金屬切削原理與刀具設計課件2刀具材料.ppt

,第二章 刀具材料,金屬切削原理與刀具,石家莊鐵道學院,1）高的硬度和耐磨性 2）足夠的強度和韌性 3）較好的熱硬性 4）良好的工藝性 5）經濟性,2.1 概述,刀具材料對刀具的壽命、加工質量、切削效率和制造成本均有較大的影響 刀具切削部分在切削時要承受高溫、高壓、強烈的摩擦、沖擊和振動,2.1 概述,2.1 概述,刀具材料種類很多，常用的有： 碳素工具鋼 合金工具鋼 高速鋼 硬質合金 陶瓷 金剛石（天然和人造） 立方氮化硼等,2.2 刀具材料, 工具鋼,碳素工具鋼是指含碳0.65%-1.35%的優(yōu)質高碳鋼。常用T12A。 特點：耐熱性差 應用：常用于制造各種手工與低速工具。（如銼刀）,2.2 .1 工具鋼與合金工具鋼, 合金工具鋼,合金工具鋼是指在高碳鋼中加入Si、W、Mn等合金元素（一般不超過3%-5%），可提高淬透性和回火穩(wěn)定性，細化晶粒，減小變形。常用9SiCr、CrWMn。 應用：常用于制造各種低速工具。（如絲錐、板牙）,高速鋼是一種加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。 別名： （風鋼）良好的淬透性，空氣中冷卻就可得到高硬度。 （鋒鋼）刃容鋒利。 （白鋼）磨光后，表面光亮。,2.2.2 高速鋼,特點 1）較高的熱穩(wěn)定性：切削溫度高達500- 650，與碳素工具鋼，合金工具鋼相比，切削速度提高1-3倍，耐用度提高10-40倍， 可加工有色金屬至高溫合金（范圍廣）。 2）高強度，韌性：抗彎強度為硬質合金的2- 3倍數，是陶瓷的5-6倍，韌性比它們高幾十倍。 3）一定的硬度（HRC63-70）：耐磨性好，適合各類切削刀具的要求，也可用于在剛性較差的機床上加工。 4）可加工性好，熱處理變形較小。 5) 材料性能較硬質合金和陶瓷穩(wěn)定，在自動機床上使用可靠。 因此，盡管各種新型刀具材料不斷出現(xiàn)，高速鋼仍占現(xiàn)用刀具材料的一半以上。,2.2 .2 高速鋼,分類,2.2.2 高速鋼,普通高速鋼 常用W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V 高性能高速鋼 再加入一些合金、性能高。如W6MoSCr4V2、W6MoSCr4V3，比通用型高速鋼具有更好的切削性能，適合于加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、釷合金和高強度鍘等難加工材料。 粉末冶金高速鋼 制造工藝不同，其性能優(yōu)于上述的高速鋼 。,普通高速鋼,分鎢鋼，鎢鉬鋼兩類，V不高于40-60%。 鎢鋼 W18Cr4V（1841）此牌號國內普遍使用，性能穩(wěn)定，刃磨、熱處理工藝控制較方便，國外鎢價高，很少使用。綜合性能好，600，HRC48.5，用以制造各種復雜刀具。 優(yōu)點：（1）淬火時過熱傾向小。（2）含釩少，磨加工性好。（3）碳化物含量高，塑性變形抗力較大 缺點：（1）碳化物分布不均勻，剩余碳化物顆粒大（最大30m），影響薄刃刀具或小截面刀具的耐用度。（2）強度和韌性，顯得不夠，此材料直徑30mm，抗彎強度3.5Ga ； 直徑6080mm，抗彎強度22.3Ga， 適宜做小截面刀具，此時強度，韌性才是滿意的。（3）熱塑性差，很難用作熱成形法制造的刀具（如熱軋鉆頭）。,2.2.2 高速鋼,普通鋼高速,鎢鉬鋼 W6M05Cr4V2（6542），因為缺鎢而產生 優(yōu)點 （1）合金元素少，減少了碳化物數量及分布不均勻性，有利于提高高溫塑性、抗彎強度、沖擊韌性，抗彎強度比W18高1015%，韌性高5060%。 （2）可加大截面刀具，可做尺寸較大，承受沖擊力較大的刀具。 缺點 淬火溫度范圍窄，脫碳，過熱敏感性大，主要用于熱軋刀具（扭槽，麻花鉆）,2.2.2 高速鋼,應用：常用于制造各種復雜刀具（如鉆頭、絲錐、拉刀、成型刀具、齒輪刀具等）。 高速鋼的表面處理與涂層 表面化學處理：提高刀具的切削性能 如：（氧氮化處理）：將刀具成品置于氨氣和水蒸氣的混和體中，540560保溫12小時，形成0.003mmFe3O4氧化膜，內層為氧、氮、碳擴散層：厚0.03-0.05mm。HV1000以上，耐用度提高60%-70%。 涂層：物理氣相沉積TiN涂層 550以下高真空下進行，鈦氣化與氮反應，生成TiN（0.002mm），HRC80以上，切削力，切削溫度下降25%，Vf提高一倍，耐用度顯著提高。重磨后，性能仍優(yōu)于普通高速鋼。,2.2 .2 高速鋼刀具材料,2.2.2 高速鋼,超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預燒結的硬質合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。 天然金剛石是自然界最硬的材料，根據其質量的不同，硬度范圍為HK800012000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.483.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700800。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達0.01m左右，刀具壽命可長達數百小時。但天然金剛石價格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。 聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK65008000，價格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場合替代天然金剛石刀具。 用等離子CVD法開發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復雜的刀具（如硬質合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。 聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500間變動，其耐熱性達1200左右，化學惰性很好，在1000的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學反應。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,硬質合金是用高硬度、高熔點的金屬碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金屬粘結劑（如Co、Ni、Mo等）經高壓成型后，再在高溫下燒結而成的粉末冶金制品。 性能 硬度可達8993HRA（74-82HRC） 切削溫度達8001000 切削速度可達100300mmin 韌性差，抗彎強度低，不能承受較大的沖擊載荷,2.2.3 硬質合金,超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預燒結的硬質合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。 天然金剛石是自然界最硬的材料，根據其質量的不同，硬度范圍為HK800012000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.483.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700800。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達0.01m左右，刀具壽命可長達數百小時。但天然金剛石價格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。 聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK65008000，價格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場合替代天然金剛石刀具。 用等離子CVD法開發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復雜的刀具（如硬質合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。 聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500間變動，其耐熱性達1200左右，化學惰性很好，在1000的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學反應。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,特點 硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性都很高，允許的切削速度遠高于高速鋼，且能切削諸如淬火鋼等硬材料。硬質合金的不足是與高速鋼相比，其抗彎強度較低、脆性較大，抗振動和沖擊性能也較差。,應用 硬質合金因其切削性能優(yōu)良而被廣泛用來制作各種刀具。在我國，絕大多數車刀、面銑刀和深孔鉆都采用硬質合金制造，目前，在一些較復雜的刀具上，如立銑刀、孔加工刀具等也開始應用硬質合金制造。,2.2.3 硬質合金,分類和使用性能 ISO（國際標準化組織）將切削用硬質合金分三類： P類：用于加工長切屑的黑色金屬，如普通碳鋼、合金鋼等，相當于我國的YT類。牌號有P01、P10、P20、P30、P50等。精加工可用P01，半精加工選用Pl0、P20，粗加工宜用P30。 K類：用于加工短切屑的黑色金屬，有色金屬和非金屬材料，相當于我國的YG類。其牌號有K01、K10、K20、K30、K40等，精加工可用K01，半精加工選用K10，粗加工宜用K30 M類：具有較好的綜合切削性能，用于加工長或短切屑的黑色金屬和有色金屬，如普通碳鋼、鑄鋼、冷硬鑄鐵、耐熱鋼、高錳鋼、有色金屬等，相當于我國的YW類。其牌號有M10、M20、M30、M40，精加工可用M10，半精加工選用M20，粗加工宜用M30 現(xiàn)代加工材料中 9095%可用P和K類硬質合金加工，510%可用M類硬質合金加工。,2.2.3 硬質合金,YG：鎢鈷類硬質合金 （WC+Co）硬質合金 主要牌號：YG3x、YG6x、YG6、YG8，分別含Co為3%、6%、6%、8% 特點：抗彎強度與韌性比YT高，導熱性高，加工性好，刃口容易磨得鋒利，硬度差。 Co越高韌性越好，用于粗加工，反之Co越低，用于精加工。 適宜加工材料：鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。,2.2.3 硬質合金,YT：鎢鈦鈷類（WC+TiC+ Co） 主要牌號 YT5、YT14、YT15、YT30數字為TiC含量。碳化鈦含量分別為：5%、14%、15%、30%。 鈷含量分別為：10%、8%、6%、4%。 適宜加工材料：鋼,2.2.3 硬質合金,超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預燒結的硬質合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。 天然金剛石是自然界最硬的材料，根據其質量的不同，硬度范圍為HK800012000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.483.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700800。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達0.01m左右，刀具壽命可長達數百小時。但天然金剛石價格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。 聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK65008000，價格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場合替代天然金剛石刀具。 用等離子CVD法開發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復雜的刀具（如硬質合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。 聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500間變動，其耐熱性達1200左右，化學惰性很好，在1000的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學反應。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,2.2.3 硬質合金, 陶瓷刀具材料,陶瓷材料是以AL2O3為主要成份，在高溫下，燒結而成的一種刀具材料。 常用陶瓷包括： 1）純AL2O3陶瓷 2）AL2O3TiC混和陶瓷,2.2.4 陶瓷刀具材料,特點 很高的硬度與耐磨性，HRA9195，高于硬質合金。 使用良好時，有很高的耐用度。 很高的耐熱性，760 HRA87， 1200 HRA80，切削速度比硬質合金高25倍，抗彎強度，韌性下降極小。 很高的化學穩(wěn)定性，與金屬親和力小， 抗粘結，抗擴散，抗氧化能力強。 較低的摩擦系數，切屑不易粘刃，不易產生積屑瘤，加工表面粗糙度較小。,主要缺點是性脆、抗沖擊韌性差，抗彎強度低。導熱率低，1/21/5，不宜溫度波動，不 能用切削液。,2.2.4 陶瓷刀具材料,天然金剛石是自然界最硬的材料，耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達0.01m，刀具壽命可達數百小時。因價格昂貴，主要用于高速、精密加工。 聚晶金剛石由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，硬度比天然金剛石略低（HK65008000