金屬切削原理第2章

金屬切削原理與刀具設(shè)計(jì)

（40學(xué)時(shí)）第二章刀具材料

在切削過(guò)程中，刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任務(wù)。其性能的優(yōu)劣取決于構(gòu)成切削部分的①材料、②幾何形狀、③幾何角度和④刀具的合理結(jié)構(gòu)?！锏毒卟牧习l(fā)展重要性：國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)（CIRP）曾在一項(xiàng)研究報(bào)告中指出：“由于刀具材料的改進(jìn)，允許的切削速度每隔十年幾乎提高一倍?！?/p>

“工欲善其事，必先利其器”§2-1概述一、刀具材料應(yīng)具備性能1.較高的硬度（常溫硬度在62HRC以上）。2.耐磨性好，以抵抗切削中的磨損。是刀具材料機(jī)械性能、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能的綜合反映。3.較好的強(qiáng)度和韌性以承受切削力、沖擊和振動(dòng)。強(qiáng)度與硬度是相互矛盾的，兼顧而有所側(cè)重。磨削比=————刀具磨削性能好磨削量砂輪磨損體積6.工藝性可加工性：鍛、軋、焊、切、磨、熱4.耐熱性(紅硬性）較好。高溫下保證前三條，并有良好的抗擴(kuò)散、抗氧化的能力。5.導(dǎo)熱性和膨脹系數(shù)。導(dǎo)熱性↑，切削溫度↓，刀具使用壽命長(zhǎng)；線膨脹系數(shù)↓，刀具熱變形↓，加工件精度↑。7.經(jīng)濟(jì)性。二、刀具材料類(lèi)型刀具材料類(lèi)型工具鋼硬質(zhì)合金陶瓷超硬刀具人造金剛石立方氮化硼氮化硅陶瓷氧化鋁碳化物氧化鋁陶瓷碳化鈦基類(lèi)含鈮、鉭類(lèi)鎢鈦鈷類(lèi)鎢鈷類(lèi)高速鋼合金工具鋼碳素工具鋼三、刀體材料刀具類(lèi)型及刀體材料硬質(zhì)合金螺紋刀具、成形銑刀、拉刀高速鋼整體機(jī)夾、可轉(zhuǎn)位分體焊接小直徑鏜刀、鉸刀碳鋼或者合金鋼合金鋼：9CrSi、GCr15§2-2高速鋼▲高速鋼是一種含W、Mo、Cr、V等合金元素較高的合金工具鋼。又稱(chēng)“鋒鋼”或“白鋼”。主要性能指標(biāo)：62~66HRC、抗彎強(qiáng)度3.3GPa、耐熱性可達(dá)600℃?！咚黉摼C合性能較好，應(yīng)用范圍最廣的刀具材料。▲熱處理變形小、能鍛造、易磨出較鋒利的刃口、可制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的成形刀具。例如孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、切齒刀具等。一、通用型高速鋼：應(yīng)用最廣，占75%；分為鎢系和鎢鉬系；含碳量0.7~0.9%。鎢系：W18Cr4V(18-4-1)鎢鉬系：W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)鎢鉬系：W9Mo3Cr4V(9-3-4-1)二、高生產(chǎn)率高速鋼：通過(guò)調(diào)整基本化學(xué)成分，或填加其他元素如C、V、Co、Al等提高其耐熱性和耐磨性。高碳高速鋼：合金元素全部形成碳化物高釩高速鋼：V增加至3-5%，2800HV鈷高速鋼：W2Mo9Cr4VCo8(M42)

鋁高速鋼：W6Mo5Cr4V2Al(501)三、粉末冶金高速鋼：

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)晶組織細(xì)小均勻，避免碳化物偏析，提高硬度與強(qiáng)度；物理力學(xué)性能各向同性，減少熱處理變形與應(yīng)力，可制造精密刀具；高速鋼水高速鋼粉末熱壓或壓制燒結(jié)高壓氣體或者高壓水霧優(yōu)點(diǎn)：碳化物細(xì)小均勻，可加入大量合金元素或者碳化物而不降低刃磨工藝性；粉末冶金高速鋼提高材料利用率。三、粉末冶金高速鋼：

應(yīng)用：成本較高，主要用于制造成形復(fù)雜刀具，如精密螺紋車(chē)刀、拉刀、切齒刀等。加工高強(qiáng)度鋼、鎳基合金、鈦合金等難加工材料的刨刀、鉆頭、銑刀等。工藝方法及過(guò)程：

物理氣相沉積（PVD）：適當(dāng)真空與溫度環(huán)境下進(jìn)行氣化鈦離子與氮反應(yīng)，在陽(yáng)極刀具表面生成TiN，厚度2－8微米。 此外還有鹽浴軟氮化、氣體軟氮化、輝光離子化、納米真空復(fù)合離子鍍膜等工藝。四、涂層高速鋼：

優(yōu)點(diǎn)：硬度高（2200HV），熱穩(wěn)定性高；切削力、切削溫度下降25%，Vc、f、刀具壽命顯著提高。涂層種類(lèi)及各自的特點(diǎn)：TiN涂層TiC涂層TiCN涂層TiAlN涂層AlTiN涂層TiAlCN涂層DLC(金剛石類(lèi)涂層）CBC（硬質(zhì)合金基類(lèi)涂層）四、涂層高速鋼：

§2-3硬質(zhì)合金一、硬質(zhì)合金組成與性能

絕大多數(shù)車(chē)刀、端銑刀和部分立銑刀、深孔鉆、淺孔鉆、鉸刀等均已采用硬質(zhì)合金制造。是目前最主要的刀具材料之一。組成：由硬度和熔點(diǎn)很高的碳化物（硬質(zhì)相）和金屬（粘結(jié)相）通過(guò)粉末冶金工藝制成的。

硬質(zhì)合金金屬：Co、Mo、Ni粘結(jié)相硬質(zhì)相碳化物：WC、TiC、TaC、NbC性能：硬度高：89~94HRA；耐磨性好；耐熱性好：800~1000℃，加入TaC、NbC，有利于細(xì)化晶粒，提高合金的耐熱性，可提高到1000~1100℃。切削速度可達(dá)100~300m/min，比高速鋼高4~10倍；抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差（常溫下其韌性僅為高速鋼的1/8~1/30），是典型的脆性材料。硬質(zhì)合金按其化學(xué)成份和使用性能分為三大類(lèi)：K類(lèi)（YG）：鎢鈷類(lèi)（WC+Co)P類(lèi)（YT）：鎢鈦鈷類(lèi)（WC＋TiC＋Co）M類(lèi)（YW）：加入稀有金屬碳化物

（WC＋TiC＋TaC(NbC)+Co）書(shū)上表2-3是常用硬質(zhì)合金牌號(hào)與性能二、普通硬質(zhì)合金分類(lèi)、牌號(hào)與使用性能三、細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒合金普通硬質(zhì)合金WC粒度：幾個(gè)微米細(xì)晶粒硬質(zhì)合金WC粒度：1.5個(gè)微米超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金WC粒度：0.2-1個(gè)微米硬質(zhì)相和粘結(jié)相高度分散，增加粘結(jié)面積，提高粘結(jié)強(qiáng)度：硬度提高1.5-2HRA，抗彎強(qiáng)度提高0.6-0.8GPa。三、細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒合金使用場(chǎng)合：1.高硬度、高強(qiáng)度的難加工材料；2.難加工材料的間斷切削，如銑削；3.低速切削的刀具，切斷刀、小鉆頭；4.大前角、后角，小刀尖圓弧進(jìn)行薄層切削的精密刀具，鉸刀拉刀；四、鋼結(jié)硬質(zhì)合金硬質(zhì)相：WC、TiC粘結(jié)相：高速鋼經(jīng)粉末冶金工藝制成可鍛、切、焊、熱。硬度高于高速鋼，強(qiáng)度、韌性勝過(guò)硬質(zhì)合金。用于制造模具、拉刀、銑刀等復(fù)雜工具及刀具五、涂層硬質(zhì)合金采用化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝，在硬質(zhì)合金表面涂覆一層或多層難熔金屬碳化物（TiC、TiN、TiCN、Al2O3)。綜合性能較好，基體強(qiáng)度韌性較好，表面耐磨、耐高溫。刃口不鋒利，搞崩刃性差。廣泛用于粗加工、半精加工、精加工。※正確選用硬質(zhì)合金牌號(hào)對(duì)于發(fā)揮其效能具有重要意義。如：切削鑄鐵及其他脆性材料時(shí)，由于形成崩碎切屑，切削力集中在切削刃處很小的面積上，壓強(qiáng)大，并具有一定的沖擊力，宜選用抗彎強(qiáng)度和韌性較好的WC+Co合金；但它不適宜高速切削鋼料。對(duì)于高溫合金、不銹鋼等難加工材料，由于含Ti，導(dǎo)熱性差，容易發(fā)生冷焊，要求刀具中不含Ti,并有較好的導(dǎo)熱性，所以宜用YG類(lèi)合金并采用較低的切削速度?！?-4陶瓷組成及工藝：Al2O3或者Si3N4為基體，加入少量金屬，在高溫下燒結(jié)而成。主要特點(diǎn)：1.高硬度、高耐磨性、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、磨擦系數(shù)低2.強(qiáng)度與韌性低、熱導(dǎo)率低▲陶瓷種類(lèi)與使用：氧化鋁－碳化物系陶瓷氮化硅基陶瓷用途：主要用于鋼、鑄鐵、鋁合金、高溫合金精加工和半精加工；對(duì)淬硬鋼、冷硬鑄鐵車(chē)削、銑削特別有效。(1)金剛石

▲天然單晶金剛石（10000HV）可制砂輪，是磨削高硬度脆性材料（硬質(zhì)合金）特效刀具，金剛石不能加工鐵族材料，切削溫度＜700℃▲人造聚晶金剛石（高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成）可做切削刀片，加工硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等高硬、脆性材料；也可加工有色金屬及其合金。§2-5超硬刀具材料▲金剛石燒結(jié)體，在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層約0.5mm厚的聚晶金剛石。優(yōu)點(diǎn)：硬度和耐磨性極高；導(dǎo)熱性好；熱膨脹系數(shù)低；刃口非常鋒利，刃面粗糙度較?。弧?-5超硬刀具材料金剛石砂輪激光金剛石切割片（2）立方氮化硼（高溫高壓下由六方氮化硼[白石墨]制成）▲CBN由于優(yōu)異的性能發(fā)展速度較金剛石快，目前以10%~15%年增長(zhǎng)▲優(yōu)點(diǎn)：硬度和耐磨性僅次于金剛石，達(dá)到3500-4500HV；耐熱性高，1300℃時(shí)不氧化，大多數(shù)金屬不起化學(xué)作用；導(dǎo)熱性好；強(qiáng)度與韌性介于陶瓷與硬質(zhì)合金之間。▲適用范圍：淬硬鋼、冷硬鑄鐵的粗加工與半精加工；高速切削高溫合金、熱噴涂材料等難加工材料。★刀具技術(shù)的新發(fā)展：高速與超高速機(jī)床的出現(xiàn)，使得在切削加工技術(shù)步入以高速切削HSC（HighSpeedCutting）為重要特征的全新發(fā)展階段。新型刀具材料和涂層技術(shù)的發(fā)展又為高速切削工藝的發(fā)展創(chuàng)造了條件。1、20世紀(jì)70年代出現(xiàn)化學(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDeposition）和物理氣相沉積PVD兩種硬質(zhì)涂層技術(shù)。至今涂層材料已由單一TiN涂層、TiC涂層，經(jīng)歷了TiC-AI2O3-TiN復(fù)合涂層，TiCN、TiAIN等多元復(fù)合涂層的發(fā)展階段，又發(fā)展到了TiN/NbN、TiN/CN等多元復(fù)合薄膜材料，使刀具涂層材料的性能有了更大的提高。2、1995年又出現(xiàn)涂復(fù)金剛石層的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片，這種刀片有極好的切屑控制性能，使切削力大大減小且不生積屑瘤，加工質(zhì)量極好，刀具壽命比常用刀具高10倍。3、20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)科學(xué)家又開(kāi)始合成CBN研究工作；還有尚待突破的技術(shù)是CBN薄膜合成技術(shù)。第2章：作業(yè)：P33：2-1、2-2、2-5硬度值表示方法及適用范圍金屬材料表面抵抗硬物壓入或磨損的能力叫做硬度。1.布氏硬