刀具材料的发展、主要牌号及用途

国际化 · 发表于 2007-11-10 23:07:27

目前21世纪刀具材料的发展呈现出以下特点：
1.硬质合金刀具必将替代高速钢刀具。
2.涂层刀具的应用越来越普遍，其中PVD涂层刀具增幅最大。
3.PCD、PCBN和金刚石涂层刀具增长迅速。
对用于金属切削的刀具材料，一般有硬度、强度、红硬性、导热性等指要求，其中硬度和强度是一对极其重要的指标。理想的刀具材料当然是硬度、强度兼备。这是我们机械刀具界发展的目标。
不同切削材料的对比
材料的分类
主要牌号及用途:
YBC151: 高耐磨性的基体与MT-TiCN、厚Al2O3、TiN涂层的组合；是钢、铸钢和不锈钢材料精加工在高速切削条件下的理想牌号。
YBC251: 具有特殊强度与韧性刀刃的基体与MT-TiCN、厚Al2O3、TiN涂层的极佳组合，是钢材加工的通用牌号，适应于钢、铸钢和不锈钢的半精加工、精加工等。
YBC351: 高强度与抗塑性变形基体与MT-TiCN、厚Al2O3、TiN涂层的结合，具有好的韧性及抗塑性变形；适用于钢、铸钢、不锈钢的轻型粗加工与粗加工。
YBM151: 特殊组织结构基体与TiCN、薄Al2O3、TiN涂层结合，具有良好的抗扩散磨损性及抵抗塑性变形能力，适宜于在切削条件较好情况下进行不锈钢的精加工及半精加工。
YBM251: 韧性和强度好的基体与TiCN、薄Al2O3、TiN涂层结合，优先选用于不锈钢的半精加工、轻型粗加工（车削和镗削），可在连续切削与断续切削条件下使用。
YBM351: TiAlN和TiN的PVD涂层合金，有极好的切削强度与抗冲击性能及非常好的耐磨性，适用于车加工和镗加工不锈钢及在P30范围内材料的低速重负荷粗加工。
YBD051: CVD涂层，基体能承受高温而不发生塑性变形。适用于球墨铸铁、高强度可锻铸铁和灰口铸铁的精加工到半精加工。
YBD151: 高耐磨性基体与MT-Ti(CN)、厚Al2O3、TiN 涂层的极佳组合，是球墨铸铁与灰口铸铁加工的首选牌号，允许有较高的切削速度。
YBM252: TiAlN和TiN的PVD涂层合金，具有良好的韧性与耐磨性，适用于精车、镗加工和轻型铣削不锈钢及钻加工铸铁、不锈钢和合金铸铁，也可用于中、低速切断与切槽低碳钢。
YBG201: TiN的PVD涂层合金，具有良好的韧性和耐磨性，是高质量的螺纹加工低碳钢、不锈钢和铸铁的专用牌号，也用于钻加工（用周边和中心部位都参与切削的刀片）。
YB235: 韧性非常好的基体，与TiN、TiCN 涂层相结合。刀刃安全性好。在中、低速情况下粗加工，适用于钢、奥氏体不锈钢、铸钢的车、铣、镗、钻(带周边切削刀片)，主要用于P40和M35材料。
YC10: 适用于钢、铸钢的精加工和半精加工，宜采用较高切削速度和中、小进给量，也可做仿形车削。
YC40: 用于钢、铸钢的强力切削，宜在恶劣的条件下采用低速切削和大进给量切削加工。
YD101: 适用于铸铁、有色金属尤其是铝材的精加工、半精加工，亦可加工锰钢、淬火钢等硬质材料。
YD201: 用于铸铁、耐热合金的半精加工，也使用于塑料、橡胶、木头等非金属材料的加工。特别适用于航空工业有锐利刀刃要求的刀具。宜采用中切削速度和较大进给量。具有良好的耐磨性和韧性。
YNG051: TiCN基金属陶瓷，提高了化学稳定性和耐磨性，结合锋利的切削刃槽型使用，无论在高速和低速条件下都能保证加工件的表面质量。适合于钢、不锈钢、铸铁的精加工。
YNG151: TiCN基金属陶瓷，与YNG051相比，韧性更好，具有极好的抗塑性变形和积屑瘤性。适合于钢、不锈钢、铸铁的半精和精加工。
YCB011: PCBN刀具，具有高硬度和极好的热稳性，切削温度可达1300oC。主要适用于淬硬钢HRC50-60(例如：碳素工具钢、轴承钢、模具钢和高速钢等）灰口铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、以及Ni基、Co基、Cr基、Fe基高温合金的机械加工。
YCD011: PCD刀具，具有高硬度,极好的耐磨性，摩擦系数低，极好的热导性。它适合于有色金属（如：Cu、Al、Mg、Ti高硅铝合金等）和非金属材料（如：玻璃纤维、陶瓷、增强塑料等）的机械加工。

QIAOLIGUO · 发表于 2007-11-29 22:01:04

PCBN和PCD刀具是什么材料的，是有涂层的刀具吗？请指教，学习中。

养猪东篱下 · 发表于 2007-11-29 22:46:14

PCD聚晶金刚石刀具;CVD金刚石膜刀具(物理涂层)

VD物理涂层金刚石刀具

CBN聚晶立方氮化硼刀具;以下详细介绍来自网络(仅供参考):

超硬刀具

一、概述

超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石等。超硬刀具主要是以金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具，其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。许多切削加工概念，如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而起，故超硬刀具已成为切削加工中不可缺少的重要手段。随着科技的进步，制造业的高速发展，CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，超硬刀具的生产及应用也越来越广泛。PCD和PCBN刀具已广泛应用于机械加工的各个行业，如汽车零部件的切削加工，强化木地板的加工等，极大地促进了切削加工及先进制造技术的飞速发展。
二、切削材料及超硬材料发展史

超硬材料发展史

时间	超硬材料	公司	方法	指标	用途
1955	人造金刚石	GE	高温高压	. X4 ]/ i+ N! a6 U5 i5 j	磨料
1957	立方氮化硼	GE	高温高压	! A5 H2 K5 o- P. q	磨料
1977	PCD，PCBN	GE	高温高压	% u8 E2 H6 g$ w9 `2 Z	刀具
1995	人造单晶金刚石	$ @6 S' x2 }$ ?) o: y8 P G# y' F	; C# t3 m- @) y5 K- y5 L' P	5MM	刀具
5 l [" d' B) J M9 _; E1 D	人造单晶CBN	% }2 ?. `2 n; h; ?, M7 \|+ l0 a	% W! ~% F% ~; X7 D. t	' B& e1 E6 W" V- I7 k0 a	刀具
$ g$ z: P( P5 y2 I, Y' B+ j ]9 j	类金刚石膜	$ Z8 d5 o- o- L# `, y2 ~	, p! h# Q0 N0 P* G4 t	/ Y6 h. q1 }* p6 _4 t5 M	刀具
/ e1 `) q$ {# D! T	金刚石薄膜	3 c7 [* c$ J8 x6 P& F J& \|	CVD	7 ?3 Q9 B; ]( U- U) j T% v	刀具
$ i& H2 O4 w, b" j! u	金刚石厚膜	7 t# `7 m3 Z4 m P	CVD	2.3MM	刀具

三、金刚石、超硬材料的特性与作用
众所周知，金刚石材料的成分是碳，金刚石与铁系有亲和力，切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于700度，否则会发生石墨化现象，工具会很快磨损。因为金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应，与黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损，所以，金刚石不能用于加工黑色金属只能用在有色金属和非金属材料上，而CBN即使在1000oC的高温下，切削黑色金属也完全能胜任。已成为未来难加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金刚石、人造CBN。这两种材料的同时存在，起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工，对整个切削加工领域极为有利。
1．PCD
金刚石烧结体（PCD）的出现，在许多方面代替了天然单晶金刚石。PCD与天然金刚石比较，价格便宜，且刃磨远比天然金刚石方便，所以其应用、推广特别迅速。在大量涌现的新材料中，大部分都是难加工材料，如高硅铝合金，汽车发动机的活塞大量采用这种材料。一般，含硅量低于10%的铝合金，用硬质合金切削工具即可，但含硅量超过10%,就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上，有的已达18%以上，所以非PCD莫属。
  但是，由于PCD的种类很多，有合理选择的必要。其粒度、浓度等都会影响到硬度、耐磨性等性能。因此，在应用中也必须根据被加工材料的种类。硬度等特性来考虑合理的各种参数。PCD在国内外的生产已十分普及，但是质量有较大的差异，因此在价格上出入很大。
2．PCBN
立方氮化硼烧结体（PCBN）是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成，硬度仅次于金刚石，与黑色金属无亲和力。但是，PCBN不适于切削一般的钢件。PCBN刀具材料性能如下：
  （1）具有较高的硬度和耐磨性。
  CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。CBN微粉的显微影度为HV8000-9000，其烧结体PCBN的硬度为HV3000-5000。
（2）具有很高的热稳定性。
CBN的耐热性可达1400-1500℃，PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。
（3）具有优良的化学稳定性。
由于PCBN耐高温，在大气和水蒸气中，在900℃以下无任何变化且稳定，甚至在1300℃时，和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应，更不会像金刚石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度，因此，它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁，而且能被广泛应用于高速或超高速的切削工作上。
（4）具有较好的导热性。
在各类刀具材料中，CBN的导热性仅次于金刚石，大大高于硬质合金，而且随着温度的升高，PCBN的导热系数是增加的。
（5）具有较好的摩擦系数。
与不同材料间的摩擦系数CBN为0.1-0.3,硬质合金为0.4-0.6,随着切削速度的提高, 摩擦系数是减小的。
　　
3．超硬材料涂层切削工具
CVD、PVD等技术的出现，是切削工具领域中的一次重大的革命。它的出现立即引起了机械制造领域的巨大反响，理想的切削工具应当是既有硬的表面，又有高的韧性，涂层技术便达到了这个目标。
  最早的涂层材料都是陶瓷性质的物质，如TiN、TiC、Al2O3等，近年来，涂层技术又有了很大的发展。超硬材料涂层正在得到全面应用，许多产品相继出现在市场上。超硬材料涂层的发展，使整个现有的切削工具的性能都明显得到了提高，面对当前大量涌现的难加工材料，这些新发展的涂层技术将有巨大的适应能力，前景相当喜人?br>  超硬材料涂层的种类共有三大类，即类金刚石、金刚石和CBN。这些涂层材料均为纯金刚石或纯CBN,所以硬度与沉积的材料是相同的，和PCD与PCBN相比，因不含结合剂，所以硬度、耐磨性等均有较大的提高。
  金刚石涂层和CBN涂层的性能与原材料是相同的，只是薄膜而已，使用时与陶瓷涂层类同。
4.厚膜金刚石
金刚石薄膜的合成技术和应用研究在全球范围发展极为迅速，形成了"金刚石薄膜热"。在这十多年内，气相合成的方法发展到二十多种，一般沉积的速度每小时只1～2um,如何加快沉积速度一直是人们研究的课题。在近期沉积速度发展到了100um/h以上，最高达到930um/h。我们称之为厚膜金刚石。厚膜金刚石是纯金刚石，其硬度接近天然金刚石，而PCD、PCDN是金刚石粉与结合剂混合在一起烧结而成，因此硬度受到结合剂的影响，其硬度不如前者。我国已成功地掌握了这门技术，最大的沉积厚度达到了2.3mm。现在已商品化，进入了国际先进行列。
  厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂，是纯金刚石，所以它的硬度高得多，与天然金刚石不同，它具有各向同性，成本低，因此在许多方面将取代PCD。用作拔丝模将是均匀磨损，因此拔丝的线材质量明显优于天然金刚石模具。如果沉积质量进一步提高，在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能，因此颇受超精密领域的重视。
总之，金刚石和超硬材料由于性能优越，应用不断地在扩大，已从金属加工发展到了光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难进行的领域，对各种工业的发展将起到巨大的推动作用，前景十分广阔。
四、超硬刀具的主要品种及特点
(1) PCD金属切削刀具
①．刀具种类：（以车刀为例，其它还有铣刀，铰刀，镗刀等。）

②．结构形式
此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀具。
焊接式PCD刀具同普通硬质合金焊接刀具结构形式是一样的。见下图。
图一
不同的是刃口材质不一样，几何参数不一样，加工对象不一样。
可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上焊接一小块PCD刀坯再经刃磨而成，可装夹在与之对应的高精度刀杆上，进行高效，大批量加工。随着数控机床、自动生产线的普及，可转位式PCD刀片的使用将越来越广泛，在一定条件下，其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍至几百倍。图二 ③．刀具几何参数：
金刚石切削工具的几何参数一般其前角为0°-5°，后角为5°～12°，其端部有两种，一是圆弧，另一为直线，后者有时称为修光刃，其长度根据被加工材料来选择。圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单，而平刃的调整相对而言是很费时的。如果应用在高精度的曲面加工中，圆弧的刃磨要求就很严格，它精度的优劣会复印在曲面上。 ④．切削用量

PCD切削用量及适用范围

9 M; M- B. [7 f6 H& s$ x& \' l* I+ _刀具材质	适用范围	推荐切削用量
9 M; M- B. [7 f6 H& s$ x& \' l* I+ _刀具材质	适用范围	切削速度（M/MIN）	进给量（MM/REV）	切削深度（MM）
PCD ; z% S0 O% b" I) X' e0 n8 j* g" l2 p6 s/ F" w8 G , h0 G }# l' f) u4 Y	铝合金	100-1000	0.1-0.3	0.3
	铜合金	200-500	0.08-0.2	0.3
	木工材质	3000	0.04	0.5-9
	硬质非金属材料如陶瓷等	10-90	0.01-0.3	0.5

⑤．典型应用
有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工
采用PCD刀具加工有色金属时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲合力小，因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好，刀具寿命也较长。
例1：采用PCD刀具加工电机整流子的紫铜换向器，典型切削参数为：V=300m/min，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm，刀具寿命>5,000件，而采用硬质合金刀具则只能加工几件。
例2：采用PCD刀具加工各种硅铝合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1μm，刀具寿命可达几千～几万件，尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。
(2) PCD木工刀具
PCD木工刀具目前最主要的用途就是加工强化木地板。在加工强化木地板Al2O3耐磨层时，切削速度可达3,000m/min, ，进给量可达每分钟20米，且加工时噪音小，PCD刀具耐用度是硬质合金刀具的200倍以上，已完全取代硬质合金刀具。
其它PCD木工刀具主要有PCD锯片和PCD家具成形铣刀等。由于价格较贵或家具更新较快，国内应用不是很多。 (3) PCBN金属切削刀具
立方氮化硼(简称CBN) 虽然它的硬度稍逊于金刚石，但却是目前可用于加工硬化黑色金属的最硬的刀具材料。
①．刀具种类及结构形式
PCBN金属切削刀具也可分为可转位式PCBN刀具和焊接式PCBN刀具两类。

可转位结构的PCBN刀片一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上焊接一块PCBN刀坯，经刃磨而成。考虑到刀坯较贵及重磨等原因，一般只做成一个刀尖。随着焊接工艺质量的提高，PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。
焊接式PCBN刀具是将PCBN刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成，主要有车刀、镗刀、铰刀等。
②．几何参数
PCBN刀具的强度比硬质合金刀具低，因此在加工淬硬钢时，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般为-5°～0°，后角一般为6°～12°，断续切削时一般采用负倒棱，通常负倒棱尺寸取(0.1～0.5)×（10°～30°）为宜。这不仅有利于对切削刃进行补强，而且有很好的耐磨性。若切削刃进行适当的钝化处理，其效果更好。此外，在可能的情况下，尽量采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径，这有助于保护刀刃，延长刀具的使用寿命。
③．切削用量：为了充分发挥PCBN刀片的优越性，取得满意的加工效果，在实际使用时，除参照下表所推荐的PCBN刀片选用的切削用量外，还应根据机床、工件及其它有关条件的具体情况全面考虑，合理选择。

PCBN切削用量及适用范围

刀具材质	适用范围	4 P) I) K+ n* z5 `. n 推荐切削用量
刀具材质	适用范围	切削速度（m/min ）	进给量（(mm/r )	切削深度（mm）
P2 u! d+ j* N! K- r$ s& T: U( x- G! w/ D" f9 l0 l PCBN 4 v& b5 q4 O' O6 n. F. D' V : f: X* u! F$ k( L5 I5 \6 O% }# r& R: [- B 1 A( L( N$ `; S. t	各种淬硬钢：HRC50-67	50-150	0.05-0.12	0.2
	普通灰铸铁：HB200左右	400-1000	0.1-0.5	0.12-2.0
	高硬度铸铁：HRC50-64	50-100	0.1-0.3	0.5
	粉末冶金零件	80-150	0.03-0.2	1
	热喷涂焊零件	50-120	0.1-0.3	0.5
	硬质合金：HRA80-88	5-40	0.05-0.2	0.3

③． PCBN刀具的典型应用及常见问题
由于PCBN刀具材料具有优良的切削性能，所以特别适合加工其硬度在HRC45以上的淬硬钢、耐磨铸铁、HRC35以上的耐热合金以及HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。
在加工淬硬钢时，径向力很大，这就要求机床功率要大，机床系统刚性要好，这既可保护PCBN刀具，又可获得满意的加工效果。装夹PCBN刀具时，刀具的悬伸长度要尽量短，以防止刀杆颤振和变形，使PCBN刀具保持良好的加工状态。而对于硬度高和不规则的工件，由于PCBN刀片较脆、怕冲击。刀具从工件端面切入、切出时，尤其表面有夹渣、砂眼、凹凸不平，最易发生冲击，刃口破裂，使耐用度降低。所以在使用PCBN刀具前，最好先将冷硬层粗车一次，并在工件切入切出端先倒角，以减小PCBN刀具冲击力。
例1：
工件材料 16CrMo5，HRC60-65 Ra0.8μm　　φ30×30止口
刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 250×0.1mm
切削用量 V=140mm/min
         f=0.1-0.12mm/r
         aP=0.15-0.20mm
         干切,连续切削,1000个工件左右
例2：汽车、摩托车齿轮孔的加工,齿轮孔精度为IT6。传统加工工艺为：机加工->热处理->磨削。采用超硬刀具"以车代磨"的加工工艺为：粗加工->热处理->精加工。新工艺可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工艺一班仅能加工100个小齿轮，现采用PCBN刀具车削，一班能加工400个小齿轮。此外，分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。
工件材料 20CrMnTi，渗碳淬火，HRC60-62 Ra0.8μm　　
刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 250×0.1mm
切削用量 V=90mm/min
         f=0.1mm/r
         aP=0.1mm
例3：
工件材料 HT25-47, HB200, Ra1.6μm　　镗孔
刀片型号 CCMW090304, 负倒棱 100×0.1mm
切削用量 V=500mm/min
         f=0.2mm/r
         aP=0.08-0.20mm
         干切,连续切削,1000个工件左右
硬材料的立方氮化硼有如下要求：
      CBN含量<60%;
      微颗粒结构;
      高的刃口强度;
      低的热传导
这样的CBN可用于加工50-65HRC的硬材料，大致的切削规范是：
      切削速度Vc=300-800 m/min
      每齿进给量fz=0.08-0.12mm/Z
      切削深度ap不超过0.5 mm
总结：
（1）切削高硬度淬硬钢刀具耐用度高。
（2）切削正火钢刀具耐用度低于硬质合金刀具。
（3）切削耐磨黄铜时刀具耐用度高于金刚石刀具。
（4）高速下PCBN刀具耐用度高。
（5）干切下PCBN刀具耐用度高。
为很好地使用PCBN刀具，稳定地控制工件质量，准确判断PCBN刀具的耐用度至关重要。如果一直使用磨损已很严重的刀具，那么切削力及切削温度增加、切削不畅，就难以控制工件尺寸及表面完整性，甚至使PCBN刀具无法继续修磨而报废。为保证刀具的正常使用，建议PCBN刀具后刀面磨损量达0.3～0.6mm(精车时取小值)时应进行重磨。但重磨需要一定的设备和技巧，多数工厂的机床不具备适合的条件，一般PCBN刀具的重磨都应由专业厂来完成。
PCBN刀具不适于加工较软的黑色金属材料。
确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。一般来讲，其切削速度可比硬质合金刀具高2倍左右，高的切削速度产生大的切削热量，使被加工材料的塑性增大，有利于控制切屑和降低切削力。
使用PCBN刀具时，可加冷却液，也可不加，使用冷却液时则一定要充分冷却。
有关使用PCBN刀具常见的磨损形式，磨损原因及预防措施：
1.月牙洼磨损
   工件硬度太软；切速太快；产生化学和扩散磨损
   改用硬质合金刀具或陶瓷刀具；降低切速；使用冷却液
2.后刀面磨损
   切削速度太快；进给量太大；刀具后角太小
   减小切速和进给量；增大后角
3.边界磨损
   主偏角太大；进给量太大；切速太小
   减小主偏角；减小进给量；增大切速
4.断裂磨损
   系统刚性差；刀尖角太小；进给量与切速太大；刀具刃口脆
   提高系统刚性，增大刀尖角；降低进给量和切速并采用负倒棱刀具
5.PCBN层破裂
   系统刚性差；工件冲击太大；PCBN层太薄，刀具刃口过脆
   提高工艺系统刚性；工件表面预加工和倒角；采用厚的PCBN层；采用负倒棱刀具

枯藤 · 发表于 2007-11-30 23:37:16

楼主的资料是株洲硬质合金的资料吧

目言 · 发表于 2009-8-22 10:49:56

谢谢，我想了解国产硬质合金材料呢

mnbvcx1618 · 发表于 2009-8-24 22:30:51

有没有适合45号钢粗车的刀具型号？

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