數控加工刀（dāo）具材料的種類、性能（néng）、特點、應用（yòng）

01

刀具材料應具有基本的性能。

刀具的選擇對刀具壽命、加工（gōng）效率、加工質量和加工成（chéng）本有很大的影響。刀具承受高壓、高溫、摩擦、衝擊（jī）和振動。因此，刀具材料應具有以下基（jī）本性能（néng）:

(1)硬度和耐磨性（xìng）。刀具材料的硬度必須高（gāo）於工件材料的硬度，一般要（yào）求（qiú）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（xìng），以承受切削力、衝擊和振動，防止刀具脆斷和崩刃。

(3)耐（nài）熱性。該（gāi）刀具材（cái）料耐熱性好，切削溫度高，抗氧化（huà）性好。

(4)工藝性能和經濟性。材料應具有良好的鍛（duàn）造（zào）性能、熱處（chù）理性能和焊接性能（néng）；研磨性能等。，追求（qiú）高性價比。

02

刀具的類型、性能（néng）、特點和應用

1.金剛石刀具材料

鑽石是碳的同素異形體，碳是自然（rán）界中發現（xiàn）的（de）最堅硬的材料。金（jīn）剛石工具具有高硬度、高（gāo）耐磨性和高導熱性，廣泛應（yīng）用（yòng）於有色金屬和非金屬材料的加工。特別是在鋁和矽鋁（lǚ）合金的高速切削（xuē）中（zhōng），金剛石刀具是難（nán）以替代的主要（yào）切削刀具。金剛石刀（dāo）具可以實現高效率、高穩定性和長壽命的加工，是現代數控加工中不可缺少的工具。

(1)金剛石刀具的類型

①天然金剛石工具:天（tiān）然金（jīn）剛石作為切割工具已有數百年的曆史（shǐ）。天然單晶金剛石刀具經過精磨後，刃口可以極其鋒（fēng）利，刃口半徑可以達（dá）到0.002μm m，可以實現超薄切削，可以（yǐ）加工極高的（de）工件（jiàn）精（jīng）度和極低的表麵粗糙度。是公（gōng）認的、理想的、不可替代的超精密加工工具。

② PCD金（jīn）剛石工（gōng）具:天然金剛石價格昂貴，聚晶金剛石(PCD)在切割中應用廣泛。自20世紀70年代初（chū），高溫高壓合成技術製備的（de）聚晶金剛石(簡稱（chēng）PCD刀片)問世後，天然金剛（gāng）石（shí）工具在許多（duō）場合（hé）被人（rén）造聚（jù）晶金剛石所取代。PCD原料豐富，價格僅為天然鑽石的十分之一到十分之一（yī）。PCD工具不能磨削極其鋒利的邊緣，加工出來的工件表麵質量不如天然金剛石。目前（qián），具有斷屑槽（cáo）的PCD刀片在工業上不容易製造。所以PCD隻能用於有色（sè）金屬和非金屬的精（jīng）細切割，很難實（shí）現超精密鏡麵切割。

③ CVD金剛石工具:CVD金剛石技（jì）術於70年（nián）代末至80年代初出現在日本（běn）。CVD金剛石是指在異質基底(如硬質合金、陶（táo）瓷等)上合成金剛石薄膜。)通過化（huà）學氣相沉積(CVD)。CVD金剛石具有與天然金剛（gāng）石相同的結構和特（tè）性。與（yǔ）天然金剛（gāng）石相比，CVD金（jīn）剛石的性能（néng）非常接近，兼具天然單晶金剛石和聚晶金剛（gāng）石(PCD)的優點，但在一定程度（dù）上克服了它們的缺點。

⑵金剛石工具的性能特點

①極高的硬（yìng）度和耐磨性:天然鑽石是自然（rán）界中發現的最堅硬的物（wù）質。金剛石具有極高的耐（nài）磨性。加工高硬度材料時，金剛石刀具的壽命是硬質合金刀具的（de）100 ~ 100倍，甚至高達上（shàng）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（yú）其他刀具，摩擦係數低（dī），加工時（shí）變（biàn）形小，可降低切削力。

③刃口非常鋒（fēng）利:金剛（gāng）石刀具的刃（rèn）口可以磨得（dé）非常鋒利，天然單（dān）晶金剛石刀具可以高達0.002 ~ 0.008微米，可用於超薄切（qiē）削和超精密加工。

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

⑤熱膨脹係數低:金（jīn）剛石的熱（rè）膨脹係（xì）數比硬質合金小幾倍，切削熱（rè）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工尤為（wéi）重要。

⑵金剛石工具的應用

金剛石工具主要用於有（yǒu）色金屬和非金屬材（cái）料的高（gāo）速精密（mì）切（qiē）削和鑽孔。適用於加工各種耐磨非金屬，如玻璃鋼（gāng）粉末冶金坯料、陶瓷材料等。各種耐磨有色金屬（shǔ），如各種（zhǒng）矽鋁合金；各種有色金屬精加工。

金剛石工具的缺點是熱穩定性差。當切削溫度超過700℃ ~ 800℃時，它們的硬度將完全喪失。另外也不（bú）適（shì）合切削黑色金屬，因為（wéi）金剛石(碳)在高溫下容易與鐵原子發生反應，使碳原子轉化為（wéi）石墨結構，刀具容易損壞。

2.立方氮（dàn）化硼刀具材料

立方氮化硼(CBN)是采用類似（sì）金剛石製造方法合成的第二種超硬材（cái）料，其硬度和熱導（dǎo）率僅次於金剛石，具有優異的熱穩定性。在空氣中加熱（rè）到1000℃時不會被氧化。CBN對黑色金屬具有極其（qí）穩定的化學性質，可廣泛用於鋼鐵產品的加工。

(1)立方氮（dàn）化硼工具的種類

立方氮化硼(CBN)是一種自然界不存在的物質。可分為單晶和多晶，即（jí）單晶CBN和多晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素異形體之（zhī）一，其結構（gòu）類似於金剛石。

PCBN(多晶（jīng）立（lì）方氮化硼)是一（yī）種多晶材料（liào），其中細小（xiǎo）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（shì）目前（qián）人工合成的硬度僅次於金剛石的工具材料，它和金剛石合稱為超硬工具材料。PCBN主要用於製造刀具或其（qí）他工具。

PCBN刀（dāo）具可分（fèn）為整體PCBN刀片和燒（shāo）結硬質合金PCBN複合刀片。

PCBN複合（hé）刀片是在具有良好強度和韌性的硬質合金（jīn）上燒（shāo）結一層0.5 ~ 1.0毫米厚的（de）PCBN製成的。其性能具有良好的韌性、高硬度和耐磨性，解決了CBN刀片抗彎強（qiáng）度低（dī）、焊接困難的問題（tí）。

⑵立（lì）方氮（dàn）化硼的主（zhǔ）要性能（néng）和特點

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

①硬度高，耐磨（mó）:CBN晶體結構與金剛石相似，硬（yìng）度和強度與（yǔ）金剛石相近。PCBN特別適合（hé）加工以前隻能磨（mó）削的高硬（yìng）度材料，能獲得較好的工件表麵質量。

②熱穩（wěn）定性高:CBN的耐（nài）熱性（xìng）可達1400 ~ 1500℃，幾乎是金剛石(700 ~ 800℃)的l倍。PCBN刀具能以比（bǐ）硬質合金刀具高3 ~ 5倍（bèi）的速度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（jī）材料發生化學（xué）反應，不會像金剛石那樣急劇磨損。此時仍能保（bǎo）持硬質合金的硬度；PCBN刀具適用於切削淬硬鋼零件和冷硬（yìng）鑄鐵（tiě），可廣泛應用於鑄鐵的高速切（qiē）削（xuē）。

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

⑤低摩擦係數:低摩擦係數可以降低切削力，降低切削溫度，提高加工表（biǎo）麵質量。

⑵立方氮化硼刀具的應用

立方氮化硼適用於（yú）加工各種難加工（gōng）材料，如淬（cuì）火鋼、硬（yìng）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)，表麵粗糙度可小（xiǎo）至Ra1.25~0.20μm。

立方氮化（huà）硼刀具材料的韌性和（hé）抗彎強度較差。因（yīn）此，立（lì）方（fāng）氮化硼車刀不適合低速大衝擊載荷的粗加工；同時不適合切割塑性（xìng）較高（gāo）的材料(如鋁合金、銅合金、鎳基合金、塑性較高的（de）鋼等)。)，因為切削這些（xiē）金屬時（shí），會（huì）出現嚴重的切屑結塊，使加工表（biǎo）麵惡（è）化。

3.陶瓷刀具材（cái）料

陶瓷刀具具有硬度高（gāo）、耐磨性好、耐熱性（xìng）和化學（xué）穩定性優（yōu）異、不易（yì）與金屬粘結等特點。陶瓷刀具在數控加工中起著非常重要的作用。陶瓷刀具已（yǐ）成為高速切削和難加工材料加工的主要工具之一。陶瓷刀具廣泛應用於高速切削、幹切削、硬切削和難加工材料的切削。陶瓷（cí）刀具可以高效加工傳統刀具根本無法加工（gōng）的高硬度材料，實現“以車（chē）代磨”；陶瓷刀具的最佳切（qiē）削速（sù）度可以（yǐ）比（bǐ）硬質合金刀具（jù）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原（yuán）料是（shì）地殼中最豐富的元素。因（yīn）此，陶瓷刀具的推廣應用對提高生產率、降低加工成本（běn）、節約戰略貴金屬具有重要意義，也將極大（dà）地推動切削技術的進步。

(1)陶瓷刀具材料的（de）種類

陶瓷（cí）刀具材料一（yī）般可分為三類:氧化鋁基陶瓷（cí）、氮化矽基陶瓷（cí）和氮化矽-氧化鋁基複合陶瓷。其中，氧化鋁基和氮化矽（guī）基陶瓷刀具材料應用最為廣泛。氮化矽基陶瓷的性能優於氧化鋁基（jī）陶瓷（cí）。

⑵陶（táo）瓷刀具的（de）性能和特點

①硬度高，耐磨性好:陶瓷刀（dāo）具的硬度雖（suī）然沒（méi）有PCD和PCBN高，但比硬（yìng）質合金和高速鋼刀具高得多，達到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工傳統（tǒng）刀具難以（yǐ）加工的高硬度材料，適用於高速（sù）切削和硬（yìng）切削。

②耐（nài）高溫，耐（nài）熱性好:陶瓷刀具在1200℃以上的高（gāo）溫下仍能切削。陶瓷刀具具有良好的高溫力學性能（néng），A12O3陶瓷刀具具有優（yōu）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，陶瓷刀具可以實現幹切削，從而節省切削液（yè）。

③化學穩（wěn）定（dìng）性好:陶瓷刀具不易與金屬粘結，具有良好的耐腐蝕性和（hé）化學穩定性，可減少刀具（jù）的粘結磨損。

④摩擦係數低（dī）:陶瓷刀具與金屬的親和力（lì）小，摩擦係數低，可降低切削力和切削溫度。

⑵陶（táo）瓷刀有用途。

陶瓷是主要（yào）用於高速精加工和半（bàn）精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具適用於切削各（gè）種鑄鐵(灰鑄（zhù）鐵、球墨鑄（zhù）鐵、可鍛鑄鐵、冷（lěng）硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵)和鋼(碳素結構鋼、合（hé）金結構鋼、高強度鋼、高錳鋼、淬火鋼等)。)，也可用於切割銅合金（jīn）、石墨、工（gōng）程塑料和複合材料。

陶瓷刀具的性能存在一些問題，如抗彎強度低、衝擊（jī）韌性（xìng）差，不適合在低速（sù）和衝（chōng）擊載荷下切削。

4.塗（tú）層工具材（cái）料

刀具塗（tú）層是提高（gāo）刀具性（xìng）能的重要途徑之一。塗層（céng）刀具（jù）的出現（xiàn）使刀具的切削性能有了很大的突破。塗層刀具是在韌性好刀具本體上塗覆一層或多層耐磨性好的（de）耐（nài）火（huǒ）化合物，使刀具基體與硬質塗層相結合，從而大（dà）大提高刀具性能。塗層刀具可以提高加工效率、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。塗層刀具將是未來數（shù）控加工領域（yù）最重要的刀具品種。

(1)塗層工具的類型

根據塗層方法的不同（tóng），塗層工具可分為化（huà）學氣相沉積(CVD)塗層工具和物理氣相（xiàng）沉積(PVD)塗層工具。塗層硬質合金刀具常用化學氣相沉積法，沉積溫度在1000℃左右。塗層高（gāo）速鋼刀具一般（bān）采用物理氣相沉積，沉積溫度在500℃左右。

根據塗層刀具基體材料的不同，塗層刀（dāo）具可分為硬質合金塗層刀具、高速鋼塗層刀具以及陶瓷和超硬（yìng）材料（liào）(金剛石和立方氮（dàn）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”塗層工具（jù）的主要目標是高硬度和耐磨性，其主（zhǔ）要優點是高硬度和良好的耐磨性，典型的是TiC和TiN塗層。“軟”塗（tú）層工具的目標是低摩擦（cā）係數（shù），也稱為自潤滑工具（jù）。其（qí）與工（gōng）件材（cái）料的摩擦係（xì）數僅為0.1左右，可降低附著力（lì）、摩擦力、切削力和切削溫度。

最近，已經開發了（le）納米塗層工具。這（zhè）種（zhǒng）塗（tú）層刀具可以采用各種塗層材料的不同組合(如（rú）金屬（shǔ）/金屬、金屬/陶瓷、陶瓷/陶（táo）瓷等。)以滿足（zú）不同的功能和性能要求。納米塗層的合理設計可以使刀具材料具有優異的減摩、耐磨和自（zì）潤滑（huá）性能，適用於高（gāo）速幹切削。

⑵塗層刀具的（de）特點

①良好（hǎo）的（de）力學和切削性能:塗層刀具結合了基（jī）體（tǐ）材料和（hé）塗層材料的優良性能，既保持了基（jī）體材料的良好（hǎo）韌性和高強度，又（yòu）具有塗（tú）層的（de）高硬度、高耐磨性和低摩擦係數。因此，塗層刀具的切削速度可以比無塗（tú）層刀具提（tí）高2倍以上，並且允許更高的進給速度。塗（tú）覆工具的壽命也提高了。

②通用性強（qiáng）:塗層刀具通用性廣，加工範圍顯著（zhe）擴大。可以用一個塗層工具代替幾個非塗層工具（jù）。

③塗層（céng）厚度:隨著塗層厚度的增加，刀具壽命會增加（jiā），但當塗層厚度達到飽和時，刀具壽命不會明顯（xiǎn）增加。塗層過厚，容易造成起皮；當塗層太薄時，耐磨性差。

④複磨性:塗層葉片（piàn）複磨性（xìng）差，塗層設備複雜，工藝要求高，塗層時間長。

⑤塗層材料:不同塗層材（cái）料的刀具切削性能不同。比如低速切削時TiC塗層占優勢；錫適合高（gāo）速切削。

⑵塗層工具的應用

塗層刀具在數控加工領域有著巨大（dà）的潛力，將是未來數控加工領域最重要的刀具（jù）品種。塗層技術（shù）已應用於立銑刀、鉸刀、鑽頭、複合孔加工刀具、齒輪滾刀、插齒（chǐ）刀、剃齒刀、成（chéng）形拉刀和（hé）各種可轉位刀片，滿足了各（gè）種鋼、鑄鐵、耐熱合金和有（yǒu）色（sè）金屬的高速（sù）切削（xuē）需要。

5.硬質合金刀具材料

硬質（zhì）合金刀具，尤其是可轉（zhuǎn）位硬質合（hé）金刀具，是數控加工（gōng）刀具的主導產品。20世（shì）紀（jì）80年代以來，各種整體式、可轉位硬質合金刀（dāo）具或刀片擴展到各種切削刀具，其中可轉位硬質（zhì）合金刀具從簡單（dān）的車刀、麵銑刀擴展到各種精密、複雜、異形刀（dāo）具。

(1)硬質合金刀具的種類

根據主要化學成（chéng）分，硬質合金可分為WC基硬質合金和（hé）TiC(N)基硬質合金。

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

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

ISO(國際標準化組織)將切削硬質合金分為三類（lèi）:

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

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

M級，包括M10~M40，相當（dāng）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（xì）列合金，編號在（zài）01到50之間。

⑵硬質合金刀具的性能特點

①高硬度:硬（yìng）質合（hé）金刀具（jù）是（shì）由高硬度、高熔點的碳化物(稱為（wéi）硬質（zhì）相)和金屬粘結劑(稱為粘結相)用（yòng）粉末冶金方法製成的。其硬度達到（dào）89 ~ 93 HRA，遠高於高速鋼。在5400C時，硬度（dù）仍可（kě）達到82 ~ 87 HRA，與室（shì）溫高（gāo）速鋼相同(83 ~ 86 HRA)。硬質合（hé）金的硬度隨碳化物的性質、數量、粒度（dù）和金屬粘結相的含量而變化，一般隨（suí）粘結金屬（shǔ）相含量的增加而降低。當粘結相含量相同時，YT合金的硬度高於YG合金，含TaC(NbC)的合金具有更高的（de）高溫硬度。

②抗彎強度和韌性:普通硬質合金的抗彎強度在900~1500MPa範圍內。金屬粘（zhān）結相含量越高，抗（kàng）彎強度（dù）越（yuè）高（gāo）。當粘結（jié）劑含量相（xiàng）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，室溫衝擊韌性隻有高速鋼的1/30 ~ 1/8。

⑵常用硬質合（hé）金刀具的應用

YG合金主要用於加工鑄鐵、有色（sè）金屬和非金（jīn）屬（shǔ）材料。細（xì）晶粒硬質合金(如YG3X、YG6X)在鈷含量相同的情（qíng）況下（xià），比中晶粒硬質合金（jīn）具有更（gèng）高的硬度和耐磨性。適用於加工一些（xiē）特殊的硬鑄鐵、奧氏體不鏽鋼、耐熱合金、鈦合（hé）金（jīn）、硬青銅和耐磨絕（jué）緣材料。

YT硬質合金的突出優點是硬度高、耐熱性好，比（bǐ）YG硬質（zhì）合金具（jù）有更高的高溫硬（yìng）度和抗壓強度，以（yǐ）及（jí）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，不適用於鈦合金和（hé）矽（guī）鋁合金。

YW合金兼有YG和釔合金的性能（néng），具有良好的綜合（hé）性（xìng）能。它們可用於加工鋼、鑄鐵和有色金屬。如（rú）果適當增加鈷含量（liàng），這種合金的強度可以（yǐ）很高，可用於各種難加工材料的（de）粗加工和（hé）斷續切削。

6.高（gāo）速鋼刀具

高速鋼是一種（zhǒng）含W、Mo、Cr、v等合金元素（sù）較多的高合金工具鋼，高速鋼工具在（zài）強度、韌（rèn）性和工藝性等方麵具有優異的綜合性能。在複雜刀具中，高速鋼仍占主要地位，特別是在一些複雜刀具的製造（zào）中，如孔（kǒng）加工刀（dāo）具、銑刀、螺紋刀具、拉刀和（hé）齒輪刀具。高速鋼工具很容易磨出鋒利的刀刃。

根據用途不同，高速鋼可分（fèn）為通用高速鋼和高（gāo）性能高（gāo）速鋼（gāng）。

(1)萬能高速鋼刀具

通用（yòng）高速鋼。一般可（kě）分為鎢鋼和鎢鉬鋼。這種高速鋼含有0.7% ~ 0.9%的添加劑（jì）(C)。按鋼中鎢（wū）的（de）含量可分為含12%或18% W的（de）鎢鋼、含6%或8% W的（de）鎢鉬鋼、含2% W或不（bú）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（rèn）性高，塑性和（hé）加工工藝性好，因此廣泛用於製造各種複雜的刀具。

①鎢鋼:通用高速鋼鎢鋼的（de）典型品牌為W18Cr4V(簡稱W18)，綜合性能良好。其600℃高溫硬度為48.5HRC，可用於（yú）製造各種複雜工具。具有易磨性好，脫碳敏感性（xìng）低的（de）優（yōu）點，但由於碳化物含量高，分布不均勻（yún），顆粒大，強度和韌性低。

②鎢鉬鋼:指（zhǐ）用鉬代替鎢鋼中的一部分鎢而得到的（de）一種高速鋼。鉬鋼的典型品牌是W6Mo5Cr4V2(簡稱M2)。M2碳化物（wù）顆粒細小均勻，其強度、韌性和高溫塑性均優於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（hé）韌性比W6M05Cr4V2好，切削性能好。