達(dá)0.002μm，能實(shí)現(xiàn)超薄切削，可以加工出極高的工件精度和極低的表面粗糙度，是公認(rèn)的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。

②PCD金剛石刀具：天然金剛石價(jià)格昂貴，金剛石廣泛應(yīng)用于切削加工的還是聚晶金剛石(PCD)，自20世紀(jì)70年代初，采用高溫高壓合成技術(shù)制備的聚晶金剛石(Polycrystauine diamond，簡稱PCD刀片研制成功以后，在很多場合下天然金剛石刀具已經(jīng)被人造聚晶金剛石所代替。PCD原料來源豐富，其價(jià)格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一。

PCD刀具無法磨出極其鋒利的刃口，加工的工件表面質(zhì)量也不如天然金剛石，現(xiàn)在工業(yè)中還不能方便地制造帶有斷屑槽的PCD刀片。因此，PCD只能用于有色金屬和非金屬的精切，很難達(dá)到超精密鏡面切削。

③CVD金剛石刀具：自從20世紀(jì)70年代末至80年代初，CVD金剛石技術(shù)在日本出現(xiàn)。 CVD金剛石是指用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在異質(zhì)基體(如硬質(zhì)合金、陶瓷等)上合成金剛石膜，CVD金剛石具有與天然金剛石完全相同的結(jié)構(gòu)和特性。

CVD金剛石的性能與天然金剛石相比十分接近，兼有天然單晶金剛石和聚晶金剛石(PCD)的優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上又克服了它們的不足。

⑵ 金剛石刀具的性能特點(diǎn)：

①極高的硬度和耐磨性：天然金剛石是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最硬的物質(zhì)。金剛石具有極高的耐磨性，加工高硬度材料時(shí)，金剛石刀具的壽命為硬質(zhì)合金刀具的lO～100倍，甚至高達(dá)幾百倍。   

②具有很低的摩擦系數(shù)：金剛石與一些有色金屬之間的摩擦系數(shù)比其他刀具都低，摩擦系數(shù)低，加工時(shí)變形小，可減小切削力。

③切削刃非常鋒利：金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，天然單晶金剛石刀具可高達(dá)0.002～0.008μm，能進(jìn)行超薄切削和超精密加工。

④具有很高的導(dǎo)熱性能：金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易散出，刀具切削部分溫度低。

⑤具有較低的熱膨脹系數(shù)：金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，由切削熱引起的刀具尺寸的變化很小，這對尺寸精度要求很高的精密和超精密加工來說尤為重要。

⑶金剛石刀具的應(yīng)用。

金剛石刀具多用于在高速下對有色金屬及非金屬材料進(jìn)行精細(xì)切削及鏜孔。適合加工各種耐磨非金屬，如玻璃鋼粉末冶金毛坯，陶瓷材料等；各種耐磨有色金屬，如各種硅鋁合金；各種有色金屬光整加工。

金剛石刀具的不足之處是熱穩(wěn)定性較差，切削溫度超過700℃～800℃時(shí)，就會完全失去其硬度；此外，它不適于切削黑色金屬，因?yàn)榻饎偸?碳)在高溫下容易與鐵原子作用，使碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極易損壞。

2．立方氮化硼刀具材料的種類、性能和特點(diǎn)及刀具應(yīng)用

用與金剛石制造方法相似的方法合成的第二種超硬材料—立方氮化硼(CBN)，在硬度和熱導(dǎo)率方面僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性極好，在大氣中加熱至10000C也不發(fā)生氧化。CBN對于黑色金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，可以廣泛用于鋼鐵制品的加工。

⑴ 立方氮化硼刀具的種類

立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物質(zhì)，有單晶體和多晶體之分，即CBN單晶和聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic bornnitride，簡稱PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素異構(gòu)體之一，結(jié)構(gòu)與金剛石相似。

PCBN（聚晶立方氮化硼）是在高溫高壓下將微細(xì)的CBN材料通過結(jié)合相(TiC、TiN、Al、Ti等)燒結(jié)在一起的多晶材料，是目前利用人工合成的硬度僅次于金剛石的刀具材料，它與金剛石統(tǒng)稱為超硬刀具材料。PCBN主要用于制作刀具或其他工具。

PCBN刀具可分為整體PCBN刀片和與硬質(zhì)合金復(fù)合燒結(jié)的PCBN復(fù)合刀片。

PCBN復(fù)合刀片是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金上燒結(jié)一層O.5～1.0mm厚的PCBN而成的，其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性，它解決了CBN刀片抗彎強(qiáng)度低和焊接困難等問題。

⑵ 立方氮化硼的主要性能、特點(diǎn)

立方氮化硼的硬度雖略次于金剛石，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高硬度材料。CBN的突出優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性比金剛石高得多，可達(dá)1200℃以上(金剛石為700～800℃)，另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)惰性大，與鐵元素在1200～1300℃下也不起化學(xué)反應(yīng)。立方氮化硼的主要性能特點(diǎn)如下。

① 高的硬度和耐磨性：CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，具有與金剛石相近的硬度和強(qiáng)度。PCBN特別適合于加工從前只能磨削的高硬度材料，能獲得較好的工件表面質(zhì)量。

② 具有很高的熱穩(wěn)定性：CBN的耐熱性可達(dá)1400～1500℃，比金剛石的耐熱性(700～800℃)幾乎高l倍。PCBN刀具可用比硬質(zhì)合金刀具高3～5倍的速度高速切削高溫合金和淬硬鋼。

③ 優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性：與鐵系材料到1200—1300℃時(shí)也不起化學(xué)作用，不會像金剛石那樣急劇磨損，這時(shí)它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度；PCBN刀具適合于切削淬火鋼零件和冷硬鑄鐵，可廣泛應(yīng)用于鑄鐵的高速切削。

④ 具有較好的熱導(dǎo)性：CBN的熱導(dǎo)性雖然趕不上金剛石，但是在各類刀具材料中PCBN的熱導(dǎo)性僅次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金

⑤ 具有較低的摩擦系數(shù)：低的摩擦系數(shù)可導(dǎo)致切削時(shí)切削力減小，切削溫度降低，加工表面質(zhì)量提高。

⑶ 立方氮化硼刀具應(yīng)用：

立方氮化硼適于用來精加工各種淬火鋼、硬鑄鐵、高溫合金、硬質(zhì)合金、表面噴涂材料等難切削材料。加工精度可達(dá)IT5(孔為IT6)，表面粗糙度值可小至Ra1.25～0.20μm。

立方氮化硼刀具材料韌性和抗彎強(qiáng)度較差。因此，立方氮化硼車刀不宜用于低速、沖擊載荷大的粗加工；同時(shí)不適合切削塑性大的材料(如鋁合金、銅合金、鎳基合金、塑性大的鋼等)，因?yàn)榍邢鬟@些金屬時(shí)會產(chǎn)生嚴(yán)重的積屑瘤，而使加工表面惡化。

3．陶瓷刀具材料的種類、性能和特點(diǎn)及刀具應(yīng)用

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能好、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等特點(diǎn)，且不易與金屬產(chǎn)生粘接。陶瓷刀具在數(shù)控加工中占有十分重要的地位，陶瓷刀具已成為高速切削及難加工材料加工的主要刀具之一。陶瓷刀具廣泛應(yīng)用于高速切削、干切削、硬切削以及難加工材料的切削加工。陶瓷刀具可以高效加工傳統(tǒng)刀具根本不能加工的高硬材料，實(shí)現(xiàn)“以車代磨”；陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬質(zhì)合金刀具高2～lO倍，從而大大提高了切削加工生產(chǎn)效率；陶瓷刀具材料使用的主要原料是地殼中最豐富的元素，因此，陶瓷刀具的推廣應(yīng)用對提高生產(chǎn)率、降低加工成本、節(jié)省戰(zhàn)略性貴重金屬具有十分重要的意義，也將極大促進(jìn)切削技術(shù)的進(jìn)步。

⑴陶瓷刀具材料的種類

陶瓷刀具材料種類一般可分為氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、復(fù)合氮化硅一氧化鋁基陶瓷三大類。其中以氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料應(yīng)用最為廣泛。氮化硅基陶瓷的性能更優(yōu)越于氧化鋁基陶瓷。

⑵陶瓷刀具的性能、特點(diǎn)

陶瓷刀具的性能特點(diǎn)如下：

①硬度高、耐磨性能好：陶瓷刀具的硬度雖然不及PCD和PCBN高，但大大高于硬質(zhì)合金和高速鋼刀具，達(dá)到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工的高硬材料，適合于高速切削和硬切削。

②耐高溫、耐熱性好：陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能進(jìn)行切削。陶瓷刀具具有很好的高溫力學(xué)性能， A12O3陶瓷刀具的抗氧化性能特別好，切削刃即使處于赤熱狀態(tài)，也能連續(xù)使用。因此，陶瓷刀具可以實(shí)現(xiàn)干切削，從而可省去切削液。

③化學(xué)穩(wěn)定性好：陶瓷刀具不易與金屬產(chǎn)生粘接，且耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好，可減小刀具的粘接磨損。

④摩擦系數(shù)低：陶瓷刀具與金屬的親合力小，摩擦系數(shù)低，可降低切削力和切削溫度。

⑶ 陶瓷刀具有應(yīng)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。陶瓷刀具適用于切削加工各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵)和鋼材(碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、淬火鋼等)，也可用來切削銅合金、石墨、工程塑料和復(fù)合材料。

陶瓷刀具材料性能上存在著抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差問題，不適于在低速、沖擊負(fù)荷下切削。

4．涂層刀具材料的性能和特點(diǎn)及刀具的應(yīng)用

對刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具切削性能有了重大突破。涂層刀具是在韌性較好刀體上，涂覆一層或多層耐磨性好的難熔化合物，它將刀具基體與硬質(zhì)涂層相結(jié)合，從而使刀具性能大大提高。涂層刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本。

新型數(shù)控機(jī)床所用切削刀具中有80％左右使用涂層刀具。涂層刀具將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中最重要的刀具品種。

⑴ 涂層刀具的種類

根據(jù)涂層方法不同，涂層刀具可分為化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層刀具和物理氣相沉積(PVD)涂層刀具。涂層硬質(zhì)合金刀具一般采用化學(xué)氣相沉積法，沉積溫度在1000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法，沉積溫度在500℃左右；

根據(jù)涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質(zhì)合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具等。

根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，涂層刀具又可分為兩大類，即“硬”涂層刀具和 ‘軟”涂層刀具?！坝病蓖繉拥毒咦非蟮闹饕繕?biāo)是高的硬度和耐磨性，其主要優(yōu)點(diǎn)是硬度高、耐磨性能好，典型的是TiC和TiN涂層?！败洝蓖繉拥毒咦非蟮哪繕?biāo)是低摩擦系數(shù)，也稱為自潤滑刀具，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.1左右，可減小粘接，減輕摩擦，降低切削力和切削溫度。

最近開發(fā)了納米涂層 (Nanoeoating)刀具。這種涂層刀具可采用多種涂層材料的不同組合 (如金屬／金屬、金屬／陶瓷、陶瓷／陶瓷等)，以滿足不同的功能和性能要求。設(shè)計(jì)合理的納米涂層可使刀具材料具有優(yōu)異的減摩抗磨功能和自潤滑性能，適合于高速干切削。

⑵ 涂層刀具的特點(diǎn)  

涂層刀具的性能特點(diǎn)如下：

①力學(xué)和切削性能好：涂層刀具將基體材料和涂層材料的優(yōu)良性能結(jié)合起來，既保持了基體良好的韌性和較高的強(qiáng)度，又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)。因此，涂層刀具的切削速度比未涂層刀具可提高2倍以上，并允許有較高的進(jìn)給量。涂層刀具的壽命也得到提高。

②通用性強(qiáng)：涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴(kuò)大，一種涂層刀具可以代替數(shù)種非涂層刀具使用。

③涂層厚度：隨涂層厚度的增加刀具壽命也會增加，但當(dāng)涂層厚度達(dá)到飽和，刀具壽命不再明顯增加。涂層太厚時(shí)，易引起剝離；涂層太薄時(shí)，則耐磨性能差。

④重磨性：涂層刀片重磨性差、涂層設(shè)備復(fù)雜、工藝要求高、涂層時(shí)間長。

⑤涂層材料：不同涂層材料的刀具，切削性能不一樣。如：低速切削時(shí)，TiC涂層占有優(yōu)勢；高速切削時(shí)，TiN 較合適。

⑶ 涂層刀具的應(yīng)用

涂層刀具在數(shù)控加工領(lǐng)域有巨大潛力，將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中最重要的刀具品種。涂層技術(shù)已應(yīng)用于立銑刀、鉸刀、鉆頭、復(fù)合孔加工刀具、齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片，滿足高速切削加工各種鋼和鑄鐵、耐熱合金和有色金屬等材料的需要。

5．硬質(zhì)合金刀具材料的種類、性能和特點(diǎn)及應(yīng)用

硬質(zhì)合金刀具，特別是可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具，是數(shù)控加工刀具的主導(dǎo)產(chǎn)品,20世紀(jì)80年代以來，各種整體式和可轉(zhuǎn)位式硬質(zhì)合金刀具或刀片的品種已經(jīng)擴(kuò)展到各種切削刀具領(lǐng)域，其中可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具由簡單的車刀、面銑刀擴(kuò)大到各種精密、復(fù)雜、成形刀具領(lǐng)域。

⑴ 硬質(zhì)合金刀具的種類  

按主要化學(xué)成分區(qū)分，硬質(zhì)合金可分為碳化鎢基硬質(zhì)合金和碳(氮)化鈦(TiC(N))基硬質(zhì)合金。

碳化鎢基硬質(zhì)合金包括鎢鈷類(YG)、鎢鈷鈦類(YT)、添加稀有碳化物類(YW)三類，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要成分為碳化鎢 (WC)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)等，常用的金屬粘接相是Co。

碳(氮)化鈦基硬質(zhì)合金是以TiC為主要成分(有些加入了其他碳化物或氮化物)的硬質(zhì)合金，常用的金屬粘接相是Mo和Ni。

ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)將切削用硬質(zhì)合金分為三類： 

K類，包括Kl0～K40，相當(dāng)于我國的YG類(主要成分為WC．Co)。

P類，包括P01～P50，相當(dāng)于我國的YT類(主要成分為WC．TiC．Co)。

M類，包括M10～M40，相當(dāng)于我國的YW類(主要成分為WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。

各個(gè)牌號分別以01～50之間的數(shù)字表示從高硬度到最大韌性之間的一系列合金。

⑵ 硬質(zhì)合金刀具的性能特點(diǎn)  

硬質(zhì)合金刀具的性能特點(diǎn)如下：

①高硬度：硬質(zhì)合金刀具是由硬度和熔點(diǎn)很高的碳化物(稱硬質(zhì)相)和金屬粘結(jié)劑(稱粘接相)經(jīng)粉末冶金方法而制成的，其硬度達(dá)89～93HRA，遠(yuǎn)高于高速鋼，在5400C時(shí)，硬度仍可達(dá)82～87HRA，與高速鋼常溫時(shí)硬度(83～86HRA)相同。硬質(zhì)合金的硬度值隨碳化物的性質(zhì)、數(shù)量、粒度和金屬粘接相的含量而變化，一般隨粘接金屬相含量的增多而降低。在粘接相含量相同時(shí)，YT類合金的硬度高于YG類合金，添加TaC(NbC)的合金具有較高的高溫硬度。

②抗彎強(qiáng)度和韌性：常用硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度在900～1500MPa范圍內(nèi)。金屬粘接相含量越高，則抗彎強(qiáng)度也就越高。當(dāng)粘接劑含量相同時(shí)，YG類(WC-Co)合金的強(qiáng)度高于YT類(WC-TiC-Co)合金，并隨著TiC含量的增加，強(qiáng)度降低。硬質(zhì)合金是脆性材料，常溫下其沖擊韌度僅為高速鋼的1／30～1／8。

⑶ 常用硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用

    YG類合金主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(如YG3X、YG6X)在含鈷量相同時(shí)比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，適用于加工一些特殊的硬鑄鐵、奧氏體不銹鋼、耐熱合金、鈦合金、硬青銅和耐磨的絕緣材料等。

    YT類硬質(zhì)合金的突出優(yōu)點(diǎn)是硬度高、耐熱性好、高溫時(shí)的硬度和抗壓強(qiáng)度比YG類高、抗氧化性能好。因此，當(dāng)要求刀具有較高的耐熱性及耐磨性時(shí)，應(yīng)選用TiC含量較高的牌號。YT類合金適合于加工塑性材料如鋼材，但不宜加工鈦合金、硅鋁合金。

YW類合金兼具YG、YT類合金的性能，綜合性能好，它既可用于加工鋼料，又可用于加工鑄鐵和有色金屬。這類合金如適當(dāng)增加鈷含量，強(qiáng)度可很高，可用于各種難加工材料的粗加工和斷續(xù)切削。

6．高速鋼刀具的種類和特點(diǎn)及應(yīng)用

高速鋼(High Speed Steel，簡稱HSS)是一種加入了較多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼刀具在強(qiáng)度、韌性及工藝性等方面具有優(yōu)良的綜合性能，在復(fù)雜刀具，尤其是制造孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具、拉刀、切齒刀具等一些刃形復(fù)雜刀具，高速鋼仍占據(jù)主要地位。高速鋼刀具易于磨出鋒利的切削刃。

按用途不同，高速鋼可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼。

⑴通用型高速鋼刀具  

通用型高速鋼。一般可分鎢鋼、鎢鉬鋼兩類。這類高速鋼含加(C)為0.7％～0.9％。按鋼中含鎢量的不同，可分為含W為12％或18％的鎢鋼，含W為6％或8％的鎢鉬系鋼，含W為2％或不含W的鉬鋼。通用型高速鋼具有一定的硬度(63-66HRC)和耐磨性、高的強(qiáng)度和韌性、良好的塑性和加工工藝性，因此廣泛用于制造各種復(fù)雜刀具。

①鎢鋼：通用型高速鋼鎢鋼的典型牌號為W18Cr4V，(簡稱W18)，具有較好的綜合性能，在6000C  時(shí)的高溫硬度為48.5HRC，可用于制造各種復(fù)雜刀具。它有可磨削性好、脫碳敏感性小等優(yōu)點(diǎn)，但由于碳化物含量較高，分布較不均勻，顆粒較大，強(qiáng)度和韌性不高。

②鎢鉬鋼：是指將鎢鋼中的一部分鎢用鉬代替所獲得的一種高速鋼。鎢鉬鋼的典型牌號是W6Mo5Cr4V2，(簡稱M2)。M2的碳化物顆粒細(xì)小均勻，強(qiáng)度、韌性和高溫塑性都比W18Cr4V好。另一種鎢鉬鋼為W9Mo3Cr4V(簡稱W9)，其熱穩(wěn)定性略高于M2鋼，抗彎強(qiáng)度和韌性都比W6M05Cr4V2好，具有良好的可加工性能。

⑵ 高性能高速鋼刀具

高性能高速鋼是指在通用型高速鋼成分中再增加一些含碳量、含釩量及添加Co、Al等合金元素的新鋼種，從而可提高它的耐熱性和耐磨性。主要有以下幾大類：

① 高碳高速鋼。高碳高速鋼（如95W18Cr4V），常溫和高溫硬度較高，適于制造加工普通鋼和鑄鐵、耐磨性要求較高的鉆頭、鉸刀、絲錐和銑刀等或加工較硬材料的刀具，不宜承受大的沖擊。

② 高釩高速鋼。典型牌號，如，W12Cr4V4Mo，（簡稱EV4），含V提高到3％一5％，耐磨性好，適合切削對刀具磨損極大的材料，如纖維、硬橡膠、塑料等，也可用于加工不銹鋼、高強(qiáng)度鋼和高溫合金等材料。

③ 鈷高速鋼。屬含鈷超硬高速鋼，典型牌號，如，W2Mo9Cr4VCo8 ，(簡稱M42)，有很高的硬度，其硬度可達(dá)69-70HRC，適合于加工高強(qiáng)度耐熱鋼、高溫合金、鈦合金等難加工材料，M42可磨削性好，適于制作精密復(fù)雜刀具，但不宜在沖擊切削條件下工作。

④ 鋁高速鋼。屬含鋁超硬高速鋼，典型牌號，如，W6Mo5Cr4V2Al，(簡稱501)，6000C時(shí)的高溫硬度也達(dá)到54HRC，切削性能相當(dāng)于M42，適宜制造銑刀、鉆頭、鉸刀、齒輪刀具、拉刀等，用于加工合金鋼、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼和高溫合金等材料。

⑤ 氮超硬高速鋼。典型牌號，如，W12M03Cr4V3N，簡稱(V3N)，屬含氮超硬高速鋼，硬度、強(qiáng)度、韌性與M42相當(dāng)，可作為含鈷高速鋼的替代品，用于低速切削難加工材料和低速高精加工。

⑶熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼

按制造工藝不同，高速鋼可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。

① 熔煉高速鋼：普通高速鋼和高性能高速鋼都是用熔煉方法制造的。它們經(jīng)過冶煉、鑄錠和鍍軋等工藝制成刀具。熔煉高速鋼容易出現(xiàn)的嚴(yán)重問題是碳化物偏析，硬而脆的碳化物在高速鋼中分布不均勻，且晶粒粗大 (可達(dá)幾十個(gè)微米)，對高速鋼刀具的耐磨性、韌性及切削性能產(chǎn)生不利影響。

② 粉末冶金高速鋼(PM HSS)：粉末冶金高速鋼(PM HSS)是將高頻感應(yīng)爐熔煉出的鋼液，用高壓氬氣或純氮?dú)馐怪F化，再急冷而得到細(xì)小均勻的結(jié)晶組織(高速鋼粉末)，再將所得的粉末在高溫、高壓下壓制成刀坯，或先制成鋼坯再經(jīng)過鍛造、軋制成刀具形狀。與熔融法制造的高速鋼相比，PM HSS具有優(yōu)點(diǎn)是：碳化物晶粒細(xì)小均勻,強(qiáng)度和韌性、耐磨性相對熔煉高速鋼都提高不少。在復(fù)雜數(shù)控刀具領(lǐng)域PM HSS刀具將會進(jìn)一步發(fā)展而占重要地位。典型牌號，如F15、FR71、GFl、GF2、GF3、PT1 、PVN等，可用來制造大尺寸、承受重載、沖擊性大的刀具，也可用來制造精密刀具。

3．3．3數(shù)控刀具材料的選用原則

目前廣泛應(yīng)用的數(shù)控刀具材料主要有金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具等。刀具材料總牌號多，其性能相差很大。如，表1-4-2-1各種刀具材料的主要性能指標(biāo)。

數(shù)控加工用刀具材料必須根據(jù)所加工的工件和加工性質(zhì)來選擇。刀具材料的選用應(yīng)與加工對象合理匹配，切削刀具材料與加工對象的匹配，主要指二者的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能相匹配，以獲得最長的刀具壽命和最大的切削加工生產(chǎn)率。

表3-3-1各種刀具材料的主要性能指標(biāo)

種類		密度 ／(g／cm)	耐熱性／℃	硬度	抗彎強(qiáng)度/MPa	熱導(dǎo)率 ／[W／(m.K)]	熱膨脹系數(shù)×10-6/0C
聚晶金剛石		3.47～3.56	700～800	>9000HV	600～1100	210	3.1
聚晶立方氮化硼		3.44～3.49	1300～1500	4500HV	500～800	130	4.7
陶瓷刀具		3.1～5.O	>1200	9l～95HRA	700～1500	15.O～38.0	7.O～9.O
硬 質(zhì) 合 金	鎢鈷類	14.O～15.5	800	89～91.5HRA	1000～2350	74.5～87.9	3～7.5
	鎢鈷鈦類	9.O～14.O	900	89～92.5HRA	800～1800	20.9～62．8
	通用合金	12.0～14.0	1000～1100	～92.5HRA
	TiC基合金	5.O～7.O	1100	92～93.5HRA	1150～1350		8.2
高速鋼		8.0～8.8	600～700	62～70HRC	2000～4500	15.O～30.O	8～12

 

1．切削刀具材料與加工對象的力學(xué)性能匹配

切削刀具與加工對象的力學(xué)性能匹配問題主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性能參數(shù)要相匹配。具有不同力學(xué)性能的刀具材料所適合加工的工件材料有所不同。

①刀具材料硬度順序?yàn)椋航饎偸毒?gt;立方氮化硼刀具>陶瓷刀具>硬質(zhì)合金>高速鋼。

②刀具材料的抗彎強(qiáng)度順序?yàn)椋焊咚黉?gt;硬質(zhì)合金>陶瓷刀具>金剛石和立方氮化硼刀具。

③刀具材料的韌度大小順序?yàn)椋焊咚黉?gt;硬質(zhì)合金>立方氮化硼、金剛石和陶瓷刀具。

高硬度的工件材料，必須用更高硬度的刀具來加工，刀具材料的硬度必須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，其耐磨性就越好。如，硬質(zhì)合金中含鈷量增多時(shí)，其強(qiáng)度和韌性增加，硬度降低，適合于粗加工；含鈷量減少時(shí)，其硬度及耐磨性增加，適合于精加工。

具有優(yōu)良高溫力學(xué)性能的刀具尤其適合于高速切削加工。陶瓷刀具優(yōu)良的高溫性能使其能夠以高的速度進(jìn)行切削，允許的切削速度可比硬質(zhì)合金提高2～10倍。

2．切削刀具材料與加工對象的物理性能匹配

具有不同物理性能的刀具，如，高導(dǎo)熱和低熔點(diǎn)的高速鋼刀具、高熔點(diǎn)和低熱脹的陶瓷刀具、高導(dǎo)熱和低熱脹的金剛石刀具等，所適合加工的工件材料有所不同。加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱較好的刀具材料，以使切削熱得以迅速傳出而降低切削溫度。金剛石由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易散出，不會產(chǎn)生很大的熱變形，這對尺寸精度要求很高的精密加工刀具來說尤為重要。

①各種刀具材料的耐熱溫度：金剛石刀具為700～8000C、PCBN刀具為13000～15000C、陶瓷刀具為1100～12000C、TiC(N)基硬質(zhì)合金為900～11000C、WC基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金為800～9000C、HSS為600～7000C。

②各種刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)順序：PCD>PCBN>WC基硬質(zhì)合金>TiC(N)基硬質(zhì)合金>HSS>Si3N4基陶瓷>A1203基陶瓷。

③各種刀具材料的熱脹系數(shù)大小順序?yàn)椋篐SS>WC基硬質(zhì)合金>TiC(N)> A1203基陶瓷>PCBN>Si3N4基陶瓷>PCD。

④各種刀具材料的抗熱震性大小順序?yàn)椋篐SS>WC基硬質(zhì)合金>Si3N4基陶瓷>PCBN>PCD>TiC(N)基硬質(zhì)合金>A1203基陶瓷。

3．切削刀具材料與加工對象的化學(xué)性能匹配

切削刀具材料與加工對象的化學(xué)性能匹配問題主要是指刀具材料與工件材料化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散和溶解等化學(xué)性能參數(shù)要相匹配。材料不同的刀具所適合加工的工件材料有所不同。

①各種刀具材料抗粘接溫度高低(與鋼)為：PCBN>陶瓷>硬質(zhì)合金>HSS。

②各種刀具材料抗氧化溫度高低為：陶瓷>PCBN>硬質(zhì)合金>金剛石>HSS。

③種刀具材料的擴(kuò)散強(qiáng)度大小(對鋼鐵)為：金剛石>Si3N4基陶瓷>PCBN>A1203基陶瓷。擴(kuò)散強(qiáng)度大小(對鈦)為：A1203基陶瓷>PCBN>SiC>Si3N4>金剛石。

4．?dāng)?shù)控刀具材料的合理選擇

一般而言，PCBN、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金及TiCN基硬質(zhì)合金刀具適合于鋼鐵等黑色金屬的數(shù)控加工；而PCD刀具適合于對Al、Mg、Cu等有色金屬材料及其合金和非金屬材料的加工。表3-3-2列出了上述刀具材料所適合加工的一些工件材料。

表3-3-2刀具材料所適合加工的一些工件材料

刀具	高硬鋼	耐熱 合金	鈦合金	鎳基高溫合金	鑄鐵	純鋼	高硅鋁合金	FRP復(fù)材料
PCD	×	×	◎	×	×	×	◎	◎
PCBN	◎	◎	○	◎	◎		●	●
陶瓷刀具	◎	◎	×	◎	◎	●	×	×
涂層硬質(zhì)合金	○	◎	◎	●	◎	◎	●	●
TiCN基硬合金	●	×	×	×	◎	●	×	×

注：符號含義是；◎一優(yōu)，○一良，●一尚可，×一不合適。