先進的加工設備和高性能切削工具可以充分利用其應有的性能，并取得良好的經(jīng)濟效益。隨著工具材料的飛速發(fā)展，各種新型工具材料的物理，機械性能和切削性能得到了極大的提高，其應用范圍也在不斷擴大。今天，我們將集中于如何正確選擇切削刀具材料。

工具材料應具有基本性能

刀具材料的選擇對刀具壽命，加工效率，加工質(zhì)量和加工成本有很大影響。切割時，刀具必須承受高壓，高溫，摩擦，沖擊和振動。因此，工具材料應具有以下基本屬性：

（1）硬度和耐磨性。工具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，通常要求高于60HRC。工具材料的硬度越高，耐磨性越好。

（2）強韌性。工具材料應具有高強度和韌性，以承受切削力，沖擊和振動，并防止工具的脆性斷裂和碎裂。

（3）耐熱性。該工具材料具有良好的耐熱性，可以承受較高的切削溫度，并且具有良好的抗氧化性。

（4）過程性能和經(jīng)濟性。工具材料應具有良好的鍛造性能，熱處理性能，焊接性能，磨削性能等，并追求高性能和高性價比。

金剛石工具材料

金剛石工具材料的類型，特性和特征以及工具應用

鉆石是碳的異構(gòu)體，是自然界中發(fā)現(xiàn)的最堅硬的材料。金剛石工具具有高硬度，高耐磨性和高導熱性，并且廣泛用于有色金屬和非金屬材料的加工中。特別是在鋁和硅鋁合金的高速加工中，金剛石工具很難替代主要類型的切削工具。可以實現(xiàn)高效率，高穩(wěn)定性和長壽命加工的金剛石工具是現(xiàn)代CNC加工中必不可少的工具。

• 金剛石工具的類型
• 天然鉆石切割器：天然鉆石已被用作切割工具已有數(shù)百年歷史了。天然單晶金剛石切割機已被精細研磨，并且邊緣可以銳化。切削刃半徑可達到0.002μm，可實現(xiàn)超薄切削。公認的工件極高的精度和極低的表面粗糙度是理想且不可替代的超精密加工工具。
• PCD金剛石工具：天然金剛石價格昂貴，金剛石廣泛用于切割或多晶金剛石（PCD）。自1970年代初以來，經(jīng)過高溫高壓合成技術(shù)成功地開發(fā)了多晶金剛石（Polycrystauinediamond，PCD刀片）。在許多情況下，天然金剛石工具已被合成多晶金剛石取代。 PCD原材料豐富，價格僅為天然鉆石價格的十分之一到十分之一。

PCD刀具無法磨削極其鋒利的邊緣，并且加工后的工件的表面質(zhì)量不如天然金剛石。在行業(yè)中用斷屑槽制造PCD刀片并不容易。因此，PCD僅可用于有色金屬和非金屬的精細切割，并且難以實現(xiàn)超精密鏡面切割。

• CVD金剛石工具：自1970年代末至1980年代初，CVD金剛石技術(shù)在日本出現(xiàn)。 CVD金剛石是指通過化學氣相沉積（CVD）在異質(zhì)基材（例如硬質(zhì)合金，陶瓷等）上合成金剛石膜的方法。 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金剛石的性能非常接近天然金剛石，并且具有天然單晶金剛石和多晶金剛石（PCD）的優(yōu)點，并在一定程度上克服了它們的缺點。

（2）金剛石工具的性能特點：

• 極高的硬度和耐磨性：天然鉆石是自然界中發(fā)現(xiàn)的最硬的物質(zhì)。金剛石具有很高的耐磨性。在加工高硬度材料時，金剛石刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的10到100倍，甚至數(shù)百倍。
• 摩擦系數(shù)非常低：金剛石與某些有色金屬之間的摩擦系數(shù)比其他工具低，摩擦系數(shù)低，加工過程中的變形小，可降低切削力。
• 切削刃非常鋒利：金剛石刀具的切削刃可以銳化，天然的單晶金剛石刀具可以高達0.002?0.008μm，用于超薄切削和超精密加工。
• 它具有很高的導熱系數(shù)：金剛石具有很高的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)，切削熱量易于散發(fā)，刀具的切削溫度低。
• 熱膨脹系數(shù)低：金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，切削熱引起的刀具尺寸變化小，這對于高尺寸的精密和超精密加工尤為重要準確性。

（3）金剛石工具的應用。

金剛石工具用于對非鐵和非金屬材料進行高速精加工和鏜孔。適用于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；各種有色金屬精加工。

金剛石刀具的缺點是熱穩(wěn)定性差。當切削溫度超過700℃?800℃時，將完全失去硬度；另外，它不適合切削黑色金屬，因為金剛石（碳）在高溫下容易鐵化。原子的作用是將碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，并且刀具非常脆弱。

立方氮化硼工具材料

通過類似于金剛石制造方法的方法合成的第二種超硬材料立方氮化硼（CBN）在硬度和導熱率方面僅次于金剛石，并且具有出色的熱穩(wěn)定性。在大氣中將其加熱到10,000C。沒有氧化發(fā)生。 CBN對黑色金屬具有極其穩(wěn)定的化學性質(zhì)，可廣泛用于鋼鐵產(chǎn)品的加工中。

（1）立方氮化硼工具的類型

立方氮化硼（CBN）是自然界中不存在的物質(zhì)。它具有單晶和多晶，即CBN單晶和多晶立方氮化硼（PCBN）。 CBN是氮化硼（BN）的異構(gòu)體之一，其結(jié)構(gòu)與金剛石相似。

PCBN（多晶立方氮化硼）是一種多晶材料，其中精細的CBN材料在高溫和高壓下通過鍵合相（TiC，TiN，Al，Ti等）燒結(jié)在一起。金剛石工具材料，統(tǒng)稱為超硬工具材料。 PCBN主要用于制造工具或其他工具。

PCBN工具可分為整體式PCBN刀片和用硬質(zhì)合金燒結(jié)的PCBN復合刀片。

PCBN復合刀片是通過在硬質(zhì)合金上燒結(jié)厚度為O.5?1.0mm的PCBN層制成的，具有良好的強度和韌性。其性能具有良好的韌性，高硬度和耐磨性。解決了CBN刀片彎曲強度低，焊接困難的問題。

（2）立方氮化硼的主要性能和特點

盡管立方氮化硼的硬度略低于金剛石，但遠高于其他高硬度材料。 CBN的突出優(yōu)點是熱穩(wěn)定性比金剛石高得多，最高可達1200°C（金剛石為300-800°C）。另一個突出的優(yōu)點是它是化學惰性的，并且在1200-1300°C時不會與鐵發(fā)生化學反應。反應。立方氮化硼的主要性能特征如下。

• a高硬度和耐磨性：CBN晶體結(jié)構(gòu)類似于金剛石，并且具有與金剛石相似的硬度和強度。 PCBN特別適用于處理只能先磨削的高硬度材料，并且可以獲得更好的工件表面質(zhì)量。
• 具有非常高的熱穩(wěn)定性：CBN的耐熱性可以達到1400?1500°C，幾乎比金剛石的耐熱性（700?800°C）高出l倍。 PCBN工具可以高速切割高溫合金和淬硬鋼，速度是硬質(zhì)合金工具的3至5倍。
• 出色的化學穩(wěn)定性：在高達1200-1300°C的鐵基材料中，它不發(fā)揮化學作用。它不會像鉆石那樣急劇磨損。此時，它仍然可以保持硬質(zhì)合金的硬度。 PCBN刀具適用于切削淬硬鋼。零件和冷硬鑄鐵，用于高速切割鑄鐵。
• 具有良好的導熱性：盡管CBN的導熱性無法跟上金剛石，但各種工具材料中PCBN的導熱性僅次于金剛石，遠高于高速鋼和硬質(zhì)合金。
• 摩擦系數(shù)低：摩擦系數(shù)低會導致切削過程中的切削力降低，切削溫度降低并改善表面質(zhì)量。

（3）立方氮化硼工具的應用：

立方氮化硼適用于精加工難以切削的材料，例如淬硬鋼，鑄鐵，高溫合金，硬質(zhì)合金和表面噴涂材料。加工精度可達IT5（孔為IT6），表面粗糙度值可小至Ra1.25?0.20μm。

立方氮化硼工具材料的韌性和彎曲強度差。因此，立方氮化硼車刀不適合低速大沖擊負荷的粗加工。同時，它不適用于切割塑料材料（例如鋁合金，銅合金，鎳基合金，塑料大型鋼等），因為切割這些金屬會導致嚴重的積屑瘤并降低加工質(zhì)量表面。

陶瓷工具材料

Ceramic knives have the characteristics of high hardness, good wear resistance, excellent heat resistance and chemical stability, and are not easy to bond with metals. Ceramic tools play an important role in CNC machining. Ceramic tools have become one of the main tools for high-speed cutting and difficult machining of materials. Ceramic tools are widely used in high-speed cutting, dry cutting, hard cutting, and machining of difficult-to-machine materials. Ceramic tools can efficiently process high-hard materials that traditional tools can’t process at all, and achieve “car grinding”; the optimal cutting speed of ceramic tools can be 2~10 times higher than that of hard alloy tools, which greatly improves the efficiency of cutting processing. The main raw material used in ceramic tool materials is the most abundant elements in the earth’s crust. Therefore, the promotion and application of ceramic tools is of great significance for improving productivity, reducing processing costs, and saving strategic precious metals. It will also greatly promote cutting technology. progress.

（1）陶瓷工具材料的種類

陶瓷工具材料的類型通常可分為三類：氧化鋁基陶瓷，氮化硅基陶瓷和氮化硅-氧化鋁復合陶瓷。其中，氧化鋁基和氮化硅基陶瓷工具材料使用最廣泛。氮化硅基陶瓷優(yōu)于氧化鋁基陶瓷。

（2）陶瓷工具的性能和特點

陶瓷工具的性能特點如下：

• 高硬度和良好的耐磨性：盡管陶瓷工具的硬度不及PCD和PCBN，但仍比硬質(zhì)合金和高速鋼工具高，達到93-95HRA。陶瓷工具可以加工難以用傳統(tǒng)工具加工的高硬度材料，適用于高速切削和硬切削。
• 耐高溫和耐熱性：陶瓷工具仍可在1200°C以上的溫度下切割。陶瓷工具具有非常好的高溫機械性能。 Al2O3陶瓷工具具有出色的抗氧化性，即使在熾熱狀態(tài)下，切削刃也可以連續(xù)使用。因此，陶瓷工具可以實現(xiàn)干切削，而無需切削液。
• 良好的化學穩(wěn)定性：陶瓷工具不易與金屬結(jié)合，并具有良好的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性，可減少工具的結(jié)合磨損。
• 低摩擦系數(shù)：陶瓷工具與金屬的親和力低，摩擦系數(shù)低，可降低切削力和切削溫度。

（3）陶瓷刀的應用

陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的工具材料之一。陶瓷切割機適用于切割各種鑄鐵（灰色鑄鐵，球墨鑄鐵，可鍛鑄鐵，冷硬鑄鐵，高合金耐磨鑄鐵）和鋼（碳素結(jié)構(gòu)鋼，合金結(jié)構(gòu)鋼，高強度鋼，高強度鋼）。錳鋼，淬火鋼）。等）也可用于切割銅合金，石墨，工程塑料和復合材料。

陶瓷工具材料的性能具有較低的彎曲強度和較差的沖擊韌性，不適用于低速和沖擊載荷下的切削。

?涂層工具材料

涂覆工具是提高工具性能的重要方法之一。涂層刀具的出現(xiàn)在刀具切削性能方面取得了重大突破。涂覆的工具涂覆在一層或多層具有良好耐磨性的高電阻耐火化合物上。它結(jié)合了刀具底座和硬涂層，從而大大提高了刀具性能。帶涂層的刀具可以提高加工效率，提高加工精度，延長刀具壽命并降低加工成本。

新型數(shù)控機床中使用的約80%切削刀具使用涂層刀具。涂層刀具將成為未來CNC加工領域最重要的工具。

（1）涂裝工具的種類

根據(jù)涂覆方法的不同，涂覆工具可分為化學氣相沉積（CVD）涂覆工具和物理氣相沉積（PVD）涂覆工具。涂層硬質(zhì)合金刀具通常是化學氣相沉積工藝，沉積溫度約為1000°C。涂層高速鋼工具一般采用物理氣相沉積法，沉積溫度約為500℃；

根據(jù)涂層工具的材料，涂層工具可分為碳化物涂層工具，高速鋼涂層工具以及陶瓷和超硬材料（金剛石和立方氮化硼）上的涂層工具。

Depending on the nature of the coating material, coated tools can be divided into two broad categories, namely “hard” coated tools and ‘soft” coated tools. The main goal pursued by “hard” coated tools is high hardness and wear resistance. Sex, its main advantages are high hardness and good wear resistance, typically TiC and TiN coatings. The goal of “soft” coating tools is low friction coefficient, also known as self-lubricating tool, which rubs against the workpiece material. The coefficient is very low, only about 0.1, which can reduce bonding, reduce friction, reduce cutting force and cutting temperature.

最近開發(fā)了納米化工具。該涂層工具可用于涂層材料的不同組合（例如金屬/金屬，金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷等），以滿足不同的功能和性能要求。精心設計的納米涂層使工具材料具有出色的抗磨和抗磨性能，適用于高速干切削。

（2）涂裝工具的特性

涂層工具的性能特征如下：

• 機械和切割性能：

該涂覆工具結(jié)合了基材和涂覆材料的優(yōu)異性能，不僅保持了基材的良好韌性和高強度，而且具有高硬度，高耐磨性和低涂覆率。摩擦系數(shù)。因此，帶涂層的刀具的切削速度是非帶涂層的刀具的兩倍以上，并可以提高進給速度。涂層工具的壽命也得到了改善。

• 多功能性：

涂層工具具有廣泛的多功能性和廣泛的加工范圍。涂層工具可以代替幾種非涂層工具。

• 涂層厚度：

刀具壽命將隨著涂層厚度的增加而增加，但是當涂層厚度達到飽和時，刀具壽命將不再顯著增加。當涂層太厚時，很可能會發(fā)生剝離。當涂層太薄時，耐磨性差。

• 重新研磨：

涂布刀片的再生料較差，涂布設備復雜，工藝要求高，涂布時間長。

• 涂層材料：

具有不同涂層材料的刀具具有不同的切削性能。例如，TiC涂層在低速切割時具有優(yōu)勢。 TiN適用于高速切削。

（3）涂裝工具的應用

涂層刀具在CNC加工領域具有巨大的潛力，并且將成為將來CNC加工領域最重要的工具。涂層技術(shù)已應用于立銑刀，鉸刀，鉆頭，復合孔加工工具，滾刀，齒輪成形刀，剃毛刀，成形拉刀和各種機夾可轉(zhuǎn)位刀片，以滿足高速切削操作。需要鋼和鑄鐵，耐熱合金和有色金屬。

?硬質(zhì)合金刀具材料

硬質(zhì)合金刀具，尤其是可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具，是CNC加工刀具的主導產(chǎn)品。自1980年代以來，各種類型的整體式和可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具或刀片已被擴展到可切削硬質(zhì)合金刀具。

（1）硬質(zhì)合金刀具的類型

根據(jù)主要化學成分，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（YG），鎢鈷鈦（YT）和稀有型碳化物（YW），每種都有優(yōu)缺點。主要成分是碳化鎢（WC）和碳化鈦。 （TiC），碳化鉭（TaC），碳化鈮（NbC）等，常用的金屬鍵合相為Co。

碳（氮）鈦基硬質(zhì)合金是一種以TiC為主要成分的硬質(zhì)合金（其中一些與其他碳化物或氮化物一起添加），常用的金屬結(jié)合相為Mo和Ni。

ISO（國際標準化組織）將切削硬質(zhì)合金分為三類：

K class, including Kl0 ~ K40, is equivalent to China’s YG class (the main component is WC.Co).

P級，包括P01至P50，在中國相當于YT（主要成分為WC.TiC.Co）。

M級，包括M10至M40，在中國相當于YW（主要成分是WC-TiC-TaC（NbC）-Co）。

每個等級代表從高硬度到最大韌性的一系列合金，編號分別在01和50之間。

（2）硬質(zhì)合金刀具的性能特點

硬質(zhì)合金刀具的性能特點如下：

• 高硬度：

硬質(zhì)合金刀具是通過粉末冶金法由硬度高且熔點高的碳化物（稱為硬質(zhì)相）和金屬粘結(jié)劑（稱為鍵合相）制成的，硬度為89-93 HRA。它遠高于高速鋼。在5400C下，硬度仍可以達到82-87HRA，這與室溫下高速鋼的硬度（83-86HRA）相同。硬質(zhì)合金的硬度值隨碳化物的金屬粘合劑相的性質(zhì)，數(shù)量，粒度和含量而變化，并且通常隨著粘合劑金屬相的含量增加而降低。當粘合劑相的含量相同時，YT基合金的硬度高于YG基合金的硬度，并且添加有TaC（NbC）的合金具有較高的高溫硬度。

• 彎曲強度和韌性：

常用的硬質(zhì)合金的抗彎強度在900-1500 MPa的范圍內(nèi)。金屬鍵相含量越高，彎曲強度越高。當粘合劑的含量相同時，YG基（WC-Co）合金的強度高于YT基（WC-TiC-Co）合金，并且強度隨著TiC含量的增加而降低。硬質(zhì)合金是一種脆性材料，在室溫下其沖擊韌性僅為高速鋼的1/30至1/8。

• 常用硬質(zhì)合金刀具的應用

YG合金主要用于加工鑄鐵，有色金屬和非金屬材料。當鈷含量相同時，細晶粒硬質(zhì)合金（例如YG3X，YG6X）比中等晶粒具有更高的硬度和耐磨性。適用于加工某些特殊的硬鑄鐵，奧氏體不銹鋼，耐熱合金，鈦合金，硬青銅和耐磨絕緣材料。

YT基硬質(zhì)合金的突出優(yōu)點是：高硬度，良好的耐熱性，高溫下的高硬度和抗壓強度，以及更高的耐YG性和更好的抗氧化性。因此，當要求刀具具有高的耐熱性和耐磨性時，應選擇TiC含量高的等級。 YT合金適用于加工諸如鋼之類的塑料材料，但不適用于加工鈦合金和硅鋁合金。

YW合金具有YG和YT合金的性能，綜合性能良好。它可用于加工鋼材以及加工鑄鐵和有色金屬。如果將這些合金適當?shù)靥砑拥解捄恐校瑒t它們可以以高強度使用，并且可以用于粗加工和間斷切削各種難以加工的材料。

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通常，PCBN，陶瓷工具，涂層硬質(zhì)合金和TiCN基硬質(zhì)合金刀具適用于黑色金屬（如鋼）的CNC加工； PCD工具適用于有色金屬材料，例如Al，Mg，Cu及其合金。非金屬材料的加工。表3-3-2列出了一些適合于加工上述工具材料的工件材料。