數控加工刀具材料的種類、性能、特點、應用

01

刀具材料應具有（yǒu）基本的性能。

刀具的選擇（zé）對刀具壽命、加工效率、加工質量和加工（gōng）成本有很大的影（yǐng）響。刀具承受高壓、高溫、摩擦、衝擊和振動。因此，刀具材料應具有以下基本（běn）性能:

(1)硬度和耐磨性。刀（dāo）具材料的（de）硬度必須高於工件材料的硬度，一般（bān）要求在60HRC以上。工具的硬度越高，耐磨性越好。

(2)強度和韌性。刀具應具有較高的強度和韌性，以承受切削力、衝擊和振動（dòng），防止刀具脆斷和崩刃。

(3)耐熱性。該刀具材料耐熱性好，切削溫度高，抗氧化性好。

(4)工藝性能和（hé）經濟性。材料應具有良好的鍛造性能、熱處（chù）理性能和焊接性能；研磨（mó）性能等。，追求高（gāo）性價比。

02

刀具的類型、性能、特點和應用

1.金剛（gāng）石刀具材料

鑽石（shí）是碳的同素異形體，碳是自然界中發現的最堅硬的材料。金剛石工具具有高硬度（dù）、高耐磨性和高導（dǎo）熱性，廣泛應用於有色金屬和非金屬材料的加（jiā）工。特別是在鋁和矽鋁合金的高速切削中，金剛石刀具是難以替（tì）代的主要切削刀具。金剛石刀具可以實現高效率、高穩定性和長壽命的（de）加工，是現代數控加工中不可缺（quē）少的工具。

(1)金剛（gāng）石刀具的類型

①天（tiān）然金剛石工具:天然金剛石作為（wéi）切割工具已有數百年的曆史。天然單晶（jīng）金剛石刀（dāo）具經過精磨後，刃口可以極其鋒利，刃口半徑可以達到0.002μm m，可以實現超薄切削，可以加工極高（gāo）的工件精度和極低的表麵粗（cū）糙度。是公認的、理想的、不可替代的超（chāo）精密（mì）加工工具。

② PCD金剛石（shí）工具:天（tiān）然金剛石價（jià）格昂貴，聚晶金剛石(PCD)在切割中應用廣泛。自20世紀70年代初，高溫高壓合成技術製備（bèi）的（de）聚晶金剛（gāng）石(簡稱PCD刀片（piàn）)問世後，天然金剛石工具（jù）在許多場合被人造聚晶金剛石所取代。PCD原料豐富，價（jià）格僅為（wéi）天然鑽石的十分之一到十分（fèn）之一。PCD工（gōng）具不能磨削極其鋒利的邊緣，加工出（chū）來的工（gōng）件表麵質量不如天然金剛（gāng）石。目前，具有斷屑（xiè）槽的PCD刀片在工業上不容易製造。所以PCD隻能（néng）用於（yú）有色金屬和（hé）非金屬的精細切割，很難實現超精密鏡（jìng）麵切割。

③ CVD金剛石工具:CVD金剛石技術於70年代末至80年代初出現在日本。CVD金剛石是指在異質基底(如硬質合金（jīn）、陶（táo）瓷等)上（shàng）合成金剛石薄膜。)通過化學氣相沉積(CVD)。CVD金剛石具有與天然金剛石相同（tóng）的結構和特性。與天然金剛石相比，CVD金剛石的性能非常接近，兼（jiān）具天然（rán）單晶金剛石（shí）和（hé）聚晶金剛石(PCD)的優點，但在一定程度上克服了它們的缺點。

⑵金剛石工具的（de）性能特點

①極高的硬度和耐磨性:天然鑽石是自然界中發現的最堅硬的物質（zhì）。金剛石具有極高的耐磨性。加工高硬度材（cái）料時，金剛石刀具的壽命是硬（yìng）質合金刀具的100 ~ 100倍，甚至高達上百倍。

②摩擦係數低:金剛石與某些有色金屬的摩擦係（xì）數低於其他刀（dāo）具，摩擦係數低，加工時變形（xíng）小，可降低切削力。

③刃口非常鋒利:金剛石刀具的刃口可以磨得非常鋒利，天然單晶金剛石刀具可以高達0.002 ~ 0.008微米，可用（yòng）於超薄切（qiē）削和（hé）超精密加工。

④導熱率高:金剛石的導熱率和熱擴散率高，切削（xuē）熱容易散發，刀具切削溫度低。

⑤熱膨（péng）脹係數低:金剛石的熱膨（péng）脹係數比（bǐ）硬質合金小幾倍，切削熱引起的刀具尺寸變化很小，這對於尺寸精度要求高的精密和超精密加（jiā）工尤為重要。

⑵金（jīn）剛石工具（jù）的應用

金剛石工具主要用於有色金屬和非金屬（shǔ）材料的高速精密切削（xuē）和（hé）鑽孔。適用（yòng）於加工各種耐磨非金屬，如玻璃鋼粉末冶金坯（pī）料（liào）、陶瓷（cí）材料等。各種耐磨有色金屬，如各種矽鋁合金；各種有色（sè）金屬精加工。

金剛石工具的缺點是熱穩定性（xìng）差。當切削溫度超過700℃ ~ 800℃時，它們的硬度將完全喪失。另外也不適合切（qiē）削黑色金屬，因為金剛石(碳)在高溫下容易與鐵原子發生反應（yīng），使（shǐ）碳原子轉化為石（shí）墨（mò）結構，刀具容易損壞。

2.立方氮化硼刀具材料

立方氮（dàn）化硼（péng）(CBN)是采用類似金剛石製造方法合成的第二（èr）種超（chāo）硬材料，其硬（yìng）度（dù）和熱導率僅次於金剛石，具有優異的熱穩定性。在空氣中加熱到1000℃時不（bú）會被氧化（huà）。CBN對黑色金屬具有極其穩定（dìng）的化學性質，可廣泛用於鋼鐵產品的加（jiā）工。

(1)立（lì）方氮化硼工具（jù）的種類

立方氮（dàn）化硼(CBN)是一種自然界不存在的物質。可分為單晶和多晶，即單晶CBN和多晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素（sù）異形體之一，其結構類似於金剛石。

PCBN(多晶立方氮化硼（péng）)是一種多（duō）晶材料，其中細小的CBN材料通過粘結相(TiC、TiN、al、Ti等)燒結在一起。)在高溫高壓下。它是目前人工合成的硬度僅次於金剛石的工具材料，它和金（jīn）剛石合稱為超硬工具材料。PCBN主要（yào）用於製造刀具或其他工具（jù）。

PCBN刀（dāo）具可（kě）分為整體PCBN刀片和燒結硬（yìng）質合金（jīn）PCBN複合刀片。

PCBN複（fù）合刀片是在具（jù）有（yǒu）良好強度和韌（rèn）性的硬質合金上燒（shāo）結一層0.5 ~ 1.0毫米厚的PCBN製成的（de）。其性能具有良好的韌性、高硬（yìng）度和耐磨性，解決了CBN刀片抗彎強度低、焊接（jiē）困難（nán）的問題。

⑵立方氮化硼的主要性能和特點（diǎn）

立方氮化硼的硬（yìng）度雖然略低於（yú）金剛（gāng）石，但遠高於（yú）其他（tā）高硬度材料。CBN的突出優點（diǎn）是熱穩定性遠高於金剛石，可達1200℃以上(金剛石為700 ~ 800℃)。另一個突出的（de）優點是化學惰性（xìng），在1200 ~ 1300℃不與鐵反應。立方氮化硼（péng）的主要性能特點如下。

①硬度（dù）高，耐磨:CBN晶體結構與金剛（gāng）石相似，硬度和（hé）強度與金剛石相近。PCBN特（tè）別適合加工以前隻能磨削的高硬度材料（liào），能獲得較（jiào）好的工（gōng）件表麵質量。

②熱穩定性（xìng）高:CBN的（de）耐熱性可達1400 ~ 1500℃，幾乎是金剛石(700 ~ 800℃)的l倍。PCBN刀具能以比硬質合金刀具高3 ~ 5倍的速度（dù）切削高速高溫合金和淬硬鋼。

③優異的化學穩定性:在1200-1300℃不與鐵基材料發生化學反應，不（bú）會像金剛石那樣急劇磨損（sǔn）。此時（shí）仍能保持硬質合金的硬度；PCBN刀具適用（yòng）於（yú）切削淬硬鋼零件和冷硬鑄鐵，可廣泛應（yīng）用於鑄鐵的高速切削。

④導熱性好:雖然CBN的導熱性趕不上金剛石，但PCBN的導（dǎo）熱性僅次於金剛（gāng）石，遠高（gāo）於高速鋼和硬質（zhì）合金。

⑤低（dī）摩擦係數:低摩擦係數（shù）可以降低切削力，降（jiàng）低切削溫度，提高加工表麵質（zhì）量。

⑵立（lì）方氮化硼刀具的應用

立方氮化硼適用於加工各（gè）種難加工材料，如淬火鋼、硬鑄鐵、高溫合金、硬質合金、表麵噴塗材料等。加工精度可達IT5(孔IT6)，表麵粗（cū）糙度（dù）可小（xiǎo）至Ra1.25~0.20μm。

立方氮（dàn）化硼刀具材料的韌性和抗彎強度較差。因此，立方氮化硼車刀不適合低速大（dà）衝擊載荷的粗加工；同時不適合切割塑性較高的材料(如鋁合金（jīn）、銅合金、鎳基合金、塑性較高的鋼等（děng）)。)，因為切削這些金屬時（shí），會出現嚴重的切屑結塊（kuài），使加工（gōng）表麵惡化。

3.陶瓷刀具材（cái）料

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐熱性和化學穩定（dìng）性優異、不易與金屬粘（zhān）結等特點。陶瓷刀（dāo）具在數控加工（gōng）中起著非（fēi）常重要的作用。陶瓷刀具已成為高（gāo）速切削和難加工材料加工的主要工具之一。陶瓷刀具廣泛應用（yòng）於高速切削、幹切（qiē）削、硬切削和（hé）難加工材料的切削。陶瓷刀具可以高效加（jiā）工傳（chuán）統刀具根本無法加工的（de）高硬度材料，實（shí）現“以車代磨”；陶瓷刀具（jù）的最佳切削速（sù）度可以比（bǐ）硬（yìng）質合金刀具高2 ~ 10倍，從而大大提高了切削生產效率。陶瓷刀具使用的主要（yào）原料是地（dì）殼中最豐富的元素。因此，陶瓷刀具（jù）的推廣應用對提高生產率、降低加工（gōng）成本、節約戰略貴金屬具有重要意義（yì），也將極大地推動切削技術的進步。

(1)陶瓷刀具材料的種類

陶瓷刀具材料（liào）一般可分為三類:氧化鋁基陶瓷、氮化矽基陶瓷和氮化矽-氧化鋁基複合陶瓷。其中，氧化鋁（lǚ）基和氮（dàn）化矽基陶瓷刀具材料應用最為廣泛（fàn）。氮化（huà）矽基陶瓷的性能優於氧化鋁基陶瓷。

⑵陶瓷刀具的性能和特點

①硬度（dù）高，耐磨性好:陶瓷刀具的（de）硬度（dù）雖然沒有PCD和PCBN高，但比硬質合金和（hé）高速鋼刀具高得多，達到93-95HRA。陶（táo）瓷刀具可以（yǐ）加工傳統刀具難以加工的高硬度材料，適用（yòng）於高速切削和硬切削。

②耐高溫，耐熱性好（hǎo）:陶瓷刀具在1200℃以上的（de）高溫下仍能切削。陶瓷（cí）刀具具有良好的高溫（wēn）力學性能，A12O3陶瓷刀具具（jù）有優異的抗氧化性能。即使（shǐ）刀刃處於赤熱狀態，也可以繼續使用。因此，陶瓷刀（dāo）具（jù）可以實現幹切（qiē）削，從而節省（shěng）切削液。

③化學穩定性好:陶瓷刀具不易與（yǔ）金屬（shǔ）粘結，具有良好的（de）耐腐蝕性和化學穩（wěn）定性，可減少刀具的粘結磨損。

④摩擦（cā）係數低:陶瓷刀具與金屬的（de）親和（hé）力小，摩擦係數低，可降低切（qiē）削力和（hé）切削溫度。

⑵陶瓷刀有（yǒu）用途。

陶瓷是（shì）主要（yào）用於高速精加（jiā）工和半（bàn）精（jīng）加（jiā）工的刀具材料之一。陶瓷刀具適用於切（qiē）削（xuē）各種鑄鐵(灰鑄（zhù）鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵（tiě）)和（hé）鋼(碳素結構鋼、合（hé）金結構鋼、高強度鋼、高錳（měng）鋼、淬火鋼等)。)，也可用於切割銅合金、石（shí）墨、工程塑料和複（fù）合材料。

陶瓷刀具的（de）性能（néng）存在一些問題，如抗（kàng）彎強（qiáng）度低、衝擊韌性差，不適合在（zài）低速和衝擊載荷下切削。

4.塗層（céng）工具材料

刀具塗層是提（tí）高刀具性能的重要途徑之一。塗層刀具的出現使刀具的切削性能（néng）有了很大的（de）突破。塗（tú）層（céng）刀具是在韌性（xìng）好刀具本體（tǐ）上塗（tú）覆一層或多層耐磨性好的（de）耐火化（huà）合物，使刀具基（jī）體與硬質塗層相（xiàng）結合，從而大大提（tí）高刀具性能。塗層刀具可以提（tí）高加工效率、加工精度、延長刀具壽命、降低加工成本。

新型數控機床使用的刀具中，約80%使用塗層刀具（jù）。塗層刀具將是未來數控加工領域最（zuì）重要的刀具品種。

(1)塗層工具的類型

根據塗層方法的不同，塗層工具可（kě）分為化學氣相沉積(CVD)塗層工（gōng）具和物理氣（qì）相沉積(PVD)塗層工（gōng）具（jù）。塗層硬質合金（jīn）刀具常用化學氣相沉積法，沉積溫度在1000℃左右。塗層高速鋼刀具一般采（cǎi）用物理氣相沉積，沉積溫度在500℃左右。

根據塗層刀具基體材料的（de）不同，塗層刀具可分為硬質合金塗層刀具、高速鋼塗層刀具以及陶瓷（cí）和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的塗層刀具。

根據塗層材料的性質，塗層工具可分為兩類，即“硬”塗層工具和“軟”塗層工具。“硬”塗層（céng）工具的主要目標是（shì）高（gāo）硬度和耐磨性，其主要優點是高硬度和良好的耐磨性，典（diǎn）型的（de）是TiC和（hé）TiN塗層（céng）。“軟”塗層工具（jù）的（de）目標是低摩擦係數，也（yě）稱為自潤滑工具。其與工（gōng）件材（cái）料的摩擦係數僅為0.1左右，可降低附著力、摩擦力（lì）、切削力和切削（xuē）溫度。

最近，已經開發了（le）納米塗層工具。這種塗層刀具可（kě）以采用各（gè）種塗層材（cái）料的不同組合(如金屬/金屬、金屬/陶（táo）瓷、陶瓷（cí）/陶瓷等。)以滿足不同的功能和性能要求。納米塗層的（de）合理設計可以使刀具材料具有優異的（de）減摩、耐（nài）磨和自潤滑性能，適用於高速幹切削。

⑵塗層刀具（jù）的特點

①良好的力學和（hé）切削性能:塗層刀具結合了（le）基體材料和塗層（céng）材料的優良性能，既保持了基體材料的良好韌性和高強度，又（yòu）具（jù）有塗層的高硬度、高耐磨性（xìng）和低摩擦係數（shù）。因此，塗層刀具的切削速度可以（yǐ）比無塗層刀具提高2倍以上，並且允許更高的進給速度。塗覆工具的壽（shòu）命也提高了。

②通用性強:塗層刀具通用性廣，加工範（fàn）圍顯著（zhe）擴大。可以用一個塗層工具（jù）代替幾（jǐ）個非（fēi）塗層工具。

③塗層厚（hòu）度:隨著塗（tú）層厚度的增加，刀具壽命會增加，但當塗層厚度達到飽和（hé）時，刀具壽命不會明顯增加。塗層過厚（hòu），容易造成起皮；當塗層太薄時（shí），耐磨性差。

④複磨性:塗層葉片複磨性差，塗層設備複雜，工藝要求高，塗層時間長。

⑤塗層（céng）材料:不同塗層材料的刀（dāo）具切削性能不同。比如低速切（qiē）削（xuē）時TiC塗層占（zhàn）優勢；錫適合高速切削。

⑵塗層工具的應（yīng）用

塗層刀（dāo）具在（zài）數控加工領域有著巨大（dà）的潛力（lì），將是未來數控加工領域最重要的刀具品種。塗層技術（shù）已應用於立銑刀、鉸刀、鑽頭、複合孔（kǒng）加工（gōng）刀具、齒輪滾刀、插齒（chǐ）刀、剃齒刀、成形拉刀和各種可轉位刀片，滿（mǎn）足了各種鋼、鑄鐵、耐熱合金和有色金屬的高速切（qiē）削需要。

5.硬質合（hé）金刀具材料

硬質合金（jīn）刀（dāo）具，尤其是可轉位硬（yìng）質合金刀具（jù），是（shì）數控加工刀具的主導產品。20世紀80年代以來，各種整體式、可轉位硬質合金刀具或刀片擴展（zhǎn）到各種切削刀具，其中可轉位硬質合金刀具從簡單的車刀、麵銑刀擴展到各種精密、複雜、異形刀具。

(1)硬質合金刀具的種類

根據主要化學成（chéng）分，硬（yìng）質合金（jīn）可（kě）分為WC基硬質合金和TiC(N)基硬質（zhì）合金（jīn）。

鎢基硬質合金包括鎢鈷（gǔ）(YG)、鎢鈷鈦(YT)和稀有碳化物(YW)，它們各有優缺點（diǎn）。主要成分（fèn）有碳化鎢(WC)、碳化鈦(TiC)、碳化（huà）鉭(TaC)和碳化铌(NbC)等。常用的金屬粘結相是CO。

碳(氮)基碳化鈦是一種以TiC為主要成分的硬質合金(有的還添加（jiā）了其他碳化（huà）物或氮化物)，常用的金屬粘（zhān）結相有Mo和Ni。

ISO(國際標準化組織)將切削硬質合金分為三類:

K級，包括Kl0~K40，相當於中國的（de）YG級(主要成分是（shì）WC。Co)。

P級，包括P01~P50，相（xiàng）當於中國的YT級(主要成分是WC。TiC.Co)。

M級，包括M10~M40，相當於中國的YW級(主要成分是WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。

每個品牌都是從高硬度到最大韌性的一係列合金，編號在01到50之間。

⑵硬質合金刀具的性能特點

①高硬度:硬質合金刀具是由高硬（yìng）度、高熔點的（de）碳化（huà）物（wù）(稱為（wéi）硬質相)和金屬粘結（jié）劑(稱為粘結相（xiàng）)用粉末冶金方法製成的。其硬度達到89 ~ 93 HRA，遠高於高速（sù）鋼。在5400C時，硬度仍（réng）可（kě）達到82 ~ 87 HRA，與室溫高速鋼相同(83 ~ 86 HRA)。硬質合金的硬度（dù）隨（suí）碳化物（wù）的性質、數量、粒度和金屬粘結相的含量而變化，一般隨粘結金屬相含量的增加而降低。當（dāng）粘結相含量相同時，YT合金（jīn）的硬（yìng）度高（gāo）於YG合金，含TaC(NbC)的合金具（jù）有更高的高溫硬度（dù）。

②抗彎強度和韌性:普通硬質合金的抗彎（wān）強度（dù）在900~1500MPa範圍（wéi）內。金屬粘結相含量越高，抗（kàng）彎強度越高。當粘結劑含量相同時，YG合金(WC-Co)的強度高於YT合金(WC-TiC-Co)，強度隨TiC含量的增加而降低。硬質合金是一種脆性材料，室溫衝擊韌性（xìng）隻有高速鋼的（de）1/30 ~ 1/8。

⑵常用硬質合金刀（dāo）具的應用

YG合金主（zhǔ）要用於加工鑄鐵、有色金（jīn）屬和非金屬材（cái）料。細晶粒硬質合金（jīn）(如YG3X、YG6X)在鈷（gǔ）含量相同的情況下，比中晶粒硬質合金具有更高的硬（yìng）度和耐磨性。適用於加（jiā）工一些特殊的硬鑄鐵、奧氏（shì）體（tǐ）不鏽鋼、耐熱合金（jīn）、鈦合金、硬青銅和耐磨絕（jué）緣材料。

YT硬質合金的（de）突出優點（diǎn）是硬（yìng）度高、耐熱性好（hǎo），比YG硬質合金具有更高（gāo）的高溫硬（yìng）度和抗壓強度，以及更好的抗氧化性。因此，當要求工具具有高耐熱性和耐磨性時，應選擇TiC含量高的品牌。YT合金適用於加工鋼材等塑料材料，不適用於（yú）鈦合金和矽鋁合金。

YW合金兼有YG和釔（yǐ）合金的性能，具有良好（hǎo）的綜（zōng）合性能。它們可用於加工鋼、鑄鐵和有色金屬。如果適當增加鈷含量（liàng），這種合金的（de）強度可（kě）以（yǐ）很高，可用於各種難加工材料的粗加工和斷續切削。

6.高速鋼刀具

高（gāo）速鋼是一種含W、Mo、Cr、v等合金元素較（jiào）多的高合金工具鋼，高速鋼工具在強度、韌性和（hé）工藝性等方麵具有優異（yì）的（de）綜合（hé）性能。在複雜刀具中（zhōng），高速鋼仍占主要地位，特別是在一些複雜刀具的製（zhì）造中，如（rú）孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具、拉刀和齒輪（lún）刀具。高速（sù）鋼（gāng）工具很容易磨出鋒利的刀刃。

根（gēn）據用途不同，高速鋼（gāng）可分為通用高速鋼和高性能高速鋼。

(1)萬能高速鋼刀具

通用高速鋼。一般可分為鎢鋼和鎢鉬鋼。這（zhè）種（zhǒng）高速鋼含有0.7% ~ 0.9%的添加劑(C)。按鋼中（zhōng）鎢的含量可分為（wéi）含12%或18% W的鎢鋼、含6%或8% W的鎢鉬鋼、含2% W或不含W的鉬鋼，通用高速鋼具有一定的硬度(63-66HRC)和耐磨性，強度和韌性高，塑性和加工工藝性好，因此廣泛用於（yú）製造各種複（fù）雜的刀具。

①鎢鋼:通用高速鋼鎢鋼的典（diǎn）型品牌（pái）為W18Cr4V(簡稱W18)，綜（zōng）合性能良好。其600℃高溫硬度為48.5HRC，可用於製造各種複雜（zá）工具。具（jù）有易磨性好，脫碳敏感性低的優點，但由於（yú）碳化物含量高，分布不均勻，顆粒大，強度和韌性低。

②鎢鉬鋼（gāng）:指用鉬（mù）代替鎢鋼中（zhōng）的一部分鎢（wū）而得到的一種高速鋼。鉬（mù）鋼的典（diǎn）型品牌是（shì）W6Mo5Cr4V2(簡稱M2)。M2碳化（huà）物顆粒細小均勻，其強度、韌性和（hé）高溫塑（sù）性均優於（yú）W18Cr4V。另一種W-Mo鋼是W9Mo3Cr4V(簡稱W9)，熱穩定性比M2鋼略高，抗彎強度和韌性比W6M05Cr4V2好，切削性能好。