機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)金屬切削原理

第二章刀具材料(2學(xué)時(shí))基本要求：熟悉刀具應(yīng)具有的性能，掌握高速鋼、硬質(zhì)合金等常用刀具的性能及應(yīng)用。第一節(jié)刀具材料應(yīng)有備的性能第二節(jié)高速鋼、硬質(zhì)合金及涂層刀具第三節(jié)其它刀具材料及刀具材料發(fā)展重點(diǎn)：高速鋼、硬質(zhì)合金刀具的性能及應(yīng)用。難點(diǎn)：按生產(chǎn)實(shí)際情況合理選用刀具材料。

第二章刀具材料(2學(xué)時(shí))用刀具切削金屬時(shí)，直接負(fù)擔(dān)切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好壞，取決于構(gòu)成刀具切削部分的材料、切削部分的幾何參數(shù)及刀具結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)是否合理。切削加工生產(chǎn)率和刀具耐用度的高低，刀具消耗和加工成本的多少，加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等，在很大程度上都取決于刀具材料的合理選擇。刀具材料的發(fā)展受著工件材料發(fā)展的促進(jìn)和影響。第二章刀具材料(2學(xué)時(shí))切削加工最早使用的刀具材料是碳素工具鋼,以后又發(fā)展了合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、人造金剛石、立方氮化硼等各種刀具材料。就用量來看，目前95%以上的機(jī)用刀具都是由高速鋼和硬質(zhì)合金制造的，所以目前的刀具材料可以說仍然是高速鋼與硬質(zhì)合金的時(shí)代。第一節(jié)刀具材料應(yīng)具備的性能

一、高的硬度和耐磨性硬度是刀具材料應(yīng)具備的基本特性.刀具要從工件上切下切屑,其硬度必須比工件材料的硬度大。切削金屬所用刀具的切削刃的硬度，一般都在60HRC以上。耐磨性是材料抵抗磨損的能力。一般來說，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。組織中硬質(zhì)點(diǎn)的硬度越高，數(shù)量越多，顆粒越小，分布越均勻，則耐磨性越高。第一節(jié)刀具材料應(yīng)具備的性能

一、高的硬度和耐磨性刀具材料的耐磨性不僅取決于它的硬度,而且也和它的化學(xué)成分、強(qiáng)度、顯微組織及磨擦區(qū)的溫度有關(guān)?？捎孟率奖硎静牧系哪湍バ訵R：式中：H——材料硬度（GPa)。硬度愈高，耐磨性愈好；KIc——材料的斷裂韌度，（MPa.m1/2).KIc愈大，則材料受應(yīng)力引起的斷裂愈小，故耐磨性愈好；E——材料的彈性模量（GPa)。E小時(shí)，由于磨粒引起的顯微應(yīng)變，有助于產(chǎn)生較低的應(yīng)力，故耐磨性提高第一節(jié)刀具材料應(yīng)具備的性能

二、足夠的強(qiáng)度和韌性要使刀具在承受很大壓力，以及在切削過程中通常要出現(xiàn)的沖擊和振動(dòng)的條件下工作，而不產(chǎn)生崩刃和折斷，刀具材料就必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性。第一節(jié)刀具材料應(yīng)具備的性能第一節(jié)刀具材料應(yīng)具備的性能

三、高的耐熱性（熱穩(wěn)定性）耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要標(biāo)志。它是指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的性能。刀具材料的高溫硬度愈高，則刀具的切削性能愈好，允許的切削速度也愈高。除高溫硬度外，刀具材料還應(yīng)具有在高溫下抗氧化的能力以及良好的抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力，即刀具材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。第一節(jié)刀具材料應(yīng)具備的性能

第一節(jié)刀具材料應(yīng)具備的性能

四、良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能刀具材料的導(dǎo)熱性愈好，切削熱愈容易從切削區(qū)散走，有利于降低切削溫度。刀具在斷續(xù)切削或使用切削液切削時(shí)，常常受到很大的熱沖擊（溫度變化劇烈），因而刀具內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致斷裂。第一節(jié)節(jié)刀刀具具材料料應(yīng)具具備的的性能能四、良良好的的熱物物理性性能和和耐熱熱沖擊擊性能能刀具材材料抵抵抗熱熱沖擊擊的能能力可可用耐耐熱沖沖擊系系數(shù)R表示示,R的定定義式式為:導(dǎo)熱系系數(shù);抗拉拉強(qiáng)度度;泊泊松比比;彈彈性模模量;熱膨膨脹系系數(shù);導(dǎo)熱系系數(shù)大大,使熱熱量容容易散散走,降低低刀具具表面面的溫溫度梯梯度;熱膨脹脹系數(shù)數(shù)小,可減減少熱熱變形形;而而彈性模模量小小,可以以降低低因熱熱變形形而產(chǎn)產(chǎn)生的的交變變應(yīng)力力幅度度;它它們均均有利利于材材料耐耐熱沖沖擊性性能的的提高高.耐熱沖沖擊性性能好好的刀刀具材材料，，在切切削加加工時(shí)時(shí)可使使用切切削液液。第一節(jié)節(jié)刀刀具具材料料應(yīng)具具備的的性能能五、良良好的的工藝藝性能能為便于于刀具具制造造，要要求刀刀具材材料具具有良好的的工藝藝性能能，如鍛鍛造性性能、、熱處處理性性能、、高溫溫塑性性變形形性能能、磨磨削加加工性性能等等。六、經(jīng)經(jīng)濟(jì)性性經(jīng)濟(jì)性性是刀刀具材材料的的重要要指標(biāo)標(biāo)之一一。常用的的刀具具材料料有碳碳素工工具鋼鋼、合合金工工具鋼鋼、硬硬質(zhì)合合金、、陶瓷瓷、金金剛石石、立立方碳碳化硼硼等。碳素工工具鋼鋼、合合金工工具鋼鋼，因因耐熱熱性較較差，，僅用用于一一些手手工工工具及及切削削速度度較低低的刀刀具；；陶瓷瓷、金金剛石石和立立方氮氮化硼硼僅用用于有有限的的場(chǎng)合合；目目前刀刀具材材料中中用得得最多多的仍仍是高速鋼鋼和硬硬質(zhì)合合金。第二節(jié)節(jié)高高速速鋼高速鋼鋼是一一種加加入了了較多多的鎢鎢、鉬鉬、鉻鉻、釩釩等合合金元元素的的高合合金工工具鋼鋼。它具具有較高的的熱穩(wěn)穩(wěn)定性性，切削削溫度度在500~650℃時(shí)時(shí)尚能能進(jìn)行行切削削。它它所允允許的的切削削速度度比碳碳素工工具鋼鋼和合合金工工具鋼鋼提高高約1~3倍。。高速鋼鋼具有高高的強(qiáng)強(qiáng)度和和韌性性，具有有一定的的硬度度和耐耐磨性性，適合合于各各類切切削刀刀具的的要求求，也也可用用于在在剛性性較差差的機(jī)機(jī)床上上加工工。高速鋼鋼刀具具制造工工藝簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，，容易易磨成成鋒得得切削削刃，，能鍛鍛造，故在在復(fù)雜雜刀具具（鉆鉆頭、、絲錐錐、成成形刀刀具））制造造中，，高速速鋼仍仍占主主要地地位。。高速鋼鋼材料料性能能較硬質(zhì)質(zhì)合金金和陶陶瓷穩(wěn)穩(wěn)定,在自自動(dòng)機(jī)機(jī)床上上使用用較可可靠.按用途途不同同，高高速鋼鋼可分分為通用型型高速速鋼和和高性性能高高速鋼鋼。按制造造工藝藝方法法不同同，高高速鋼鋼可分分為熔煉高高速鋼鋼和粉粉末冶冶金高高速鋼鋼。第二節(jié)節(jié)高高速速鋼第二節(jié)節(jié)高高速速鋼一、通通用型型高速速鋼這類高高速鋼鋼含碳碳量為為0.7%~0.9%。按鋼鋼中含含鎢量量的不不同，，可分分為含含w12%或w18%的的鎢鋼鋼，含含W6%或或W8%的的鎢鉬鉬系鋼鋼，含含W2%或或不含含鎢的的鉬鋼鋼。這類鋼鋼按其其耐熱熱性可可稱為為是中中等熱熱穩(wěn)定定性高高速鋼鋼。第二節(jié)節(jié)高高速速鋼一、通通用型型高速速鋼通用型型高速速鋼一一般可可分為為鎢鋼鋼、鎢鎢鉬鋼鋼。鎢鋼的的典型型牌號(hào)號(hào)：W18Cr4V（簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱18-4-1））化學(xué)成成分：：含W18%，，Cr4%，V1%，C0.8%常溫硬硬度：：HRC63~66。高溫硬度：：600℃℃時(shí)HRC48.5。抗彎強(qiáng)度：：約3.3GPa(330kgf/mm2)。沖擊韌性：：約0.29MJ/m2(3kg.m/cm2)。主要特性：：工藝性（（特別是可可磨性）好好，可用于于制造各種種復(fù)雜刀具具。主要用途：：復(fù)雜刀具具、精加工工刀具。第二節(jié)高高速鋼鎢鉬系高速速鋼：主要要合金元素素除鎢外，，以較多的的鉬（含Mo2%以以上）代替替鎢的高速速鋼。典型牌號(hào)：：W6Mo5Cr4V2（（簡(jiǎn)稱6-5-4-2或M2）化學(xué)成分：：含W6%，Mo5%,Cr4%，V2%，C0.9%常溫硬度：：HRC63~66。高溫硬度：：600℃℃時(shí)HRC47~48。抗彎強(qiáng)度：：約3.8GPa(380kgf/mm2)。沖擊韌性：：約0.45MJ/m2(4.5kg.m/cm2)。主要特性：：高溫塑性性好，但熱熱處理較難難，可磨削削性差。主要用途：：熱軋刀具具。第二節(jié)高高速鋼我國(guó)生產(chǎn)的的另一種鎢鎢鉬鋼為W9Mo3Cr4V’,它具有良良好的力學(xué)學(xué)性能,其其熱穩(wěn)定性性略高于M2鋼.這這種鋼的碳碳化物均勻勻性優(yōu)于W18而接接近于M2鋼,具有有良好的熱熱塑性,易易鍛、易軋軋，熱處理理溫度范圍圍寬，脫碳碳傾向比M2鋼小得得多（略高高于W18鋼），磨磨加工性也也很好，刀刀具耐用度度也有一定定程度的提提高。第二節(jié)高高速鋼二、高性能能高速鋼。。高性能高速速鋼是指在在通用型鋼成成分中再增增加一些含含碳量、含含釩量及添添加鈷、鋁鋁等合金元元素的新鋼鋼種。這類鋼按按其耐熱性性可稱為高熱穩(wěn)定性性高速鋼。。加熱到630~650℃時(shí)，仍可保保持60HRC的硬度，因因此具有更好的切削削性能，這類高速鋼鋼的耐用度度約為通用用型高速鋼鋼的1.5~3倍。它適合于加加工奧氏體體不銹鋼、、高溫合金金、鈦合金金等難加工材料料。第二節(jié)高高速鋼三、粉末冶冶金高速鋼鋼。粉末冶金高高速鋼是用高壓氬氣氣或純氮?dú)鈿忪F化熔融融的高速鋼鋼鋼水，直直接得到細(xì)細(xì)小的高速速鋼粉末，，然后將這這種粉末在在高溫高壓壓下壓制成成致密的鋼鋼坯，最后后將鋼坯鍛鍛軋成鋼材材或刀具形形狀的一種種高速鋼。粉冶鋼適于于制造切削削難加工材材料的刀具具及大尺寸寸刀具，也也適于制造造精密刀具具和磨加工工量大的復(fù)復(fù)雜刀具，，對(duì)于高壓壓動(dòng)載荷下下使用的刀刀具以及小小截面、薄薄刃刀具和和成形刀具具也適用。。第三節(jié)硬硬質(zhì)合金金一、硬質(zhì)合合金的特點(diǎn)點(diǎn)硬質(zhì)合金是是由難熔金屬碳碳化物（如如WC、TiC)和和金屬粘結(jié)結(jié)劑(如Co、Ni等）經(jīng)粉粉末冶金方方法制成的的。硬質(zhì)合金比比高速鋼具具有更好的的耐熱性，，允許切削削溫度高達(dá)達(dá)800~1000℃，允許許切削速度度可比高速速鋼再提高高5~10倍。但其其強(qiáng)度和韌韌性以及工工藝性均不不如高速鋼鋼，因此仍仍不能完全全取代高速速鋼。目前前硬質(zhì)合金金主要用于于車刀和端端銑刀。第三節(jié)硬硬質(zhì)合金金二、常用硬硬質(zhì)合金的的分類及其其性能ISO將切切削用硬質(zhì)質(zhì)合金分為為三類：P類，用于加工工長(zhǎng)切屑的的黑色金屬屬，相當(dāng)于于我國(guó)的YT類。K類，用于加工工短切屑的的黑色金屬屬、有色金金屬和非金金屬材料，，相當(dāng)于我我國(guó)的YG類。M類，用于加工工長(zhǎng)或短切切屑的黑色色金屬和有有色金屬，，相當(dāng)于我我國(guó)YW類。第三節(jié)硬硬質(zhì)合金金（1）WC+CO類，亦稱稱鎢鈷類。。國(guó)內(nèi)代號(hào)號(hào)YG（Y、G分別別為硬、鈷鈷的漢語拼拼音字頭）），國(guó)際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)ISOK類。。國(guó)產(chǎn)典型牌牌號(hào)有：YG3，YG3X，，YG6，，YG6X，YG8等。牌號(hào)號(hào)中的數(shù)字字代表CO含量的百分分比，“X”代表細(xì)細(xì)晶粒組織織，無X的的為中晶粒粒組織。主要性能：：常溫硬度度HRA89~92，抗彎強(qiáng)強(qiáng)度：約0.93~1.47GPa(100~150kgf/mm2)。鈷含量量越高，則則抗彎強(qiáng)度度越高，硬硬度越低。。細(xì)晶粒的的牌號(hào)，其其硬度會(huì)比比同樣成分分的中晶粒粒牌號(hào)顯著著提高，抗抗彎強(qiáng)度略略有降低。。主要用途：：用于加工鑄鑄鐵、有色色金屬和非非金屬材料料。一般不不宜用于加加工鋼。含鈷量低的的牌號(hào)適用用于精加工工，含鈷量量高的適用用于粗加工工。第三節(jié)硬硬質(zhì)合金金（2）WC+Ti+Co類類，亦稱鎢鎢鈷鈦類。。國(guó)內(nèi)代號(hào)號(hào)YT（Y、T分別別為硬、鈦鈦的漢語拼拼音字頭）），國(guó)際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)ISOP類。。國(guó)產(chǎn)典型牌牌號(hào)有：YT5，YT14，，YT15，YT30等。牌牌號(hào)中的數(shù)數(shù)字代表TiC含量量的百分比比，主要性能：：常溫硬度度HRA89.5~92.5，抗彎強(qiáng)強(qiáng)度：約0.9~1.4GPa(90~140kgf/mm2)?？梢奩T類比YG類具有有更高的硬硬度，也具具有更好的的耐熱性，，但其脆性性增加。TiC含量量越高，則則硬度越高高，強(qiáng)度越越低。主要用途：：用于加工鋼鋼料。TiC含量量低的（如如YT5））適用于粗粗加工，TiC含含量高的（（如YT30）適用用于精加工工。第三節(jié)硬硬質(zhì)合金金（3）通用類。國(guó)國(guó)內(nèi)代號(hào)YW（W為為“萬能””的“萬””字的漢語語拼音字頭頭），國(guó)際際標(biāo)準(zhǔn)ISOM類類。它是在前兩兩類牌號(hào)的的基礎(chǔ)上加加入一定數(shù)數(shù)量（約4%）的TaC(Nbc)而而形成的，，由于TaC(Nbc)具有有細(xì)化晶粒粒、均勻組組織的作用用，可有效效地提高硬硬質(zhì)合金的的抗彎強(qiáng)度度、疲勞強(qiáng)強(qiáng)度和沖擊擊韌性，同同時(shí)也提高高耐熱性、、抗氧化性性的耐磨性性。國(guó)產(chǎn)典型牌牌號(hào)有：YW1，YW2等主要性能：：常溫硬度度HRA90.5~91.5，抗彎強(qiáng)強(qiáng)度：約1.2~1.35GPa(120~135kgf/mm2)。主要用途：：既可用于加加工鑄鐵和和有色金屬屬，也用于加加工鋼。但但由于其價(jià)價(jià)格較貴，，故多用于于加工難加工工材料。第三節(jié)硬硬質(zhì)合金金三、硬質(zhì)合合金的選用用YG類硬質(zhì)質(zhì)合金主要要用于加工工鑄鐵、有有色金屬及及非金屬材材料。YT類硬質(zhì)質(zhì)合金適于于加工鋼料料。YW類硬質(zhì)質(zhì)合金則主主要用于加加工耐熱鋼鋼、高錳鋼鋼、不銹鋼鋼等難加工工材料第四節(jié)涂涂層刀具具涂層刀具是是在韌性較較好的硬質(zhì)質(zhì)合金基體體上，或在在高速鋼刀刀具基體上上，涂覆一一薄層耐磨磨性高的難難熔金屬化化合物而獲獲得的。常用的涂層層材料有TiC、TiN、Al2O3等涂層刀具有有比基體高高得多的硬硬度，高的的抗氧化性性和抗粘結(jié)結(jié)性能，因因而有高的的耐磨性和和抗月牙洼洼磨損能力力。涂層具具有低的磨磨擦系數(shù)，，可降低切切削時(shí)的切切削力及切切削溫度，，可大大提提高刀具耐耐用度。加加工材料的的硬度愈高高，則涂層層刀具的效效果愈好。。涂層硬質(zhì)質(zhì)合金的通通用性廣。。但由于其鋒鋒得性、韌韌性、抗剝剝落和抗崩崩刃性能均均不及未涂涂層刀片，，故在小進(jìn)進(jìn)給量切削削、高硬度度材料和重重載切削時(shí)時(shí)，還不太太適用。成成本比較貴貴。第五節(jié)其其它刀具具材料一、陶瓷常用的刀具具陶瓷有兩兩種：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。Al2O3基陶瓷有很很高的硬度度和耐磨性性，高于硬硬質(zhì)合金，，在使用良良好時(shí)，有有很高的刀刀具耐用度度。有很高高的耐熱性性，在1200℃以以上還能進(jìn)進(jìn)行切削。。切削速度度可比硬質(zhì)質(zhì)合金提高高2~5倍倍。有很高高的化學(xué)穩(wěn)穩(wěn)定性。與與金屬的親親和力小，，抗粘結(jié)和和抗擴(kuò)散能能力較好。。有較低的的磨擦系數(shù)數(shù)，切屑和和刀具不易易產(chǎn)生粘結(jié)結(jié)，加工表表面粗糙度度較小。陶陶瓷刀具可可用于加工鋼，也也可用于加加工鑄鐵。對(duì)于高硬硬度材料（（硬鑄鐵和和淬硬鋼））、大件及及高精度零零件加工特特別有效。。最大缺點(diǎn)點(diǎn)是抗彎強(qiáng)強(qiáng)度很低，，沖擊韌度度很差。Si3N4基陶瓷具有有高的強(qiáng)度度和韌性，，這種刀具具能承受較較大的沖擊擊負(fù)荷第五節(jié)其其它刀具具材料二、金剛石石金剛石刀具具有三種：：天然單晶晶金剛石刀刀具，整體體人造聚晶晶金剛石刀刀具及金剛剛石復(fù)合刀刀片。金剛石具有有極高的硬硬度和耐磨磨性，其顯顯微硬度達(dá)達(dá)到10000HV,是目前前已知的最最硬物質(zhì)。。因此，它它可以用于于加工硬質(zhì)質(zhì)合金、陶陶瓷、高硅硅鋁合金及及耐磨塑料料等高硬度度、高耐磨磨的材料，，刀具耐用用度比硬質(zhì)質(zhì)合金可提提高幾倍到到幾百倍。。金剛石的切切削刃非常常鋒利，刃刃部粗糙度度很小，磨磨擦系數(shù)又又低，切削削時(shí)不易產(chǎn)產(chǎn)生切屑瘤瘤，因此加加工表面質(zhì)質(zhì)量很高。。第五節(jié)其其它刀具具材料金剛石目前前主要用于于磨具及磨磨料，用作作刀具時(shí)多多用于在高高速下對(duì)有有色金屬及及非金屬材材料進(jìn)行精精細(xì)車削及及鏜孔。金剛石的熱熱穩(wěn)定性較較低，切削削溫度超過過700~800℃℃時(shí)，就會(huì)會(huì)完全失去去其硬度。。金剛石刀具具不適于加加工鋼鐵材材料。因?yàn)闉榻饎偸ǎ–）和鐵鐵有很強(qiáng)的的化學(xué)親和和力，在高高溫下鐵原原子容易與與碳原子作作用而使其其轉(zhuǎn)化為石石墨結(jié)構(gòu)，，刀具極易易損壞。第五節(jié)其其它刀具具材料三、立方氮氮化硼立方氮化硼硼是由軟的的六方氮化化硼在高溫溫高壓下加加入催化劑劑轉(zhuǎn)變而成成的。它是是70年代代才發(fā)展起起來的一種種新型刀具具材料。立方氮化硼硼刀具有兩兩種：整體體聚晶立方方氮化硼刀刀具及立方方氮化硼復(fù)復(fù)合刀片。。后者是在在硬質(zhì)合金金基體上燒燒結(jié)一層厚厚度約為0.5mm的立方氮氮化硼而成成。第五節(jié)其其