1、刀具材料的发展、主要牌号及用途发布: 2007-11-10 23:07 | 作者: 国际化 | 来源: 中国机械资讯网目前 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、
2、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。 YB
3、M251: 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，
4、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
5、: 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
6、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
7、璃纤维、陶瓷、增强塑料等）的机械加工。QIAOLIGUO (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 (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
8、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 G
9、E 高温高压 磨料1957 立方氮化硼 GE 高温高压 磨料1977 PCD，PCBN GE 高温高压 刀具1995 人造单晶金刚石 5MM 刀具人造单晶 CBN 刀具类金刚石膜 刀具金刚石薄膜 CVD 刀具金刚石厚膜 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
10、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。 1PCD 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%
11、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。 2PCBN 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
12、） 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
13、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
14、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.
15、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 12um, 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
16、，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 刀具种类：（以车刀为例，其它还有铣刀，铰刀，镗刀等。） 结构形式 此类刀具从结构上主要可分
17、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 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 512 ，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
18、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。 切削用量 PCD 切削用量及适用范围推荐切削用量刀具材质 适用范围切削速度（M/MIN） 进给量（MM/REV ） 切削深度（MM ）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 0.5-9PCD 硬质非金属材料如陶瓷等 10-90 0.01-0.3 0.5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
19、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， ap0.15mm，加工表面粗糙度 Ra0.10.2m，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 Ra0.1m，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
20、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。 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，
21、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。 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-50，后角一般为 612，断续切削时一般采用负倒棱，通常负倒棱尺寸取(0.10.5)（1030）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
22、半径，这有助于保护刀刃，延长刀具的使用寿命。 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 ）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 8
23、0-150 0.03-0.2 1热喷涂焊零件 50-120 0.1-0.3 0.5PCBN硬质合金：HRA80-88 5-40 0.05-0.2 0.3 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
24、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 Ra0.8m 3030 止口 刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 2500.1mm 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
25、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 Ra0.8m 刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 2500.1mm 切削用量 V=90mm/min f=0.1mm/r aP=0.1mm 例 3： 工件材料 HT25-47, HB200, Ra1.6m 镗孔 刀片型号 CCM
26、W090304, 负倒棱 1000.1mm 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
27、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 0.30.6mm( 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
28、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
