第二講 刀具材料n.ppt

第二講刀具材料及切削機(jī)理 主講 童桂英 一 刀具材料 金屬切削過程除了要求刀具具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)外 還要求刀具材料對(duì)工件要有良好的切削性能 在金屬切削加工中 刀具材料的切削性能直接影響著生產(chǎn)效率 工件的加工精度和已加工表面質(zhì)量 刀具消耗和加工成本 正確選擇刀具材料是設(shè)計(jì)和選用刀具的重要內(nèi)容之一 特別是對(duì)某些難加工材料的切削 刀具材料的選用顯得尤為重要 一 刀具材料應(yīng)具備的基本性能 刀具切削部分是在高溫 高壓及劇烈摩擦的惡劣條件下工作的 因此 刀具材料應(yīng)具備以下基本性能 硬度高硬度是指材料抵抗其他物體壓入其表面的能力 刀具材料的硬度必須更高于被加工材料的硬度 一般高于一倍至幾倍 否則在高溫高壓下 就不能保持刀具鋒利的幾何形狀 目前 切削性能最差的刀具材料 碳素工具鋼 其硬度在室溫條件下也應(yīng)在62HRC以上 高速鋼的硬度為63 70HRC 刀具切削部分的材料在切削時(shí)要承受很大的切削力和沖擊力 例如 車削45鋼時(shí) 當(dāng)ap 4mm f 0 5mm r時(shí) 刀片要承受約4000N的切削力 因此 刀具材料必須要有足夠的強(qiáng)度和韌性 一般用刀具材料的抗彎強(qiáng)度 bb 單位為Pa N m 表示它的強(qiáng)度大小 用沖擊韌度 k 單位為J m 表示其韌性的大小 它反映刀具材料抗脆性斷裂和崩刃的能力 2足夠的強(qiáng)度和韌性 刀具材料的耐磨性是指抵抗磨損的能力 一般說 刀具材料硬度越高 耐磨性也越好 刀具材料的耐磨性和耐熱性有著密切的關(guān)系 其耐熱性通常用它在高溫下保持較高硬度的性能即高溫硬度來衡量 或叫熱硬性 高溫硬度越高 表示耐熱性越好 刀具材料在高溫時(shí)抗塑性變形的能力 抗磨損的能力也越強(qiáng) 耐熱性差的刀具材料 由于高溫下硬度顯著下降而會(huì)很快磨損乃至發(fā)生塑性變形 喪失其切削能力 3耐磨性和耐熱性好 刀具材料的導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率 單位為w m K 來表示 熱導(dǎo)率大 表示導(dǎo)熱性好 切削時(shí)產(chǎn)生的熱量容易傳導(dǎo)出去 從而降低切削部分的溫度 減輕刀具磨損 此外 導(dǎo)熱性好的刀具材料其耐熱沖擊和抗熱龜裂的性能增強(qiáng) 這種性能對(duì)采用脆性刀具材料進(jìn)行斷續(xù)切削 特別在加工導(dǎo)熱性能差的工件時(shí)尤為重要 4導(dǎo)熱性好 為了便于制造 要求刀具材料有較好的可加工性 如熱塑性 鍛壓成形 焊接工藝性 切削加工性和熱處理工藝性等 5 工藝性好 6 經(jīng)濟(jì)性好 經(jīng)濟(jì)性是評(píng)價(jià)新型刀具材料的重要指標(biāo)之一 也是正確選用刀具材料 降低產(chǎn)品成本的主要依據(jù)之一 二 刀具材料的分類 刀具材料可分為工具鋼 高速鋼 硬質(zhì)合金 陶瓷 超硬材料五大類 其主要力學(xué)物理性能見表2 1 但目前應(yīng)用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金 據(jù)統(tǒng)計(jì) 我國目前高速鋼用量約占刀具的60 以上 硬質(zhì)合金的用量約占30 以上 隨著難加工材料應(yīng)用的增加 陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增長 返回 1碳素工具鋼 碳素工具鋼是含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼 含碳量為07 1 2 如T10A等 淬火后硬度較高 價(jià)廉 但耐熱性較差 表2 2 在碳素工具鋼中加入少量的cr w Mn si等元素 形成合金工具鋼 如9SiCr等 可適當(dāng)減少熱處理變形和提高耐熱性 表2 2 由于這兩種刀具材料的耐熱性較低 常用來制造一些切削速度不高的手工工具 如銼刀 鋸條 鉸刀等 較少用于制造其他刀具 2 2 2 高速鋼 高速鋼是一種含鎢 w 鉬 Mo 鉻 cr 釩 V 等合金元素較多的合金工具鋼 以重量計(jì)其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 7 1 5 鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為4 鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 20 釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 5 由于合金元素與碳化合形成較多的高硬度碳化物 如碳化釩 硬度高達(dá)2800HV 且晶粒細(xì)小 分布均勻 而且合金元素和碳原子結(jié)合力很強(qiáng) 提高了馬氏體受熱時(shí)的穩(wěn)定性 高速鋼具有較高的硬度 熱處理硬度可達(dá)HRC62 67 和耐熱性 切削溫度可達(dá)550 600 C 與碳素工具鋼和合金工具鋼相比切削速度可提高1 3倍 故得名 高速鋼 提高耐用度10 40倍 鉛在鋼中提高了淬透性 使小型刀具在空氣中冷卻就能淬硬 且能刃磨得鋒利 故高速鋼又有 風(fēng)鋼 或 鋒鋼 之稱 可加工包括有色金屬 高溫合金在內(nèi)的范圍廣泛的材料 高速鋼具有高的強(qiáng)度 抗彎強(qiáng)度為一般硬質(zhì)合金的2 3倍 為陶瓷的5 6倍 和韌性 抗沖擊振動(dòng)的能力較強(qiáng) 適宜制造各類刀具 高速鋼刀具制造工藝簡單 能鍛造 容易磨出鋒利的刀刃 因此在復(fù)雜刀具 鉆頭 絲錐 成形刀具 拉刀 齒輪刀具等 的制造中 高速鋼占有重要的地位 高速鋼分類 按用途不同 可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼 按制造工藝方法不同 可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼 1 通用型高速鋼 鎢系高速鋼 鎢鉬系高速鋼 鎢系高速鋼 其代表是W18Cr4V 簡稱w18 是我國最常用的一種高速鋼 由于含釩量較少 磨削性能好 其刃口容易磨得鋒利平直 綜合性能好 通用性強(qiáng) 常溫硬度可達(dá)63 66HRC 在600 高溫時(shí)能保持的硬度48 5HRC左右 特別是熱處理工藝性好 淬火時(shí)過熱傾向小 抵抗塑性變形能力強(qiáng) 可用于精加工的復(fù)雜刀具 如螺紋車刀 成形車刀 寬刃精刨刀 拉刀 齒輪刀具等 W18鋼的缺點(diǎn)是碳化物分布常不均勻 剩余碳化物顆粒較大 如鍛造不均 則會(huì)影響薄刃刀具的壽命 制造較大截面刀具時(shí) 強(qiáng)度顯得不夠 抗彎強(qiáng)度僅為2 2 3GPa 只有在制造小截面刀具時(shí) 才獲得滿意的強(qiáng)度 3 3 4GPa 此外 W18鋼熱塑性較差 不適合作熱軋刀具 鎢鉬系高速鋼 W6M05Cr4V2 簡稱M2 是我國常用的典型鎢鉬系高速鋼種 用1 的鉬可代替2 的鎢 鉬的加入使鋼中合金元素減少 從而減小了碳化物數(shù)量及其分布的不均勻性 細(xì)化了晶粒 與W18鋼相比 M2鋼抗彎強(qiáng)度提高約17 沖擊韌度提高約40 以上 而且大截面刀具也具有同樣的強(qiáng)度和韌性 可用于制造截面較大的刀具 或承受較大沖擊力的刀具 如插齒刀 以及結(jié)構(gòu)較薄弱的刀具 如麻花鉆 絲錐等 M2鋼的熱塑性很好 磨削加工性也好 特別適用于制造軋制或扭制鉆頭等熱成形刀具 是目前各國使用較多的一種高速鋼 M2鋼的缺點(diǎn)是熱硬性和高溫硬度略低于W18鋼 故高溫切削性能稍遜 此外 熱處理時(shí)脫碳傾向大 較易氧化 淬火溫度范圍較窄 高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上 用調(diào)整其基本化學(xué)成分和掭加一些其他合金元素 如釩 鈷 鉛 硅 鈮等 的辦法 著重提高其耐熱性和耐磨性而衍生出來的 主要用來加工奧氏體不銹鋼 高溫合金 鈦合金和超高強(qiáng)度鋼等難加工材料 這類高速鋼的不同牌號(hào)只有在各自的規(guī)定切削條件下使用才能達(dá)到良好的切削性能 2 高性能高速鋼 常用牌號(hào) 高碳高速鋼 9W18Cr4V 9W18 9W6Mo5Cr4V2 CM2 其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從普通高速鋼的0 7 0 8 增加到0 9 l 0 使常溫硬度提高到66 68HRC 60 c時(shí)高溫硬度提高到51 52HRC 適用于耐磨性要求高的鉸刀 锪鉆 絲錐以及加工較硬材料 220 250HBS 的刀具 含鋁高速鋼鋁高速鋼W6M05cr4V2A1 簡稱501 和W10M04Cr4V3Al 簡稱5F一6 是我國獨(dú)創(chuàng)的新鋼種 這種鋼常溫硬度為67 69HRC 600 C高溫時(shí)硬度為54 55HRc 切削性能相當(dāng)于鉆高速鋼M42 刀具壽命比W18cr4V顯著提高 至少1 2倍 而價(jià)格卻相差不多 用這種鋼做的齒輪滾刀允許l67m s的切削速度 鈷高速鋼M42 W2MO9Cr4VCO8 和W10MO4Cr4V3CO10高速鋼中加入鈷可提高鋼的熱穩(wěn)定性 促進(jìn)回火時(shí)碳化物的析出 增加彌散硬化效果 提高回火硬度 從而提高常溫和高溫硬度及抗氧化能力 由于鈷的熱導(dǎo)率較高 加入鉆可以改善高速鋼的導(dǎo)熱性 并降低摩擦因數(shù) 從而提高切削速度 高釩高速鋼W6Mo5Cr4V3 W12Cr4V4Mo高釩高速鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3 5 由于形成大量高硬度耐磨的碳化釩彌散在鋼中 提高了高速鋼的耐磨性 且能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性 3 粉末冶金高速鋼 是20世紀(jì)70年代開發(fā)的新型刀具材料 其工藝方法是用高壓惰性氣體 氬氣或氮?dú)?或高壓水霧化高速鋼水得到細(xì)小的高速鋼粉末 再經(jīng)熱壓制成刀具毛坯 與熔煉高速鋼相比具有以下優(yōu)點(diǎn) a 能解決碳化物偏析普通熔煉高速鋼在鑄錠時(shí)會(huì)產(chǎn)生粗大碳化物共晶偏析 碳化物晶粒尺寸大到80 20 m 而粉末冶金高速鋼碳化物晶粒為2 5 m 且無碳化物偏析 從而提高了鋼的強(qiáng)度 韌性和硬度 其硬度可達(dá)69 70HRC b能保證各向同性由于粉末冶金的工藝特點(diǎn) 保證了粉末冶金高速鋼的各向同性 從而減小了熱處理內(nèi)應(yīng)力和變形 適合制造各種精密和復(fù)雜刀具 c磨削加工性好釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 的粉末冶金高速鋼的磨削加工性 相當(dāng)于釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 的普通高速鋼 磨削效率比熔煉高速鋼高2 3倍 表面粗糙度值顯著減小 d 能制造超硬高速鋼粉末冶金高速鋼新工藝 為在現(xiàn)有高速鋼中加入高碳化物 TiC和NbC 和制造超硬高速鋼新材料提供了可能性 e能節(jié)約鋼材和工時(shí)用粉末冶金直接壓制刀坯時(shí) 可大大減小加工余量 節(jié)約鋼材和工時(shí) 3硬質(zhì)合金 硬質(zhì)臺(tái)金是用高耐熱性和高耐磨性的金屬碳化物 碳化鎢WC 碳化鈦TiC 碳化鉭TaC 碳化鈮NbC等 與金屬粘結(jié)劑 鈷 鎳 鉬等 在高溫下燒結(jié)而成的粉末冶金制品 其硬度為HRA89 93 能耐850 1000 的高溫 具有良好的耐磨性 允許使用的切削速度可達(dá)100 300m min 可加工包括淬硬鋼在內(nèi)的多種材料 因此獲得廣泛應(yīng)用 但是 硬質(zhì)臺(tái)金的抗彎強(qiáng)度低 沖擊韌性差 刃口不鋒利 較難加工 不易做成形狀較復(fù)雜的整體刀具 因此目前還不能完全取代高速鋼 常用的硬質(zhì)臺(tái)金有鎢鈷類 YG類 鎢鈦鈷類 YT類 和通用硬質(zhì)臺(tái)金 YW類 三類 硬質(zhì)合金牌號(hào)的表示方法 Y G6 X 硬的漢語拼音第一個(gè)字母 G6 鎢鈷類合金及鈷含量 T15 鎢鈷鈦類合金及TiC含量 W 鎢鈷鈦T鉭類合金 N 鎢鈦鎳鉬合金 附加字母分別表示X 細(xì)晶粒C 粗晶粒N 加鈮元素A 加鉭元素 1 鎢鈷類 YG YG類硬質(zhì)臺(tái)金主要由碳化鎢 WC 和鈷 Co 組成 常用的牌號(hào)有YG3 YG6 YG8等 YG類硬質(zhì)臺(tái)金的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性較好 不易崩刃 很適宜切削切屑呈崩碎狀的鑄鐵等脆性材料 YG類硬質(zhì)臺(tái)金的刃磨性較好 刃口可以磨得較鋒利 故切削有色金屬投合金的效果也較好 由于YG類硬質(zhì)合金的耐熱性和耐磨性較差 因此一般不用于普通鋼材的切削加工 但它的韌性好 導(dǎo)熱系數(shù)較大 可以用來加工不銹鋼和高溫臺(tái)金鋼等難加工材料 2 鎢鈦鈷類 YT類 YT類硬質(zhì)臺(tái)金主要由碳化鎢 碳化鈦和鈷組成 常用的牌號(hào)有YT5 YTl5 YT30等 它里面加入了碳化鈦后 增加了硬質(zhì)臺(tái)金的硬度 耐熱性 抗粘接性和抗氧化能力 但由于YT類硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性較差 故主要用于切削切屑一般呈帶狀的普通碳鋼及合金鋼等塑性材料 3 通用硬質(zhì)臺(tái)金 YW類 鎢鈦鉭 鈮 鈷類硬質(zhì)臺(tái)金 YW類 它是在普通硬質(zhì)合金中加入了少量的稀有高熔點(diǎn)金屬碳化鉭 TaC 或碳化鈮 NbC 能阻止WC晶粒在燒結(jié)過程中長大 起到細(xì)化晶粒的作用 從而提高了硬質(zhì)合金的韌性和耐熱性 使其具有較好的綜合切削性能 YW硬質(zhì)合金主要用于不銹鋼 耐熱鋼 高錳鋼的加工 也適用于普通碳鋼和鑄鐵的加工 因此被稱為通用型硬質(zhì)臺(tái)金 常用的牌號(hào)有YWl YW2等 不同硬質(zhì)合金牌號(hào)的性能和應(yīng)用范圍見表2 3 2 3 TiC62 涂層刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上 采用化學(xué)氣相沉積 CVD 或物理氣相沉積 PVD 的工藝方法 涂覆一薄層 約5 12um 高硬度 耐磨性高 難熔金屬化合物 TlC TiN AL2O3等 而獲得的 這樣 可使刀片既保持了普通硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度和韌性 又使表面有更高的硬度 可達(dá)1500 3000HV 和耐磨性 更小的摩擦因數(shù)和高的耐熱性 達(dá)800 1200 實(shí)踐證明 涂層刀片在高速切削鋼件和鑄鐵時(shí)能獲得良好效果 比未涂層刀片的刀具壽命提高1 3倍 高者可達(dá)5 10倍 此外 涂層刀片通用性好 一種涂層刀片可代替幾種未涂層刀片使用 大大簡化了刀具管理和降低了刀具成本 獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益 涂層刀具和其他刀具材料 1 涂層刀具 碳化鈦的硬度比氮化鈦高 抗磨損性能好 對(duì)于會(huì)產(chǎn)生劇烈磨損的刀具 碳化鈦涂層較好 氮化鈦與金屬的親和力小 潤濕性能好 在容易產(chǎn)生粘結(jié)的條件下 氮化鈦涂層較好 在高速切削產(chǎn)生大量熱量的場合 以采用氧化鋁涂層為好 因?yàn)檠趸X在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性能 由表2 3可以看出 由于碳化物的硬度和熔點(diǎn)比粘接劑高得多 因此在硬質(zhì)合金中 如果碳化物所占比例大 則硬質(zhì)合金的硬度就高 耐磨性也好 反之 若鈷 鎳等金屬粘結(jié)劑的含量多 則硬質(zhì)合金的硬度降低 而抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性就有所提高 硬質(zhì)合金的性能還與其晶粒大小有關(guān) 當(dāng)粘結(jié)劑的含量一定時(shí) 碳化物的晶粒越細(xì) 則硬質(zhì)合金的硬度越高 而抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性降低 反之 則硬質(zhì)合金的硬度降低 而抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性就會(huì)有所提高 陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔點(diǎn)都很高的Al2O3 Si3N4等氧化物 氮化物 再加入少量的金屬碳化物 氧化物或純金屬等添加劑 經(jīng)壓制成形后燒結(jié)而成的一種刀具材料 它的硬度可達(dá)到HRA91 95 在1200 的切削溫度下仍可保持HRA80的硬度 另外 它的化學(xué)惰性大 摩擦系數(shù)小 耐磨性好 加工鋼件時(shí)的壽命為硬質(zhì)合金的10 12倍 其最大缺點(diǎn)是脆性大 抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性低 因此它主要用于半精加工和精加工高硬度 高強(qiáng)度鋼和冷硬鑄鐵等材料 常用的陶瓷刀具材料有氧化鋁陶瓷 復(fù)合氧化鋁陶瓷以及復(fù)合氧化硅陶瓷等 2 陶瓷材料 3 超硬材料 1 人造金剛石金剛石是碳的同素異構(gòu)體 分天然金剛石和人造金剛石兩種 人造金剛石是在高溫 約2000 C 高壓 5 9GPa 和金屬觸媒作用的條件下 由石墨轉(zhuǎn)化而成的 金剛石刀具的性能特點(diǎn)是 1有極高的硬度和耐磨性人造金剛石的硬度高達(dá)10000HV 比硬質(zhì)合金的硬度 1300 1800HV 和陶瓷的硬度高幾倍 是世界已發(fā)現(xiàn)的最硬材料 人造金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的60 80倍 2有鋒利的切削刃人造金剛石的切削刃鈍圓半徑很小 能進(jìn)行超精密微量切削 使已加工表面冷硬層很小 尺寸精度和幾何形狀精度可達(dá)到3 1 m 表面粗糙度值可達(dá)到Ra0 02 0 06 m 可實(shí)現(xiàn)鏡面加工 有很高的導(dǎo)熱性人造金剛石有較低的線膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù) 其熱導(dǎo)率約為硬質(zhì)臺(tái)金的2 7倍 陶瓷的7 36倍 而熱膨脹系數(shù)只有硬質(zhì)臺(tái)金的1 1l和陶瓷的1 8 固此 切削熱變形小 尺寸精度穩(wěn)定 耐熱性較差人造金剛石的溫度超過800 C時(shí)就會(huì)碳化而失去切削能力 且與鐵有較強(qiáng)的化學(xué)親和力 高溫時(shí)金剛石中的碳元素會(huì)很快擴(kuò)散到鐵中去 而使刃口 破裂 因此 金剛石刀具一般不適于加工鐵系金屬 5強(qiáng)度很低人造金剛石脆性大 抗沖擊能力差 對(duì)振動(dòng)很敏感 要求機(jī)床精度高 平穩(wěn)性好 且只適于切削層面積不大的精細(xì)加工 使用場合 人造金剛石主要用于制作磨具和磨料 用作刀具材料時(shí) 多用于在高速下精細(xì)車削或鏜削有色金屬及非金屬材料 尤其是用它切削加工硬質(zhì)合金 陶瓷 高硅鋁合金及耐磨塑料等高硬度 高耐磨性的材料時(shí) 具有很大的優(yōu)越性 2 立方氮化硼 CBN 立方氮化硼是由六方氮化硼 俗稱白石墨 在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的 它是70年代才發(fā)展起來的一種新型刀具材料 其特點(diǎn) 硬度很高可達(dá)到HV8000 9000 2熱穩(wěn)定性好立方氮化硼具有比金剛石更好的熱穩(wěn)定性 其耐熱性可達(dá)1300 1400 C 其高溫硬度高于陶瓷刀具 當(dāng)溫度高達(dá)1370 C以上時(shí) 才開始由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄w而軟化 因此 CBN適合在高速下加工高溫合金 3化學(xué)穩(wěn)定性好立方氮化硼具有比金剛石更好的化學(xué)惰性 在1000 C以下時(shí) 不發(fā)生氧化現(xiàn)象 與鐵系金屬在1200 1300 C時(shí)也不易起化學(xué)反應(yīng) 因此 在高速下切削淬火鋼 冷硬鑄鐵時(shí) 其粘接和擴(kuò)散磨損較小 但在高溫時(shí) 1000 以上 易與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng) 有較高的熱導(dǎo)率和較小的摩擦系數(shù)立方氮化硼的熱導(dǎo)率比金剛石低 約為金剛石的1 2 但遠(yuǎn)高于陶瓷刀具 且熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增加 這一性能對(duì)降低刀尖處的溫度大有好處 并且摩擦系數(shù)小 強(qiáng)度及韌性較差立方氮化硼的抗彎強(qiáng)度約為陶瓷刀具的1 5 1 2 一般只用于精加工 根據(jù)CBN的性能特點(diǎn) 它最適于加工高硬度淬火鋼 高溫合金等 特別在精鏜小直徑孔時(shí) 6 35mm 公差等級(jí)可達(dá)IT6級(jí) 表面粗糙度值小于Ra0 2 m CBN一般不適合加工塑性大的鋼鐵金屬和鎳基合金 也不適合加工鋁合金及銅合金 因容易產(chǎn)生嚴(yán)重的積屑瘤 使已加工表面質(zhì)量惡化 由于CBN脆性大 不宜低速切削 通常采用負(fù)前角高速切削 以發(fā)揮刀具材料在高溫時(shí)相對(duì)工件材料的硬度優(yōu)勢 三 刀具材料的選擇 如何才能正確選擇刀具材料 牌號(hào) 需要全面掌握金屬切削的基本知識(shí)和規(guī)律 最主要的是了解刀具材料的切削性能和工件材料的切削加工性能以及加工條件 抓住切削中的主要矛盾并考慮經(jīng)濟(jì)合理來決定取舍 一般應(yīng)遵循以下原則 1 加工普通工件材料時(shí) 一般選用普通高速鋼與硬質(zhì)合金加工難加工材料時(shí)可選用高性能和新型刀具材料牌號(hào) 只有在加工高硬材料或精密加工中常規(guī)刀具材料難以勝任時(shí) 才考慮用超硬材料立方氮化硼和金剛石 2 由于任何刀具材料在強(qiáng)度 韌性和硬度耐磨性兩者之間總是難以完全兼顧的 我們在選擇刀具材料牌號(hào)時(shí) 根據(jù)工件材料切削加工性和加工條件 通常先考慮耐磨性 崩刃問題盡可能用最佳幾何參數(shù)解決 如果因刀具材料性脆還要崩刃 再考慮降低耐磨性要求 選強(qiáng)度和韌性較好的牌號(hào) 一般來說 低速切削時(shí) 切削過程不平穩(wěn) 容易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象 宜選強(qiáng)度和韌性好的刀具材料 高速切削時(shí) 高的切削溫度對(duì)刀具材料的磨損影響最大 應(yīng)選擇耐磨性好的刀具材料牌號(hào) 二金屬切削過程 金屬切削過程是用刀具從工件表面上切去多余的金屬 形成已加工表面的過程 也是工件的切削層在刀具前面擠壓下產(chǎn)生塑性變形 形成切屑而被切下來的過程 切削過程中的許多物理現(xiàn)象 如切削力 切削熱 刀具磨損等 都與金屬的變形及其變化規(guī)律有密切的關(guān)系 研究切削過程對(duì)保證加工質(zhì)量 提高生產(chǎn)率 降低成本和促進(jìn)切削加工技術(shù)的發(fā)展 有著十分重要的意義 一 切削過程及切屑類型切削過程中的各種物理現(xiàn)象 都是以切屑形成過程為基礎(chǔ)的 了解切屑形成過程 對(duì)理解切削規(guī)律及其本質(zhì)是非常重要的 現(xiàn)以塑性金屬材料為例 說明切屑的形成及切削過程中的變形情況 一 切屑的形成過程圖2 1所示為將切屑形成過程粗略地比擬為推擠一疊卡片的形象化模型 金屬被切削層好比一迭卡片1 2 3 4 等 當(dāng)?shù)毒咔腥霑r(shí)這迭卡片被摞到1 2 3 4 的位置 卡片之間發(fā)生滑移 這滑移的方向就是剪切面 當(dāng)然卡片和前刀面接觸這一端應(yīng)該是平整的 外側(cè)是鋸齒的 或呈不明顯的毛茸狀 當(dāng)?shù)毒咦饔糜谇行紝?切削刃由a相對(duì)運(yùn)動(dòng)至0時(shí) 整個(gè)切削單元OMma就沿著OM面發(fā)生剪切滑移 或者O面不動(dòng) 平行四邊形OMma受到剪切應(yīng)力的作用 變成了平行四邊形OMm1a1 圖2 1 b 實(shí)際上切屑單元在刀具前面作用下還受到擠壓 因而底邊膨脹為Oa2 形成近似梯形的切屑單元OMm2a2 圖2 1c 許多梯形疊加起來就迫使切屑向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)而彎曲 因此也可以說 金屬切削過程是切削層受到刀具前面的擠壓后 產(chǎn)生以剪切滑移為主的塑性變形 而形成為切屑的過程 切屑形成過程模擬 返回 返回 二 三個(gè)變形區(qū)根據(jù)切削實(shí)驗(yàn)時(shí)制作的金屬切削層變形圖片 可繪制出如圖2 2所示的金屬切削層的滑移線和流線示意圖 流線表示被切削金屬的某一點(diǎn)在切削過程中流動(dòng)的軌跡 由圖2 2可見 切削過程中切削層金屬的變形可大致劃分為三個(gè)變形區(qū) l 第一變形區(qū) 從OA線 稱始剪切線 開始發(fā)生塑性變形 到OM線 稱終剪切線 晶粒的剪切滑移基本完成 這一區(qū)域 I 稱為第一變形區(qū) 2第二變形區(qū)切屑沿前刀面排出時(shí)進(jìn)一步受到前刀面的擠壓和摩擦 使靠近前刀面處的金屬纖維化 纖維化方向基本上和前刀面平行 這一區(qū)域稱為第二變形區(qū) 3第三變形區(qū)已加工表面受到刀刃鈍圓部分和后刀面的擠壓與摩擦 產(chǎn)生變形與回彈 造成纖維化與加工硬化 這部分稱為第三變形區(qū) 這三個(gè)變形區(qū)匯集在刀刃附近 切削層金屬在此處與工件母體分離 一部分變成切屑 很小一部分留在已加工表面上 圖2 2金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖 第 變形區(qū)近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū) 第 變形區(qū)與前刀面接觸的切屑底層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū) 第 變形區(qū)近切削刃處已加工表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū) 返回 三 第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形 追蹤切削層上任一點(diǎn)P 可以觀察切屑的變形和形成過程 圖2 3 當(dāng)切削層中金屬某點(diǎn)P向切削刃逼近 到達(dá)點(diǎn)1時(shí) 此時(shí)其剪切應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度 s 故點(diǎn)1在向前移動(dòng)的同時(shí) 也沿OA滑移 其合成運(yùn)動(dòng)使點(diǎn)l流動(dòng)到點(diǎn)2 2 2 為滑移量 當(dāng)P點(diǎn)依次到達(dá)3 4點(diǎn)后 其流動(dòng)方向與前刀面平行 不再沿OM線滑移 OA稱為始剪切滑移線 OM稱為終剪切滑移線 結(jié)論 在OA到OM之間的第一變形區(qū)內(nèi) 其變形的主要特征是沿滑移線的剪切滑移變形以及隨之產(chǎn)生的加工硬化 從金屬晶體結(jié)構(gòu)的角度說 沿滑移線的剪切變形就是沿晶格中晶面的滑移 見圖2 4 工件材料的晶粒 可假定為圓顆粒 圖2 4 a 受剪應(yīng)力后 晶格內(nèi)晶面發(fā)生位移 晶粒呈橢圓形 圓的直徑AB變成長軸A B 圖2 4b A B 就是晶粒纖維化的方向 2 4C 晶粒伸長的方向就是纖維化的方向 是與滑移方向剪切面的方向不重合的 它們成一夾角 圖2 5 返回 在一般切削速度范圍內(nèi) 第一變形區(qū)的寬度僅為0 02 0 2mm 所以可以用剪切面來表示 剪切面和切削速度方向的夾角稱為剪切角 以 表示 四 變形程度的表示方法 1 剪切角 實(shí)驗(yàn)證明剪切角 的大小和切削力的大小有直接聯(lián)系 對(duì)于同一工件材料 用同樣的刀具 切削同樣大小的切削層 如 角較大 剪切面積變小 見圖2 6 即變形程度較小 切削比較省力 所以 角本身就表示變形的程度 2變形系數(shù) 切削時(shí) 切屑厚度ach通常都要大于切削厚度ac 而切屑長度lch卻小于切削長度lc 如圖2 7 切屑厚度與切削厚度之比稱為厚度變形系數(shù) a 而切削長度與切屑長度之比稱為長度變形系數(shù) l 即 由于切削寬度與切屑寬度差異很小 根據(jù)體積不變原則 有 a l 變形系數(shù) 是大于1的數(shù) 可以用剪切角 表示 上式也可寫成 用剪切角 來衡量變形的大小 測量比較麻煩 而變形系數(shù) 可直觀反映切屑的變形程度 并且容易測量 五 前刀面的擠壓與摩擦及其對(duì)切屑變形的影響 1前刀面上的摩擦塑性金屬在切削過程中 切屑與前刀面之間壓力很大 再加上幾百度的高溫 實(shí)際上切屑底層與前刀面呈粘結(jié)狀態(tài) 故切屑與前刀面之間不是一般的外摩擦 而是切屑和前刀面粘結(jié)層與其上層金屬之間的內(nèi)摩擦 這種內(nèi)摩擦實(shí)際上就是金屬內(nèi)部的滑移剪切 它不同于外摩擦 外摩擦力的大小與摩擦系數(shù)以及正壓力有關(guān) 與接觸面積無關(guān) 而是與材料的流動(dòng)應(yīng)力特性以及粘結(jié)面積大小有關(guān) 圖2 8給出切屑與前刀面摩擦?xí)r的情形 刀 屑接觸部分可分為兩個(gè)區(qū)域 在粘結(jié)部分為內(nèi)摩擦 滑動(dòng)部分為外摩擦 圖中也表示出了整個(gè)刀 屑接觸區(qū)上正應(yīng)力 r的分布 顯然金屬的內(nèi)摩擦力要比外摩擦力大得多 因此 應(yīng)著重考慮內(nèi)摩擦 令 為前刀面上的平均摩擦系數(shù) 則 式中 Af1 內(nèi)摩擦部分的接觸面積 av 內(nèi)摩擦部分的平均正應(yīng)力 s 工件材料剪切屈服強(qiáng)度 由于 s隨切削溫度升高略有下降 隨材料硬度 切削厚度及刀具前角而變化 其變化范圍較大 因此 是一個(gè)變數(shù) 返回 2 影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素工件材料 切削厚度 刀具前角和切削速度是影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素 實(shí)驗(yàn)表明在相同切削條件下 加工幾種不同工件材料 如銅 10鋼 10Cr鋼 1Crl8Ni9Ti等 隨著工件材料的強(qiáng)度和硬度的依次增大 摩擦系數(shù) 略有減小 這是由于當(dāng)切削速度不變時(shí) 材料的硬度 強(qiáng)度大時(shí) 切削溫度增高 故摩擦系數(shù)下降 切削厚度ac增加時(shí) 也略為下降 如10鋼的ac從0 lmm增大到0 18mm 從0 74降至0 72 因?yàn)閍c增加后正應(yīng)力也隨之增大 在一般切削速度范圍內(nèi) 前角 愈大 則 值愈大 因?yàn)殡S著 增大 正應(yīng)力減小 故 增加 切削速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響見圖2 9 當(dāng)u 30m min時(shí) 切削速度提高 摩擦系數(shù)變大 這是因?yàn)樵诘退賲^(qū)切削溫度較低 前刀面與切屑底層不易粘接 粘結(jié)的嚴(yán)密程度隨速度 溫度 增高而發(fā)展 從而使 上升 當(dāng)v超過30m min后 溫度進(jìn)一步升高 材料塑性增加 而使切屑底層材料的 s下降 故 隨之逐漸下降 9 六 積屑瘤的形成及其對(duì)切削過程的影響 概念 在切削速度不高而又能形成連續(xù)性切屑的情況下 加工鋼料等塑性材料時(shí) 常在前刀面切削處粘著一塊剖面呈三角狀的硬塊 它的硬度稍高 通常是工件材料的2 3倍 在處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) 能夠代替刀刃進(jìn)行切削 這塊冷焊在前刀面上的金屬稱為積屑瘤 形成機(jī)理 切削加工時(shí) 切屑與前刀面發(fā)生強(qiáng)烈摩擦而形成新鮮表面接觸 當(dāng)接觸面具有適當(dāng)?shù)臏囟群洼^高的壓力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生粘結(jié) 冷焊 于是 切屑底層金屬與前刀面冷焊而滯留在前刀面上 連續(xù)流動(dòng)的切屑從粘在刀面的底層上流過時(shí) 在溫度 壓力適當(dāng)?shù)那闆r下 也會(huì)被阻滯在底層上 使粘結(jié)層逐層在前一層上積聚 最后長成積屑瘤 影響因素 a 積屑瘤的產(chǎn)生以及它的積聚高度與金屬材料的硬化性質(zhì)有關(guān) 材料的加工硬化趨勢愈強(qiáng) 愈易產(chǎn)生積屑瘤 b 與刃前區(qū)的溫度和壓力狀況有關(guān) 刃前區(qū)的溫度和壓力太低 不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤 如溫度太高 產(chǎn)生弱化作用 也不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤 對(duì)碳素鋼 約在300 500 C時(shí)積屑瘤最高 到500 C以上時(shí)趨于消失 C 積屑瘤高度與切削速度之間的關(guān)系見圖 2 10 在低速區(qū)I中不產(chǎn)生積屑瘤 在區(qū) 中積屑瘤高度隨切削速度增加而加大至最大值 在區(qū) 內(nèi)積屑瘤高度隨切削速度增加而減小 在 區(qū)內(nèi)積屑瘤不再生成 10m min 10 11 d 積屑瘤對(duì)切削過程的影響 1 使實(shí)際前角增大 積屑瘤粘結(jié)在前刀面上 圖2 11 加大了刀具的實(shí)際前角 可使切削力減小 積屑瘤愈高 實(shí)際前角愈大 2 增大切入深度 如圖2 11所示 積屑瘤使刀具切入深度增加了 ac 由于積屑瘤的產(chǎn)生 成長與脫落是一個(gè)周期性過程 ac的變化有可能引起振動(dòng) 3 使加工表面粗糙度值增大 積屑瘤的頂部很不穩(wěn)定 易破裂 其破裂的部分碎片可能留在已加工表面上 積屑瘤凸出刀刃部分使加工表面變得粗糙 4 影響刀具耐用度 積屑瘤相對(duì)穩(wěn)定時(shí) 可代替刀刃切削 能提高刀具耐用度 但在不穩(wěn)定時(shí) 積屑瘤的破裂有可能導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具的剝落磨損 在精加工時(shí)應(yīng)避免或減小積屑瘤 其措施有 控制切削速度 盡量采用很低或很高的速度 避開中速區(qū) 使用潤滑性能好的切削液 以減小摩擦 增大刀具前角 以減小刀 屑接觸區(qū)壓力 提高工件材料硬度 減少加工硬化傾向 七 切屑變形的變化規(guī)律在分析了切削過程中第一變形區(qū) 第二變形區(qū)的變形和摩擦之后 我們來歸納一下影響切屑變形的主要因素 以便利用這些規(guī)律優(yōu)化切削過程 1工件材料對(duì)切屑變形的影響工件材料強(qiáng)度愈高 切屑變形愈小 這是因?yàn)楣ぜ牧蠌?qiáng)度愈高 摩擦系數(shù)愈小 根據(jù) 4 0及 cos 0 sin 兩式可知 減小時(shí) tg 剪切角 將增大 于是變形系數(shù) 將減小 工件材料的塑性也是影響切屑變形的主要囡素 在相同的切削條件下 工件材料的塑性愈大 切屑變形就愈大 2刀具前角對(duì)切屑變形的影響刀具前角 0愈大 切屑變形愈小 這是因?yàn)楫?dāng) 0增加時(shí) 根據(jù)式 30 剪切角 增大 因而變形系數(shù) 減小 另一方面 0增大使摩擦角 增加 導(dǎo)致 減小 但其影響比 0增加的影響小 結(jié)果還是作用角w 0減小 從而使 增加 變小 3切削速度對(duì)切屑變形的影響在無積屑瘤的切削速度范圍內(nèi) 切削速度愈高 則變形系數(shù)愈小 這有兩方面原因 其一是因?yàn)樗苄宰冃蔚膫鞑ニ俣容^彈性變形的慢 如圉2 14所示 當(dāng)切削速度低時(shí) 金屬始剪切面為OA 但當(dāng)切削速度高時(shí) 金屬流動(dòng)速度大于塑性變形速度 亦即在OA線上尚未顯著變形就已流動(dòng)到0A 線上 這意味著此時(shí)的第一變形區(qū)后移 使 增大 圖中 其二是v對(duì) 有影響 除低速區(qū)外 v增大 則 減小 因此 減小 參見圖2 11 4切削厚度對(duì)切屑變形的影響當(dāng)切削厚度增加時(shí) 摩擦系數(shù)減小 增大 變形變小 可見 在無積屑瘤情況下 f愈大 ac愈大 則 愈小 從另一方面來看 切屑中的底層變形最大 離前面愈遠(yuǎn)的切屑層變形愈小 因此 f愈大 ac愈大 切屑中平均變形則愈小 反之 切屑愈薄 變形量愈大 八 切屑的類型 1 帶狀切屑外形連續(xù)不斷呈帶狀 它的內(nèi)表面光滑 外表面毛茸 加工塑性金屬材料 當(dāng)切削厚度較小 切削速度較高 刀具前角較大時(shí) 一般常得到這類切屑 它的切削過程平衡 切削力波動(dòng)較小 已加工表面粗糙度較小 例如切削碳素鋼 合金鋼 銅和鋁合金時(shí)常出現(xiàn)這類切屑 易切鋼易得到這類切屑 根據(jù)切削層變形特點(diǎn)和變形后形成切屑的外形不同通常將切屑分為以下四類 2 擠裂切屑 節(jié)狀切屑 這類切屑與帶狀切屑不同之處在外表面呈鋸齒形 內(nèi)表面有時(shí)有裂紋 這種切屑大多在切削速度較低 切削厚度較大 刀具前角較小時(shí)產(chǎn)生 3 單元切屑如果在擠裂切屑的剪切面上 裂紋擴(kuò)展到整個(gè)面上 則整個(gè)單元被切離 成為梯形的單元切屑 以上三種切屑只有在加工塑性材料時(shí)才可能得到 其中 帶狀切屑的切削過程最平穩(wěn) 單元切屑的切削力波動(dòng)最大 在生產(chǎn)中最常見的是帶狀切屑 有時(shí)得到擠裂切屑 單元切屑則很少見 假如改變擠裂切屑的條件 如進(jìn)一步減小刀具前角 減低切削