切削刀具的種類(lèi)按刀具材料的成分可分為金剛石刀具課件

先進(jìn)制造技術(shù)AdvancedManufacturingTechnology臨沂大學(xué)汽車(chē)學(xué)院趙琳先進(jìn)制造技術(shù)AdvancedManufacturingT1切削刀具材料的種類(lèi)切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史切削刀具應(yīng)具備的性能金剛石刀具立方氮化硼刀具涂層刀具陶瓷刀具1234567專(zhuān)題五

切削刀具的發(fā)展硬質(zhì)合金刀具8高速鋼刀具切削刀具的發(fā)展展望910切削刀具材料的種類(lèi)切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史切削刀具應(yīng)具備的性能金剛2一、切削刀具的種類(lèi)1.按刀具材料的成分可分為：金剛石刀具（Diamond）立方氮化硼刀具(CubicBornNitride)陶瓷刀具(CeramicTools)硬質(zhì)合金刀具（CementedCarbideTools）高速鋼刀具(HighSpeedSteel)碳素和合金工具鋼(AlloySteel)一、切削刀具的種類(lèi)1.按刀具材料的成分可分為：32.按加工方式可分為：車(chē)刀(TurningTools)孔加工刀具(DrillingTools)銑刀(MillingTools)齒輪刀具（GearCuttingTools）成型刀具(FormedTools）其它刀具(OtherTools)一、切削刀具的種類(lèi)2.按加工方式可分為：一、切削刀具的種類(lèi)4

3.按刀具結(jié)構(gòu)可分為：整體刀具焊接刀具可轉(zhuǎn)位刀具其他刀具一、切削刀具的種類(lèi)3.按刀具結(jié)構(gòu)可分為：一、切削刀具的種類(lèi)5二、切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)后期，碳素工具鋼刀具，耐熱溫度為200℃，切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽機(jī)氣缸孔和端面，需要大約1個(gè)月時(shí)間。1861年英國(guó)人首先制備出合金工具鋼刀具，耐熱溫度達(dá)到300℃左右，切削速度20m/min。

1898年美國(guó)人研制成功高速鋼刀具，耐熱溫度達(dá)到500℃左右，切削速度30-40m/min。

高速鋼刀具的出現(xiàn)，引起了金屬切削加工的第一次革命，新型高速機(jī)床隨之出現(xiàn)。二、切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)后期，碳素工具鋼刀具，耐熱溫度61925年德國(guó)人首先發(fā)明了硬質(zhì)合金刀具，耐熱溫度達(dá)到600-800℃左右，切削速度40-200m/min。硬質(zhì)合金刀具的出現(xiàn)，引起了金屬切削加工的又一次革命。20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)陶瓷刀具，但并未得到廣泛應(yīng)用，50年代以后，逐步發(fā)展，目前，耐熱溫度達(dá)到1100-1400℃，切削速度500-1000m/min。20世紀(jì)50年代美國(guó)GE公司首先合成人造金剛石和CBN，CBN硬度接近金剛石，耐熱溫度達(dá)到1400-1500℃。自20世紀(jì)70年代初美國(guó)GE公司研制成功聚晶金剛石(PCD)刀片，目前，在很多場(chǎng)合下已經(jīng)替代了天然金剛石。二、切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史1925年德國(guó)人首先發(fā)明了硬質(zhì)合金刀具，耐熱溫度達(dá)到600-7實(shí)例：加工直徑為100mm，長(zhǎng)度500mm的碳鋼棒。1890年，用碳素工具鋼刀具，需要100min。

1910年，用高速鋼刀具，需要26min?，F(xiàn)在，用硬質(zhì)合金刀具，需要1.5min。

現(xiàn)在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0min。實(shí)例：加工直徑為100mm，長(zhǎng)度500mm的碳鋼棒。8切削刀具的種類(lèi)按刀具材料的成分可分為金剛石刀具課件9硬度

硬度是材料抵抗外物刺入的一種能力。用硬度試驗(yàn)器來(lái)試驗(yàn)極為準(zhǔn)確，是現(xiàn)代試驗(yàn)硬度常用的方法。最常用的試驗(yàn)法有洛氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)利用鉆石沖入金屬的深度來(lái)測(cè)定金屬的硬度，沖入深度愈大，硬度愈小。

洛氏硬度，這是由洛克威爾在1921年提出來(lái)的，是使用洛氏硬度計(jì)所測(cè)定的金屬材料的硬度值。該值沒(méi)有單位，只用代號(hào)“HR”表示。洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C為三種不同的標(biāo)準(zhǔn)。稱(chēng)為標(biāo)尺A、標(biāo)尺B、標(biāo)尺C。

HRA是采用60Kg載荷和鉆石錐壓入器求的硬度，用于硬度極高的材料。例如：硬質(zhì)合金。

HRB是采用100Kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球求得的硬度，用于硬度較低的材料。例如：退火鋼、鑄鐵等。HRC是采用150Kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火鋼等硬度

硬度是材料抵抗外物刺入的一種能力。10

三、刀具材料必備的性能1．高的硬度和耐磨性刀具材料的硬度一般大于60HRC（一般應(yīng)大于工件材料的硬度）。刀具材料的耐磨性指抵抗磨損的能力，刀具的硬度越高、耐磨性一般越高。除硬度外，耐磨性還與材料的化學(xué)成分、強(qiáng)度、韌性及顯微組織等有關(guān)。2．足夠的強(qiáng)度和韌性切削過(guò)程中，刀具的切削部分承受很大的切削負(fù)荷，尤其在斷續(xù)切削過(guò)程中更要承受循環(huán)的熱及機(jī)械沖擊，刀具的常見(jiàn)損壞形式為破損如崩刃、斷裂等。刀具材料必須具備足夠的強(qiáng)度和韌性。

三、刀具材料必備的性能11三、刀具材料必備的性能3．高的熱穩(wěn)定性也稱(chēng)高的耐熱性，是衡量刀具材料切削性能的重要標(biāo)志，它指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的能力。除了高的熱穩(wěn)定性，刀具材料還應(yīng)具備良好的高溫抗氧化能力、抗擴(kuò)散性能。4．良好的熱物理特性及抗熱沖擊性能良好的導(dǎo)熱性，大的熱容量有利于切削熱的傳出、降低切削溫度；斷續(xù)切削時(shí)，刀具受到循環(huán)的熱沖擊，容易產(chǎn)生熱裂紋而斷裂，所以刀具材料應(yīng)具備優(yōu)良的抗熱沖擊性能；熱膨脹系數(shù)越小，則熱變形越小，有利于降低熱應(yīng)力。三、刀具材料必備的性能12三、刀具材料必備的性能5．良好的工藝性指良好的鍛造性能、機(jī)加工性能和熱處理性能，便于刀具的制造。6．經(jīng)濟(jì)性刀具材料的發(fā)展一定要將生產(chǎn)的實(shí)際需要與本國(guó)的自然資源的相結(jié)合，因地制宜。三、刀具材料必備的性能13四、金剛石刀具天然單晶金剛石刀具人造單晶金剛石刀具金剛石刀具單晶金剛石刀具多晶金剛石刀具PCD刀具CVD金剛石刀具CVD金剛石薄膜涂層刀具金剛石厚度膜焊接刀具四、金剛石刀具天然單晶金剛石刀具金剛石單晶金剛石刀具多晶金剛14極高的硬度和耐磨性：金剛石的顯微硬度達(dá)HV10000，是自然界最硬的物質(zhì)。具有極高的耐磨性，天然金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的80-120倍，人造金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的60-80倍。各向異性能：?jiǎn)尉Ы饎偸w不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微觀強(qiáng)度、研磨加工的難易程度以及與工件材料之間的摩擦系數(shù)等相差很大，因此，設(shè)計(jì)和制造單晶金剛石刀具時(shí)，必須正確選擇晶體方向。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)比其它刀具都低，約為硬質(zhì)合金刀具的一半，通常在0.1-0.3之間。摩擦系數(shù)低可減小切削溫度和切削力。(1)金剛石刀具的性能特點(diǎn)極高的硬度和耐磨性：金剛石的顯微硬度達(dá)HV10000，是自然15刀刃非常鋒利：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刀刃鈍園半徑可達(dá)納米，能進(jìn)行超薄切削和超精密加工。具有很高的導(dǎo)熱性能：金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5-9倍，為銅的2-6倍。由于導(dǎo)熱系數(shù)高，切削熱容易散出，切削溫度低。熱脹系數(shù)低：金剛石的熱脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10。因此，金剛石刀具不會(huì)產(chǎn)生很大的熱變形，這對(duì)尺寸精度要求很高的精密加工刀具來(lái)說(shuō)尤為重要。(1)

金剛石刀具的性能特點(diǎn)刀刃非常鋒利：金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，天然單晶金16（2）人造金剛石的制備工藝(a)人造單晶金剛石的制備(b)聚晶金剛石的制備石墨+觸媒劑金剛石單晶粉高溫高壓金剛石單晶粉+結(jié)合劑PCD聚晶高溫高壓（2）人造金剛石的制備工藝(a)人造單晶金剛石的制備石墨+17（3）聚晶金剛石(PCD)刀具PCD是通過(guò)金屬結(jié)合劑(如Co、Ni等)將金剛石微粉聚合而成的多晶體材料。金剛石廣泛應(yīng)用于切削加工還是PCD研制成功以后。PCD的硬度低于單晶金剛石，但PCD屬各向同性材料；PCD具有導(dǎo)電性，便于切割成型，成本遠(yuǎn)低于天然金剛石。PCD原料來(lái)源豐富，價(jià)格只有天然金剛石的十幾分之一，PCD應(yīng)用遠(yuǎn)比天然金剛石刀具廣泛。大多數(shù)PCD刀片都是與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成的復(fù)合刀片，即在硬質(zhì)合金的基體上燒結(jié)一層約0.7mm厚的PCD，這種刀片的強(qiáng)度和硬質(zhì)合金基本一致，硬度接近整體PCD，可焊性好，重磨容易，成本低。（3）聚晶金剛石(PCD)刀具18切削刀具的種類(lèi)按刀具材料的成分可分為金剛石刀具課件19聚晶金剛石復(fù)合刀片（硬質(zhì)合金基體）聚晶金剛石復(fù)合刀片（硬質(zhì)合金基體）20（7）金剛石刀具的應(yīng)用金剛石刀具主要用于加工有色金屬及其合金。其中80％以上的PCD刀具用于加工汽車(chē)和摩托車(chē)行業(yè)的硅鋁合金零部件，如：鋁合金活塞的裙部、銷(xiāo)孔、汽缸體、變速箱等。由于這些零件材料含硅量較高(12%以上)，且為大批量生產(chǎn)，對(duì)刀具的壽命要求較高，硬質(zhì)合金刀具難以勝任，而PCD刀具的壽命遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具，是硬質(zhì)合金刀具壽命的幾十甚至幾百倍。在加工硅含量較高的鋁合金時(shí)，除PCD刀具外，其它所有的刀具都在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損而不能繼續(xù)切削。PCD刀具還非常適合對(duì)難加工非金屬材料(如：木材、人造板材、強(qiáng)化復(fù)合地板、碳纖維增強(qiáng)塑料、石墨、陶瓷、石材等)進(jìn)行加工。采用單晶金剛石刀具，在超精密車(chē)床上可實(shí)現(xiàn)鏡面加工，目前，金剛石刀具可以實(shí)現(xiàn)切削厚度為納米級(jí)的連續(xù)穩(wěn)定切削。金剛石的熱穩(wěn)定性比較差，切削溫度達(dá)到800℃時(shí)，就會(huì)失去其硬度，金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類(lèi)材料，因?yàn)?，金剛石與鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親合力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。（7）金剛石刀具的應(yīng)用21（7）金剛石刀具的應(yīng)用PCD刀具應(yīng)用領(lǐng)域分布PCD木工刀具主要加工對(duì)象分布（7）金剛石刀具的應(yīng)用PCD刀具應(yīng)用領(lǐng)域分布PCD木工刀具主22五、立方氮化硼刀具整體焊接式PCBN刀具機(jī)夾焊接式PCBN刀具PCBN可轉(zhuǎn)位刀具PCBN焊接刀具PCBN刀具整體可轉(zhuǎn)位刀片一個(gè)面可轉(zhuǎn)位刀片單刃可轉(zhuǎn)位刀片五、立方氮化硼刀具整體焊接式機(jī)夾焊接式PCBN可轉(zhuǎn)位刀具P23(1)PCBN的性能特點(diǎn)高的硬度和耐磨性：PCBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，晶格常數(shù)相近，因此具有與金剛石相近的硬度。PCBN微粉的顯微硬度為HV8000～9000，其PCBN燒結(jié)體的硬度達(dá)到HV3000～5000。在切削耐磨材料時(shí)其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的50倍，為涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍。PCBN特別適合于加工從前只能磨削的高硬度材料，實(shí)現(xiàn)“以車(chē)代磨”。具有很高的熱穩(wěn)定性：PCBN的耐熱性可達(dá)1400～1500℃，比金剛石的耐熱性(700-800℃)幾乎高一倍，因此PCBN刀具可用比硬質(zhì)合金刀具高3～5倍的速度高速切削淬硬鋼。(1)PCBN的性能特點(diǎn)24(1)PCBN的性能特點(diǎn)優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性：PCBN的化學(xué)惰性大，與鐵系材料到1200-1300℃時(shí)也不起化學(xué)作用，與碳只是在2000℃時(shí)才起反應(yīng)。PCBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。因此，PCBN刀具廣泛應(yīng)用于高速或超高速的切削。具有較好的導(dǎo)熱性：PCBN的導(dǎo)熱性雖然趕不上金剛石，但是在各類(lèi)刀具材料中PCBN的導(dǎo)熱性?xún)H次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是紫銅的3.2倍，是硬質(zhì)合金的20倍。具有較低的摩擦系數(shù)：PCBN與不同材料間的摩擦系數(shù)約為0.1～0.3，比硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)(0.4-0.6)小得多。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。(1)PCBN的性能特點(diǎn)25(2)PCBN刀具的應(yīng)用PCBN刀具非常適合于干式切削、硬態(tài)和高速切削加工工藝，特別適合數(shù)控設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線的使用。PCBN刀具適合加工的工件材料有：(1)硬度在HRC45以上的淬硬鋼和耐磨鑄鐵(如：淬硬鋼HRC45-65、軸承鋼HRC60-62、高速鋼HRC＞62、工具鋼HRC57-60、冷硬鑄鐵等)；

(2)

HRC35以上的耐熱合金(高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金等)；

(3)

HRC30以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。被加工材料的硬度越高越能體現(xiàn)PCBN刀具的優(yōu)越性。(2)PCBN刀具的應(yīng)用26(2)PCBN刀具的應(yīng)用PCBN刀具進(jìn)行硬態(tài)切削時(shí)，可以車(chē)、鏜、銑等替代磨削加工工藝，是實(shí)現(xiàn)“以車(chē)代磨”的最佳刀具。據(jù)報(bào)道日本PCBN刀具的應(yīng)用有55%是替代原來(lái)的磨削。PCBN還是實(shí)現(xiàn)高速或干式切削的最佳刀具之一。尤其在加工灰鑄鐵高速干切削領(lǐng)域。目前，PCBN刀具已用于車(chē)刀、鏜刀、銑刀等，在汽車(chē)制造業(yè)、自動(dòng)化生產(chǎn)線等方面PCBN刀具的使用量已達(dá)到了相當(dāng)?shù)谋壤龘?jù)。如：加工汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、剎車(chē)盤(pán)、傳動(dòng)軸、氣缸孔、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出氣閥座等；(2)PCBN刀具的應(yīng)用27(3)PCBN刀具的應(yīng)用PCBN刀具應(yīng)用領(lǐng)域分布(3)PCBN刀具的應(yīng)用PCBN刀具應(yīng)用領(lǐng)域分布28六、涂層刀具單涂層多涂層(帶中間過(guò)渡層)厚度:(0.5～50m)厚度:(0.5～10m)多涂層(納米結(jié)構(gòu))梯度涂層厚度:(～100nm)超硬涂層硬和軟復(fù)合涂層(CVD－DP/BN)(MoS2,WC/C,石墨等)六、涂層刀具單涂層29涂層硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)1500倍a)單涂層b)多涂層涂層硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)1500倍30（1）涂層刀具的性能特點(diǎn)涂層可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是“硬”涂層，如：TiC、TiN、A12O3涂層。硬涂層的主要優(yōu)點(diǎn)是硬度高、耐磨性能好。另一類(lèi)是“軟”涂層，如MoS2、WS2等。這種涂層也稱(chēng)為自潤(rùn)滑涂層，其表面摩擦系數(shù)低，可以減小摩擦。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(lái)，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)。與未涂層刀具相比，涂層刀具的切削速度可提高2倍以上，刀具壽命可提高2-5倍。（1）涂層刀具的性能特點(diǎn)31（1）涂層刀具的性能特點(diǎn)涂層硬質(zhì)合金一般采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，沉積溫度在1000℃左右。對(duì)于精密、形狀復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不可重磨的高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法(PVD)，沉積溫度在500℃左右。刀具壽命與涂層厚度有關(guān)。涂層太厚時(shí)易引起剝離；涂層太薄時(shí)，則耐磨性能差，涂層不能有效的保護(hù)基體。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(zhǎng)、刀具成本相對(duì)較高。主要用于剛性高的數(shù)控機(jī)床。（1）涂層刀具的性能特點(diǎn)32（2）涂層刀具的應(yīng)用自20世紀(jì)70年代以來(lái)，刀具涂層技術(shù)取得了飛速發(fā)展，涂層工藝越來(lái)越成熟。在日本的硬質(zhì)合金和陶瓷刀片總產(chǎn)量中，涂層刀片占41％。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家使用的涂層刀片占可轉(zhuǎn)位刀片的比例已由1978年的26％，增加到1985年的50-60％。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。美國(guó)數(shù)控機(jī)床上使用涂層硬質(zhì)合金刀片比例為80％。瑞典和德國(guó)車(chē)削用涂層刀片已占70％以上。前蘇聯(lián)1981-1985年期間，刀具產(chǎn)量增加16％，硬質(zhì)合金刀具增加了29％，而涂層刀具則增加了5倍。（2）涂層刀具的應(yīng)用33（2）涂層刀具的應(yīng)用涂層刀具通用性廣，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，因而可以大大減少刀具的品種和庫(kù)存量，簡(jiǎn)化刀具管理，降低刀具和設(shè)備成本。不同涂層材料的刀具，切削性能不一樣。低速切削時(shí)，TiC涂層占有優(yōu)勢(shì)；高速切削時(shí)，TiN較合適；HfN和Al2O3涂層的熱化學(xué)穩(wěn)定性比TiN更高，適合于在更高的切削速度下工作。涂層刀具將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中的最重要刀具品種，預(yù)計(jì)涂層刀具所占的比例可能達(dá)到80%以上。（2）涂層刀具的應(yīng)用34七、陶瓷刀具粘結(jié)相Mo,Ni,Co氧化物Al2O3,ZrO2碳化物TiC,SiC氮化物Si3N4,BN,TiN硼化物TiB2，ZrB2七、陶瓷刀具粘結(jié)相氧化物碳化物氮化物硼化物35（1）陶瓷刀具的性能特點(diǎn)硬度高、耐磨性：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HRA93-95。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬質(zhì)合金刀具高3-10倍。陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工的高硬材料，實(shí)現(xiàn)“以車(chē)代磨”，陶瓷刀具適合于高速切削和硬切削。耐溫性、耐熱性：陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能進(jìn)行切削，具有很好的高溫力學(xué)性能，在1200℃時(shí)的硬度仍達(dá)到HRA80。隨溫度的升高，陶瓷刀具的高溫力學(xué)性能降低很慢。Al2O3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。（1）陶瓷刀具的性能特點(diǎn)36化學(xué)穩(wěn)定性：陶瓷刀具不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，且耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好，可減小刀具的粘結(jié)磨損摩擦系數(shù)：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，加工表面質(zhì)量好原料豐富：硬質(zhì)合金中所含的鎢和鈷等資源缺乏，價(jià)格昂貴，而陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化鋁、氧化硅、碳化物等是地殼中最豐富的元素，是取之不盡，用之不竭的，對(duì)發(fā)展陶瓷刀具材料十分有利。因此，開(kāi)發(fā)和使用陶瓷刀具，對(duì)節(jié)省戰(zhàn)略性貴重金屬具有十分重要的意義（1）陶瓷刀具的性能特點(diǎn)化學(xué)穩(wěn)定性：陶瓷刀具不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，且耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性37（2）陶瓷刀具的主要成分氧化物：A12O3、ZrO2、SiO2、MgO、Y2O3、TiO2等碳化物：TiC、SiC、WC、HfC、NbC、TaC、B4C等氮化物：TiN、Si3N4、BN、A1N、TaN、ZrN、HfN等硼化物：TiB2、ZrB2、NbB2、HfB、WB2等（2）陶瓷刀具的主要成分38（3）陶瓷刀具的制備工藝原料處理混料球磨干燥過(guò)篩處理燒結(jié)成型處理加工檢驗(yàn)處理（3）陶瓷刀具的制備工藝39熱壓燒結(jié)爐熱壓燒結(jié)爐40陶瓷刀片陶瓷刀片41（4）陶瓷刀具的增韌補(bǔ)強(qiáng)缺點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性低，抗機(jī)械和熱沖擊能力差。解決辦法：原材料高純化粉末微細(xì)化(目前可達(dá)到納米級(jí))采用增韌補(bǔ)強(qiáng)(如：顆粒增韌、晶須增韌、相變?cè)鲰g、協(xié)同增韌等)新型燒結(jié)工藝(如熱等靜壓等)復(fù)合化梯度化（4）陶瓷刀具的增韌補(bǔ)強(qiáng)42（5）新型陶瓷刀具干切削實(shí)例（5）新型陶瓷刀具干切削實(shí)例43（6）新型陶瓷刀具硬切削實(shí)例（6）新型陶瓷刀具硬切削實(shí)例44八、硬質(zhì)合金刀具強(qiáng)韌TiC基刀具TiC基刀具TiN基刀具TiCN基刀具鎢鈷鈦類(lèi)鎢鈷類(lèi)添加稀有碳化物類(lèi)硬質(zhì)合金刀具碳(氮)化鈦基硬質(zhì)合金刀具碳化鎢基硬質(zhì)合金刀具八、硬質(zhì)合金刀具強(qiáng)韌TiCTiC基刀具TiN基刀具TiCN45硬質(zhì)合金的制造混料、球磨（使均勻）壓制成型硬質(zhì)合金的制造混料、球磨（使均勻）壓制成型46硬質(zhì)合金的制造不同模具壓制的制品燒結(jié)爐硬質(zhì)合金的制造不同模具壓制的制品燒結(jié)爐47硬質(zhì)合金的特點(diǎn)硬質(zhì)合金是由高硬、難熔的金屬碳化物如：WC、TiC、TaC、NbC等和金屬粘結(jié)劑如：Co、Ni等經(jīng)粉末冶金法制成的。特點(diǎn)：硬度高（89—93HRA）、耐磨性好（耐用度可提高幾倍到幾十倍，在耐用度相同時(shí)切削速度可提高4—10倍）；耐熱性高（在800—1000℃時(shí)仍可切削）；抗彎強(qiáng)度低（0.9～1.5GPa）；斷裂韌性低。因此承受切削振動(dòng)和沖擊負(fù)荷能力差。當(dāng)硬質(zhì)合金碳化物含量高，其硬度、耐熱性和耐磨性增加，強(qiáng)度、韌性降低；粘結(jié)劑增加，其性能相反變化。碳化物（也叫硬質(zhì)相）顆粒越小、分布越均勻，耐磨性越好、硬度增加，但強(qiáng)度減小。硬質(zhì)合金的特點(diǎn)48硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)a)細(xì)晶粒b)粗晶粒YG10硬質(zhì)合金（1500倍）硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)a)細(xì)晶粒49九、高速鋼刀具鎢鉬鋼鎢鋼高釩HSS刀具高碳HSS刀具鋁HSS刀具鈷HSS刀具高速鋼刀具高性能高速鋼刀具通用型高速鋼刀具九、高速鋼刀具鎢鉬鋼鎢鋼高釩HSS高碳HSS鋁HSS鈷HS50高速鋼刀具的性能特點(diǎn)

高速鋼(HSS)是一種加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩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。由于HSS刀具中鎢鈷等主要元素的資源緊缺，HSS在所有刀具中的比重逐漸下降，1994年已下降到45.1％，預(yù)計(jì)，今后高速鋼的使用比例還將逐漸減少。HSS刀具的其發(fā)展方向包括：發(fā)展各種少鎢的通用型高速鋼，擴(kuò)大使用各種無(wú)鈷、少鈷的高性能高速鋼，推廣使用粉末冶金高速鋼(PMHSS)和涂層高速鋼。高速鋼刀具的性能特點(diǎn)51（2）PMHSS

普通高速鋼和高性能高速鋼都是用熔煉方法制造的。熔煉高速鋼容易出現(xiàn)的嚴(yán)重問(wèn)題是碳化物偏析，碳化物在高速鋼中分布不均勻，且晶粒粗大，對(duì)高速鋼刀具的耐磨性、韌性及切削性能產(chǎn)生不利影響。PMHSS是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的，它是將高頻感應(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(guò)鍛造、軋制成刀具形狀。（2）PMHSS52（2）PMHSS

PMHSS具有以下優(yōu)點(diǎn)：PMHSS沒(méi)有碳化物偏析的缺陷，其碳化物晶粒細(xì)小均勻，達(dá)2-3m(一般熔煉鋼為8-20m)。其強(qiáng)度和韌性分別是熔煉鋼的2倍和2.5-3倍。在化學(xué)成分相同的情況下，與熔煉高速鋼相比，粉末冶金高速鋼的常溫硬度能提高1-1.5HRC，熱處理后硬度可達(dá)67-70HRC，600℃時(shí)的高溫硬度比熔煉鋼高2-3HRC。PMHSS的可磨削性能較好，PMHSS便于制造刃型復(fù)雜的刀具。PMHSS適合于制造鉆頭、拉刀、螺紋刀具、滾刀、插齒刀等復(fù)雜刀具。在復(fù)雜數(shù)控刀具領(lǐng)域PMHSS刀具將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展而占重要地位。

（2）PMHSS53十、切削刀具的發(fā)展展望目前國(guó)內(nèi)外用于切削加工刀具材料主要有：金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬質(zhì)合金、涂層刀具、高速鋼刀具等。它們各有優(yōu)勢(shì)，又彼此競(jìng)爭(zhēng)，適應(yīng)不同的工件材料和不同的切削速度范圍。從資源、價(jià)格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是其資源優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘沾傻毒叩闹饕煞衷谧匀唤缡怯弥唤?，因此，陶瓷刀具將?huì)得到更大的發(fā)展。對(duì)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。涂層刀具在數(shù)控加工領(lǐng)域有巨大潛力，預(yù)計(jì)今后涂層刀具的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

十、切削刀具的發(fā)展展望54十、切削刀具的發(fā)展展望PCD刀具將繼續(xù)在有色金屬及其合金、非金屬材料加工中占有重要地位；PCBN刀具將在黑色金屬及其合金加工中占有重要地位，其應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛；超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金和粉末高速鋼在小尺寸整體復(fù)雜刀具加工領(lǐng)域還將占主要地位；超強(qiáng)、超硬納米刀具是最誘人的切削刀具，加速研究發(fā)展，有可能在未來(lái)5－10年成為現(xiàn)實(shí)。十、切削刀具的發(fā)展展望55十、切削刀具的發(fā)展展望隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工程材料提出了愈來(lái)愈高的要求，輕質(zhì)強(qiáng)韌材料的使用日漸增多，各種新型航空航天材料、核能材料、復(fù)合材料、生物材料、功能材料、納米材料、稀土材料、先進(jìn)金屬或非金屬材料等的應(yīng)用日益廣泛，工件材料的品種成倍增長(zhǎng)。如一種或幾種材料對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)一把專(zhuān)用刀具，不但會(huì)造成刀具的設(shè)計(jì)、制造、管理和選用等許多麻煩問(wèn)題，而且各種制造、管理費(fèi)用也高。因此，開(kāi)發(fā)通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在多種條件下均能正常工作的刀具是刀具業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。十、切削刀具的發(fā)展展望56十、切削刀具的發(fā)展展望難加工材料的加工一直是切削加工中的難題，隨著制造業(yè)的發(fā)展，21世紀(jì)這些材料的用量將迅速增加，加工矛盾將更加突出。與此同時(shí)，新的工程材料也不斷問(wèn)世，而每一種新型材料的采用都對(duì)切削加工提出了新的要求。因此，切削刀具的發(fā)展應(yīng)能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要。十、切削刀具的發(fā)展展望57十、切削刀具的發(fā)展展望環(huán)境污染已成為全世界共同關(guān)注的焦點(diǎn)，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展是21世紀(jì)的必然趨勢(shì)。機(jī)械制造業(yè)作為國(guó)家的制造裝備部，每年都在消耗大量的能源和資源，對(duì)環(huán)境也造成了很大污染。目前，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已清醒的認(rèn)識(shí)到切削液對(duì)環(huán)境的危害，相繼制定出嚴(yán)格的工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步限制了切削液的使用。解決這一問(wèn)題的最有效途徑是采用少、無(wú)切削液的對(duì)環(huán)境友好的綠色干加工技術(shù)。因此，開(kāi)發(fā)各種無(wú)需切削液的干式切削刀具也是刀具發(fā)展的一個(gè)重要方向。開(kāi)發(fā)具有高溫自潤(rùn)滑功能的刀具進(jìn)行高速干切削是一種環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益俱佳的工藝選擇，具有廣闊應(yīng)用前景。十、切削刀具的發(fā)展展望58十、切削刀具的發(fā)展展望高速切削技術(shù)是切削技術(shù)發(fā)展的方向，其優(yōu)勢(shì)在于只需切一刀就可高速切除大量的多余材料而又達(dá)到很高的加工精度和表面質(zhì)量。而高速切削技術(shù)所依賴(lài)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是相應(yīng)的高速切削刀具。能適應(yīng)高速干切削的刀具材料將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。研發(fā)適應(yīng)硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。具有“三高”(即：高速、高精和高可靠性)性能刀具的研究開(kāi)發(fā)將是今后數(shù)控刀具研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。納米復(fù)合與涂層、梯度功能和多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制協(xié)同作用的刀具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)將是數(shù)控刀具研究發(fā)展的方向。十、切削刀具的發(fā)展展望59Thankyou!Thankyou!60先進(jìn)制造技術(shù)AdvancedManufacturingTechnology臨沂大學(xué)汽車(chē)學(xué)院趙琳先進(jìn)制造技術(shù)AdvancedManufacturingT61切削刀具材料的種類(lèi)切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史切削刀具應(yīng)具備的性能金剛石刀具立方氮化硼刀具涂層刀具陶瓷刀具1234567專(zhuān)題五

切削刀具的發(fā)展硬質(zhì)合金刀具8高速鋼刀具切削刀具的發(fā)展展望910切削刀具材料的種類(lèi)切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史切削刀具應(yīng)具備的性能金剛62一、切削刀具的種類(lèi)1.按刀具材料的成分可分為：金剛石刀具（Diamond）立方氮化硼刀具(CubicBornNitride)陶瓷刀具(CeramicTools)硬質(zhì)合金刀具（CementedCarbideTools）高速鋼刀具(HighSpeedSteel)碳素和合金工具鋼(AlloySteel)一、切削刀具的種類(lèi)1.按刀具材料的成分可分為：632.按加工方式可分為：車(chē)刀(TurningTools)孔加工刀具(DrillingTools)銑刀(MillingTools)齒輪刀具（GearCuttingTools）成型刀具(FormedTools）其它刀具(OtherTools)一、切削刀具的種類(lèi)2.按加工方式可分為：一、切削刀具的種類(lèi)64

3.按刀具結(jié)構(gòu)可分為：整體刀具焊接刀具可轉(zhuǎn)位刀具其他刀具一、切削刀具的種類(lèi)3.按刀具結(jié)構(gòu)可分為：一、切削刀具的種類(lèi)65二、切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)后期，碳素工具鋼刀具，耐熱溫度為200℃，切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽機(jī)氣缸孔和端面，需要大約1個(gè)月時(shí)間。1861年英國(guó)人首先制備出合金工具鋼刀具，耐熱溫度達(dá)到300℃左右，切削速度20m/min。

1898年美國(guó)人研制成功高速鋼刀具，耐熱溫度達(dá)到500℃左右，切削速度30-40m/min。

高速鋼刀具的出現(xiàn)，引起了金屬切削加工的第一次革命，新型高速機(jī)床隨之出現(xiàn)。二、切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)后期，碳素工具鋼刀具，耐熱溫度661925年德國(guó)人首先發(fā)明了硬質(zhì)合金刀具，耐熱溫度達(dá)到600-800℃左右，切削速度40-200m/min。硬質(zhì)合金刀具的出現(xiàn)，引起了金屬切削加工的又一次革命。20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)陶瓷刀具，但并未得到廣泛應(yīng)用，50年代以后，逐步發(fā)展，目前，耐熱溫度達(dá)到1100-1400℃，切削速度500-1000m/min。20世紀(jì)50年代美國(guó)GE公司首先合成人造金剛石和CBN，CBN硬度接近金剛石，耐熱溫度達(dá)到1400-1500℃。自20世紀(jì)70年代初美國(guó)GE公司研制成功聚晶金剛石(PCD)刀片，目前，在很多場(chǎng)合下已經(jīng)替代了天然金剛石。二、切削刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史1925年德國(guó)人首先發(fā)明了硬質(zhì)合金刀具，耐熱溫度達(dá)到600-67實(shí)例：加工直徑為100mm，長(zhǎng)度500mm的碳鋼棒。1890年，用碳素工具鋼刀具，需要100min。

1910年，用高速鋼刀具，需要26min?，F(xiàn)在，用硬質(zhì)合金刀具，需要1.5min。

現(xiàn)在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0min。實(shí)例：加工直徑為100mm，長(zhǎng)度500mm的碳鋼棒。68切削刀具的種類(lèi)按刀具材料的成分可分為金剛石刀具課件69硬度

硬度是材料抵抗外物刺入的一種能力。用硬度試驗(yàn)器來(lái)試驗(yàn)極為準(zhǔn)確，是現(xiàn)代試驗(yàn)硬度常用的方法。最常用的試驗(yàn)法有洛氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)利用鉆石沖入金屬的深度來(lái)測(cè)定金屬的硬度，沖入深度愈大，硬度愈小。

洛氏硬度，這是由洛克威爾在1921年提出來(lái)的，是使用洛氏硬度計(jì)所測(cè)定的金屬材料的硬度值。該值沒(méi)有單位，只用代號(hào)“HR”表示。洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C為三種不同的標(biāo)準(zhǔn)。稱(chēng)為標(biāo)尺A、標(biāo)尺B、標(biāo)尺C。

HRA是采用60Kg載荷和鉆石錐壓入器求的硬度，用于硬度極高的材料。例如：硬質(zhì)合金。

HRB是采用100Kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球求得的硬度，用于硬度較低的材料。例如：退火鋼、鑄鐵等。HRC是采用150Kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火鋼等硬度

硬度是材料抵抗外物刺入的一種能力。70

三、刀具材料必備的性能1．高的硬度和耐磨性刀具材料的硬度一般大于60HRC（一般應(yīng)大于工件材料的硬度）。刀具材料的耐磨性指抵抗磨損的能力，刀具的硬度越高、耐磨性一般越高。除硬度外，耐磨性還與材料的化學(xué)成分、強(qiáng)度、韌性及顯微組織等有關(guān)。2．足夠的強(qiáng)度和韌性切削過(guò)程中，刀具的切削部分承受很大的切削負(fù)荷，尤其在斷續(xù)切削過(guò)程中更要承受循環(huán)的熱及機(jī)械沖擊，刀具的常見(jiàn)損壞形式為破損如崩刃、斷裂等。刀具材料必須具備足夠的強(qiáng)度和韌性。

三、刀具材料必備的性能71三、刀具材料必備的性能3．高的熱穩(wěn)定性也稱(chēng)高的耐熱性，是衡量刀具材料切削性能的重要標(biāo)志，它指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的能力。除了高的熱穩(wěn)定性，刀具材料還應(yīng)具備良好的高溫抗氧化能力、抗擴(kuò)散性能。4．良好的熱物理特性及抗熱沖擊性能良好的導(dǎo)熱性，大的熱容量有利于切削熱的傳出、降低切削溫度；斷續(xù)切削時(shí)，刀具受到循環(huán)的熱沖擊，容易產(chǎn)生熱裂紋而斷裂，所以刀具材料應(yīng)具備優(yōu)良的抗熱沖擊性能；熱膨脹系數(shù)越小，則熱變形越小，有利于降低熱應(yīng)力。三、刀具材料必備的性能72三、刀具材料必備的性能5．良好的工藝性指良好的鍛造性能、機(jī)加工性能和熱處理性能，便于刀具的制造。6．經(jīng)濟(jì)性刀具材料的發(fā)展一定要將生產(chǎn)的實(shí)際需要與本國(guó)的自然資源的相結(jié)合，因地制宜。三、刀具材料必備的性能73四、金剛石刀具天然單晶金剛石刀具人造單晶金剛石刀具金剛石刀具單晶金剛石刀具多晶金剛石刀具PCD刀具CVD金剛石刀具CVD金剛石薄膜涂層刀具金剛石厚度膜焊接刀具四、金剛石刀具天然單晶金剛石刀具金剛石單晶金剛石刀具多晶金剛74極高的硬度和耐磨性：金剛石的顯微硬度達(dá)HV10000，是自然界最硬的物質(zhì)。具有極高的耐磨性，天然金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的80-120倍，人造金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的60-80倍。各向異性能：?jiǎn)尉Ы饎偸w不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微觀強(qiáng)度、研磨加工的難易程度以及與工件材料之間的摩擦系數(shù)等相差很大，因此，設(shè)計(jì)和制造單晶金剛石刀具時(shí)，必須正確選擇晶體方向。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)比其它刀具都低，約為硬質(zhì)合金刀具的一半，通常在0.1-0.3之間。摩擦系數(shù)低可減小切削溫度和切削力。(1)金剛石刀具的性能特點(diǎn)極高的硬度和耐磨性：金剛石的顯微硬度達(dá)HV10000，是自然75刀刃非常鋒利：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刀刃鈍園半徑可達(dá)納米，能進(jìn)行超薄切削和超精密加工。具有很高的導(dǎo)熱性能：金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5-9倍，為銅的2-6倍。由于導(dǎo)熱系數(shù)高，切削熱容易散出，切削溫度低。熱脹系數(shù)低：金剛石的熱脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10。因此，金剛石刀具不會(huì)產(chǎn)生很大的熱變形，這對(duì)尺寸精度要求很高的精密加工刀具來(lái)說(shuō)尤為重要。(1)

金剛石刀具的性能特點(diǎn)刀刃非常鋒利：金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，天然單晶金76（2）人造金剛石的制備工藝(a)人造單晶金剛石的制備(b)聚晶金剛石的制備石墨+觸媒劑金剛石單晶粉高溫高壓金剛石單晶粉+結(jié)合劑PCD聚晶高溫高壓（2）人造金剛石的制備工藝(a)人造單晶金剛石的制備石墨+77（3）聚晶金剛石(PCD)刀具PCD是通過(guò)金屬結(jié)合劑(如Co、Ni等)將金剛石微粉聚合而成的多晶體材料。金剛石廣泛應(yīng)用于切削加工還是PCD研制成功以后。PCD的硬度低于單晶金剛石，但PCD屬各向同性材料；PCD具有導(dǎo)電性，便于切割成型，成本遠(yuǎn)低于天然金剛石。PCD原料來(lái)源豐富，價(jià)格只有天然金剛石的十幾分之一，PCD應(yīng)用遠(yuǎn)比天然金剛石刀具廣泛。大多數(shù)PCD刀片都是與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成的復(fù)合刀片，即在硬質(zhì)合金的基體上燒結(jié)一層約0.7mm厚的PCD，這種刀片的強(qiáng)度和硬質(zhì)合金基本一致，硬度接近整體PCD，可焊性好，重磨容易，成本低。（3）聚晶金剛石(PCD)刀具78切削刀具的種類(lèi)按刀具材料的成分可分為金剛石刀具課件79聚晶金剛石復(fù)合刀片（硬質(zhì)合金基體）聚晶金剛石復(fù)合刀片（硬質(zhì)合金基體）80（7）金剛石刀具的應(yīng)用金剛石刀具主要用于加工有色金屬及其合金。其中80％以上的PCD刀具用于加工汽車(chē)和摩托車(chē)行業(yè)的硅鋁合金零部件，如：鋁合金活塞的裙部、銷(xiāo)孔、汽缸體、變速箱等。由于這些零件材料含硅量較高(12%以上)，且為大批量生產(chǎn)，對(duì)刀具的壽命要求較高，硬質(zhì)合金刀具難以勝任，而PCD刀具的壽命遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具，是硬質(zhì)合金刀具壽命的幾十甚至幾百倍。在加工硅含量較高的鋁合金時(shí)，除PCD刀具外，其它所有的刀具都在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損而不能繼續(xù)切削。PCD刀具還非常適合對(duì)難加工非金屬材料(如：木材、人造板材、強(qiáng)化復(fù)合地板、碳纖維增強(qiáng)塑料、石墨、陶瓷、石材等)進(jìn)行加工。采用單晶金剛石刀具，在超精密車(chē)床上可實(shí)現(xiàn)鏡面加工，目前，金剛石刀具可以實(shí)現(xiàn)切削厚度為納米級(jí)的連續(xù)穩(wěn)定切削。金剛石的熱穩(wěn)定性比較差，切削溫度達(dá)到800℃時(shí)，就會(huì)失去其硬度，金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類(lèi)材料，因?yàn)椋饎偸c鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親合力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。（7）金剛石刀具的應(yīng)用81（7）金剛石刀具的應(yīng)用PCD刀具應(yīng)用領(lǐng)域分布PCD木工刀具主要加工對(duì)象分布（7）金剛石刀具的應(yīng)用PCD刀具應(yīng)用領(lǐng)域分布PCD木工刀具主82五、立方氮化硼刀具整體焊接式PCBN刀具機(jī)夾焊接式PCBN刀具PCBN可轉(zhuǎn)位刀具PCBN焊接刀具PCBN刀具整體可轉(zhuǎn)位刀片一個(gè)面可轉(zhuǎn)位刀片單刃可轉(zhuǎn)位刀片五、立方氮化硼刀具整體焊接式機(jī)夾焊接式PCBN可轉(zhuǎn)位刀具P83(1)PCBN的性能特點(diǎn)高的硬度和耐磨性：PCBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，晶格常數(shù)相近，因此具有與金剛石相近的硬度。PCBN微粉的顯微硬度為HV8000～9000，其PCBN燒結(jié)體的硬度達(dá)到HV3000～5000。在切削耐磨材料時(shí)其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的50倍，為涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍。PCBN特別適合于加工從前只能磨削的高硬度材料，實(shí)現(xiàn)“以車(chē)代磨”。具有很高的熱穩(wěn)定性：PCBN的耐熱性可達(dá)1400～1500℃，比金剛石的耐熱性(700-800℃)幾乎高一倍，因此PCBN刀具可用比硬質(zhì)合金刀具高3～5倍的速度高速切削淬硬鋼。(1)PCBN的性能特點(diǎn)84(1)PCBN的性能特點(diǎn)優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性：PCBN的化學(xué)惰性大，與鐵系材料到1200-1300℃時(shí)也不起化學(xué)作用，與碳只是在2000℃時(shí)才起反應(yīng)。PCBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。因此，PCBN刀具廣泛應(yīng)用于高速或超高速的切削。具有較好的導(dǎo)熱性：PCBN的導(dǎo)熱性雖然趕不上金剛石，但是在各類(lèi)刀具材料中PCBN的導(dǎo)熱性?xún)H次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是紫銅的3.2倍，是硬質(zhì)合金的20倍。具有較低的摩擦系數(shù)：PCBN與不同材料間的摩擦系數(shù)約為0.1～0.3，比硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)(0.4-0.6)小得多。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。(1)PCBN的性能特點(diǎn)85(2)PCBN刀具的應(yīng)用PCBN刀具非常適合于干式切削、硬態(tài)和高速切削加工工藝，特別適合數(shù)控設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線的使用。PCBN刀具適合加工的工件材料有：(1)硬度在HRC45以上的淬硬鋼和耐磨鑄鐵(如：淬硬鋼HRC45-65、軸承鋼HRC60-62、高速鋼HRC＞62、工具鋼HRC57-60、冷硬鑄鐵等)；

(2)

HRC35以上的耐熱合金(高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金等)；

(3)

HRC30以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。被加工材料的硬度越高越能體現(xiàn)PCBN刀具的優(yōu)越性。(2)PCBN刀具的應(yīng)用86(2)PCBN刀具的應(yīng)用PCBN刀具進(jìn)行硬態(tài)切削時(shí)，可以車(chē)、鏜、銑等替代磨削加工工藝，是實(shí)現(xiàn)“以車(chē)代磨”的最佳刀具。據(jù)報(bào)道日本PCBN刀具的應(yīng)用有55%是替代原來(lái)的磨削。PCBN還是實(shí)現(xiàn)高速或干式切削的最佳刀具之一。尤其在加工灰鑄鐵高速干切削領(lǐng)域。目前，PCBN刀具已用于車(chē)刀、鏜刀、銑刀等，在汽車(chē)制造業(yè)、自動(dòng)化生產(chǎn)線等方面PCBN刀具的使用量已達(dá)到了相當(dāng)?shù)谋壤龘?jù)。如：加工汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、剎車(chē)盤(pán)、傳動(dòng)軸、氣缸孔、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出氣閥座等；(2)PCBN刀具的應(yīng)用87(3)PCBN刀具的應(yīng)用PCBN刀具應(yīng)用領(lǐng)域分布(3)PCBN刀具的應(yīng)用PCBN刀具應(yīng)用領(lǐng)域分布88六、涂層刀具單涂層多涂層(帶中間過(guò)渡層)厚度:(0.5～50m)厚度:(0.5～10m)多涂層(納米結(jié)構(gòu))梯度涂層厚度:(～100nm)超硬涂層硬和軟復(fù)合涂層(CVD－DP/BN)(MoS2,WC/C,石墨等)六、涂層刀具單涂層89涂層硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)1500倍a)單涂層b)多涂層涂層硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)1500倍90（1）涂層刀具的性能特點(diǎn)涂層可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是“硬”涂層，如：TiC、TiN、A12O3涂層。硬涂層的主要優(yōu)點(diǎn)是硬度高、耐磨性能好。另一類(lèi)是“軟”涂層，如MoS2、WS2等。這種涂層也稱(chēng)為自潤(rùn)滑涂層，其表面摩擦系數(shù)低，可以減小摩擦。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(lái)，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)。與未涂層刀具相比，涂層刀具的切削速度可提高2倍以上，刀具壽命可提高2-5倍。（1）涂層刀具的性能特點(diǎn)91（1）涂層刀具的性能特點(diǎn)涂層硬質(zhì)合金一般采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，沉積溫度在1000℃左右。對(duì)于精密、形狀復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不可重磨的高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法(PVD)，沉積溫度在500℃左右。刀具壽命與涂層厚度有關(guān)。涂層太厚時(shí)易引起剝離；涂層太薄時(shí)，則耐磨性能差，涂層不能有效的保護(hù)基體。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(zhǎng)、刀具成本相對(duì)較高。主要用于剛性高的數(shù)控機(jī)床。（1）涂層刀具的性能特點(diǎn)92（2）涂層刀具的應(yīng)用自20世紀(jì)70年代以來(lái)，刀具涂層技術(shù)取得了飛速發(fā)展，涂層工藝越來(lái)越成熟。在日本的硬質(zhì)合金和陶瓷刀片總產(chǎn)量中，涂層刀片占41％。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家使用的涂層刀片占可轉(zhuǎn)位刀片的比例已由1978年的26％，增加到1985年的50-60％。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。美國(guó)數(shù)控機(jī)床上使用涂層硬質(zhì)合金刀片比例為80％。瑞典和德國(guó)車(chē)削用涂層刀片已占70％以上。前蘇聯(lián)1981-1985年期間，刀具產(chǎn)量增加16％，硬質(zhì)合金刀具增加了29％，而涂層刀具則增加了5倍。（2）涂層刀具的應(yīng)用93（2）涂層刀具的應(yīng)用涂層刀具通用性廣，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，因而可以大大減少刀具的品種和庫(kù)存量，簡(jiǎn)化刀具管理，降低刀具和設(shè)備成本。不同涂層材料的刀具，切削性能不一樣。低速切削時(shí)，TiC涂層占有優(yōu)勢(shì)；高速切削時(shí)，TiN較合適；HfN和Al2O3涂層的熱化學(xué)穩(wěn)定性比TiN更高，適合于在更高的切削速度下工作。涂層刀具將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中的最重要刀具品種，預(yù)計(jì)涂層刀具所占的比例可能達(dá)到80%以上。（2）涂層刀具的應(yīng)用94七、陶瓷刀具粘結(jié)相Mo,Ni,Co氧化物Al2O3,ZrO2碳化物TiC,SiC氮化物Si3N4,BN,TiN硼化物TiB2，ZrB2七、陶瓷刀具粘結(jié)相氧化物碳化物氮化物硼化物95（1）陶瓷刀具的性能特點(diǎn)硬度高、耐磨性：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HRA93-95。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬質(zhì)合金刀具高3-10倍。陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工的高硬材料，實(shí)現(xiàn)“以車(chē)代磨”，陶瓷刀具適合于高速切削和硬切削。耐溫性、耐熱性：陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能進(jìn)行切削，具有很好的高溫力學(xué)性能，在1200℃時(shí)的硬度仍達(dá)到HRA80。隨溫度的升高，陶瓷刀具的高溫力學(xué)性能降低很慢。Al2O3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。（1）陶瓷刀具的性能特點(diǎn)96化學(xué)穩(wěn)定性：陶瓷刀具不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，且耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好，可減小刀具的粘結(jié)磨損摩擦系數(shù)：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，加工表面質(zhì)量好原料豐富：硬質(zhì)合金中所含的鎢和鈷等資源缺乏，價(jià)格昂貴，而陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化鋁、氧化硅、碳化物等是地殼中最豐富的元素，是取之不盡，用之不竭的，對(duì)發(fā)展陶瓷刀具材料十分有利。因此，開(kāi)發(fā)和使用陶瓷刀具，對(duì)節(jié)省戰(zhàn)略性貴重金屬具有十分重要的意義（1）陶瓷刀具的性能特點(diǎn)化學(xué)穩(wěn)定性：陶瓷刀具不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，且耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性97（2）陶瓷刀具的主要成分氧化物：A12O3、ZrO2、SiO2、MgO、Y2O3、TiO2等碳化物：TiC、SiC、WC、HfC、NbC、TaC、B4C等氮化物：TiN、Si3N4、BN、A1N、TaN、ZrN、HfN等硼化物：TiB2、ZrB2、NbB2、HfB、WB2等（2）陶瓷刀具的主要成分98（3）陶瓷刀具的制備工藝原料處理混料球磨干燥過(guò)篩處理燒結(jié)成型處理加工檢驗(yàn)處理（3）陶瓷刀具的制備工藝99熱壓燒結(jié)爐熱壓燒結(jié)爐100陶瓷刀片陶瓷刀片101（4）陶瓷刀具的增韌補(bǔ)強(qiáng)缺點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性低，抗機(jī)械和熱沖擊能力差。解決辦法：原材料高純化粉末微細(xì)化(目前可達(dá)到納米級(jí))采用增韌補(bǔ)強(qiáng)(如：顆粒增韌、晶須增韌、相變?cè)鲰g、協(xié)同增韌等)新型燒結(jié)工藝(如熱等靜壓等)復(fù)合化梯度化（4）陶瓷刀具的增韌補(bǔ)強(qiáng)102（5）新型陶瓷刀具干切削實(shí)例（5）新型陶瓷刀具干切削實(shí)例103（6）新型陶瓷刀具硬切削實(shí)例（6）新型陶瓷刀具硬切削實(shí)例104八、硬質(zhì)合金刀具強(qiáng)韌TiC基刀具TiC基刀具TiN基刀具TiCN基刀具鎢鈷鈦類(lèi)鎢鈷類(lèi)添加稀有碳化物類(lèi)硬質(zhì)合金刀具碳(氮)化鈦基硬質(zhì)合金刀具碳化鎢基硬質(zhì)合金刀具八、硬質(zhì)合金刀具強(qiáng)韌TiCTiC基刀具TiN基刀具TiCN105硬質(zhì)合金的制造混料、球磨（使均勻）壓制成型硬質(zhì)合金的制造混料、球磨（使均勻）壓制成型106硬質(zhì)合金的制造不同模具壓制的制品燒結(jié)爐硬質(zhì)合金的制造不同模具壓制的制品燒結(jié)爐107硬質(zhì)合金的特點(diǎn)硬質(zhì)合金是由高硬、難熔的金屬碳化物如：WC、TiC、TaC、NbC等和金屬粘結(jié)劑如：Co、Ni等經(jīng)粉末冶金法制成的。特點(diǎn)：硬度高（89—93HRA）、耐磨性好（耐用度可提高幾倍到幾十倍，在耐用度相同時(shí)切削速度可提高4—10倍）；耐熱性高（在800—1000℃時(shí)仍可切削）；抗彎強(qiáng)度低（0.9～1.5GPa）；斷裂韌性低。因此承受切削振動(dòng)和沖擊負(fù)荷能力差。當(dāng)硬質(zhì)合金碳化物含量高，其硬度、耐熱性和耐磨性增加，強(qiáng)度、韌性降低；粘結(jié)劑增加，其性能相反變化。碳化物（也叫硬質(zhì)相）顆粒越小、分布越均勻，耐磨性越好、硬度增加，但強(qiáng)度減小。硬質(zhì)合金的特點(diǎn)108硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)a)細(xì)晶粒b)粗晶粒YG10硬質(zhì)合金（1500倍）硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)a)細(xì)晶粒109九、高速鋼刀具鎢鉬鋼鎢鋼高釩HSS刀具高碳HSS刀具鋁HSS刀具鈷HSS刀具高速鋼刀具高性能高速鋼刀具通用型高速鋼刀具九、高速鋼刀具鎢鉬鋼鎢鋼高釩HSS高碳HSS鋁HSS鈷HS110高速鋼刀具的性能特點(diǎn)

高速鋼(HSS)是一種加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金