金属切削原理与刀具设计课件2刀具材料.ppt

,第二章 刀具材料,金属切削原理与刀具,石家庄铁道学院,1）高的硬度和耐磨性 2）足够的强度和韧性 3）较好的热硬性 4）良好的工艺性 5）经济性,2.1 概述,刀具材料对刀具的寿命、加工质量、切削效率和制造成本均有较大的影响 刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动,2.1 概述,2.1 概述,刀具材料种类很多，常用的有： 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 金刚石（天然和人造） 立方氮化硼等,2.2 刀具材料, 工具钢,碳素工具钢是指含碳0.65%-1.35%的优质高碳钢。常用T12A。 特点：耐热性差 应用：常用于制造各种手工与低速工具。（如锉刀）,2.2 .1 工具钢与合金工具钢, 合金工具钢,合金工具钢是指在高碳钢中加入Si、W、Mn等合金元素（一般不超过3%-5%），可提高淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。常用9SiCr、CrWMn。 应用：常用于制造各种低速工具。（如丝锥、板牙）,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 别名： （风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可得到高硬度。 （锋钢）刃容锋利。 （白钢）磨光后，表面光亮。,2.2.2 高速钢,特点 1）较高的热稳定性：切削温度高达500- 650，与碳素工具钢，合金工具钢相比，切削速度提高1-3倍，耐用度提高10-40倍， 可加工有色金属至高温合金（范围广）。 2）高强度，韧性：抗弯强度为硬质合金的2- 3倍数，是陶瓷的5-6倍，韧性比它们高几十倍。 3）一定的硬度（HRC63-70）：耐磨性好，适合各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机床上加工。 4）可加工性好，热处理变形较小。 5) 材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。 因此，尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢仍占现用刀具材料的一半以上。,2.2 .2 高速钢,分类,2.2.2 高速钢,普通高速钢 常用W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V 高性能高速钢 再加入一些合金、性能高。如W6MoSCr4V2、W6MoSCr4V3，比通用型高速钢具有更好的切削性能，适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钍合金和高强度铡等难加工材料。 粉末冶金高速钢 制造工艺不同，其性能优于上述的高速钢 。,普通高速钢,分钨钢，钨钼钢两类，V不高于40-60%。 钨钢 W18Cr4V（1841）此牌号国内普遍使用，性能稳定，刃磨、热处理工艺控制较方便，国外钨价高，很少使用。综合性能好，600，HRC48.5，用以制造各种复杂刀具。 优点：（1）淬火时过热倾向小。（2）含钒少，磨加工性好。（3）碳化物含量高，塑性变形抗力较大 缺点：（1）碳化物分布不均匀，剩余碳化物颗粒大（最大30m），影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度。（2）强度和韧性，显得不够，此材料直径30mm，抗弯强度3.5Ga ； 直径6080mm，抗弯强度22.3Ga， 适宜做小截面刀具，此时强度，韧性才是满意的。（3）热塑性差，很难用作热成形法制造的刀具（如热轧钻头）。,2.2.2 高速钢,普通钢高速,钨钼钢 W6M05Cr4V2（6542），因为缺钨而产生 优点 （1）合金元素少，减少了碳化物数量及分布不均匀性，有利于提高高温塑性、抗弯强度、冲击韧性，抗弯强度比W18高1015%，韧性高5060%。 （2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承受冲击力较大的刀具。 缺点 淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性大，主要用于热轧刀具（扭槽，麻花钻）,2.2.2 高速钢,应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。 高速钢的表面处理与涂层 表面化学处理：提高刀具的切削性能 如：（氧氮化处理）：将刀具成品置于氨气和水蒸气的混和体中，540560保温12小时，形成0.003mmFe3O4氧化膜，内层为氧、氮、碳扩散层：厚0.03-0.05mm。HV1000以上，耐用度提高60%-70%。 涂层：物理气相沉积TiN涂层 550以下高真空下进行，钛气化与氮反应，生成TiN（0.002mm），HRC80以上，切削力，切削温度下降25%，Vf提高一倍，耐用度显著提高。重磨后，性能仍优于普通高速钢。,2.2 .2 高速钢刀具材料,2.2.2 高速钢,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。 用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。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间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。 性能 硬度可达8993HRA（74-82HRC） 切削温度达8001000 切削速度可达100300mmin 韧性差，抗弯强度低，不能承受较大的冲击载荷,2.2.3 硬质合金,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。 用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。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间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,特点 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,应用 硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,2.2.3 硬质合金,分类和使用性能 ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分三类： P类：用于加工长切屑的黑色金属，如普通碳钢、合金钢等，相当于我国的YT类。牌号有P01、P10、P20、P30、P50等。精加工可用P01，半精加工选用Pl0、P20，粗加工宜用P30。 K类：用于加工短切屑的黑色金属，有色金属和非金属材料，相当于我国的YG类。其牌号有K01、K10、K20、K30、K40等，精加工可用K01，半精加工选用K10，粗加工宜用K30 M类：具有较好的综合切削性能，用于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属，如普通碳钢、铸钢、冷硬铸铁、耐热钢、高锰钢、有色金属等，相当于我国的YW类。其牌号有M10、M20、M30、M40，精加工可用M10，半精加工选用M20，粗加工宜用M30 现代加工材料中 9095%可用P和K类硬质合金加工，510%可用M类硬质合金加工。,2.2.3 硬质合金,YG：钨钴类硬质合金 （WC+Co）硬质合金 主要牌号：YG3x、YG6x、YG6、YG8，分别含Co为3%、6%、6%、8% 特点：抗弯强度与韧性比YT高，导热性高，加工性好，刃口容易磨得锋利，硬度差。 Co越高韧性越好，用于粗加工，反之Co越低，用于精加工。 适宜加工材料：铸铁、有色金属和非金属材料。,2.2.3 硬质合金,YT：钨钛钴类（WC+TiC+ Co） 主要牌号 YT5、YT14、YT15、YT30数字为TiC含量。碳化钛含量分别为：5%、14%、15%、30%。 钴含量分别为：10%、8%、6%、4%。 适宜加工材料：钢,2.2.3 硬质合金,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。 用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。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间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,2.2.3 硬质合金, 陶瓷刀具材料,陶瓷材料是以AL2O3为主要成份，在高温下，烧结而成的一种刀具材料。 常用陶瓷包括： 1）纯AL2O3陶瓷 2）AL2O3TiC混和陶瓷,2.2.4 陶瓷刀具材料,特点 很高的硬度与耐磨性，HRA9195，高于硬质合金。 使用良好时，有很高的耐用度。 很高的耐热性，760 HRA87， 1200 HRA80，切削速度比硬质合金高25倍，抗弯强度，韧性下降极小。 很高的化学稳定性，与金属亲和力小， 抗粘结，抗扩散，抗氧化能力强。 较低的摩擦系数，切屑不易粘刃，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度较小。,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。导热率低，1/21/5，不宜温度波动，不 能用切削液。,2.2.4 陶瓷刀具材料,天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。 聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000