高速切削-课件 (9).

1、金属切削原理金属切削原理（40学时）学时） 第二章第二章 刀具材料刀具材料 在切削过程中，刀具直接完成切除在切削过程中，刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任务。其性能余量和形成已加工表面的任务。其性能的优劣取决于构成切削部分的的优劣取决于构成切削部分的材料材料、几何形状几何形状、几何角度几何角度和和刀具的合刀具的合理结构理结构。刀具材料发展重要性：刀具材料发展重要性： 国际生产工程研究会（国际生产工程研究会（CIRP）曾在）曾在一项研究报告中指出：一项研究报告中指出：“由于刀具材料由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔十年几乎的改进，允许的切削速度每隔十年几乎提高一倍。提高一倍。”2-1

2、概概 述述一、刀具材料应具备性能一、刀具材料应具备性能1. 较高的较高的硬度硬度（常温硬度在（常温硬度在62HRC以上以上）。）。2. 耐磨性耐磨性好，以抵抗切削中的磨损。是刀好，以抵抗切削中的磨损。是刀具材料机械性能、组织结构和化学性能的具材料机械性能、组织结构和化学性能的综合反映。综合反映。3. 较好的较好的强度和韧性强度和韧性以承受切削力、以承受切削力、 冲击和冲击和振动。强度与韧性是相互矛盾的，兼顾而有振动。强度与韧性是相互矛盾的，兼顾而有所侧重。所侧重。磨削比磨削比= 刀具磨削性能好刀具磨削性能好磨削量磨削量砂轮磨损体积砂轮磨损体积6. 工艺性工艺性可加工性：锻、轧、焊、切、磨、热可

3、加工性：锻、轧、焊、切、磨、热4. 耐热性耐热性(红硬性）较好。高温下保证前三条，红硬性）较好。高温下保证前三条，并有良好的搞扩散、抗氧化的能力。并有良好的搞扩散、抗氧化的能力。5. 导热性和膨胀系数导热性和膨胀系数。 导热性导热性，切削温度，切削温度 ，刀具使用寿命长；线膨胀系数刀具使用寿命长；线膨胀系数，刀具热变形，刀具热变形 ，加工件精度，加工件精度。7. 经济性经济性。二、刀具材料类型二、刀具材料类型刀具材料类型工具钢硬质合金陶 瓷超硬刀具人造金刚石立方氮化硼氮化硅陶瓷氧化铝碳化物氧化铝陶瓷碳化钛基类含铌、钽类钨钛钴类钨钴类高速钢合金工具钢碳素工具钢三、刀体材料三、刀体材料刀具类型及刀

4、体材料硬质合金螺纹刀具、成形铣刀、拉刀高速钢整 体机夹、可转位分 体焊接小直径镗刀、铰刀碳钢或者合金钢合金钢：9CrSi 、GCr152-2 高速钢高速钢高速钢是一种含高速钢是一种含W、 Mo 、 Cr、V等合等合金元素较高的合金工具钢。又称金元素较高的合金工具钢。又称“锋钢锋钢”或或“白钢白钢”。 主要性能指标：主要性能指标：62 66HRC、抗弯强度抗弯强度3.3G Pa、耐热性可达、耐热性可达600。高速钢综合性能较好，应用范围最广的刀高速钢综合性能较好，应用范围最广的刀具材料。具材料。热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口、可制造结构复杂的成形刀具

5、。例如孔刃口、可制造结构复杂的成形刀具。例如孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、切齿刀加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、切齿刀具等。具等。一、通用型高速钢：一、通用型高速钢： 应用最广，占应用最广，占75% ；分为钨系和钨；分为钨系和钨钼系；含碳量钼系；含碳量0.70.9%。1. 钨系：钨系：W18Cr4V (18-4-1)2. 钨钼系：钨钼系：W6Mo5Cr4V2 (6-5-4-2)3. 钨钼系：钨钼系： W9Mo3Cr4V (9-3-4-1)二、高生产率高速钢：二、高生产率高速钢： 通过调整基本化学成分，或填加通过调整基本化学成分，或填加其他元素如其他元素如C、V、Co、Al等提高其等提高其耐

6、热性和耐磨性。耐热性和耐磨性。1.高碳高速钢高碳高速钢：合金元素全部形成碳化物合金元素全部形成碳化物2.高钒高速钢高钒高速钢：V增加至增加至3-5%，2800HV3.钴高速钢钴高速钢： W2Mo9Cr4VCo8 (M42)4. 铝高速钢铝高速钢： W6Mo5Cr4V2Al (501)三、粉末冶金高速钢：三、粉末冶金高速钢：优点优点：1. 结晶组织细小均匀，避免碳化物偏析，提结晶组织细小均匀，避免碳化物偏析，提高硬度与强度；高硬度与强度；2. 物理力学性能各向同性，减少热处理变形物理力学性能各向同性，减少热处理变形与应力，可制造精密刀具；与应力，可制造精密刀具；高速钢水高速钢水高速钢粉末高速钢粉

7、末热压或压制热压或压制烧结烧结高压气体或高压气体或者高压水雾者高压水雾优点优点：3. 碳化物细小均匀，可加入大量合金元素或碳化物细小均匀，可加入大量合金元素或者碳化物而不降低刃磨工艺性；者碳化物而不降低刃磨工艺性；4. 粉末冶金高速钢提高材料利用率。粉末冶金高速钢提高材料利用率。三、粉末冶金高速钢：三、粉末冶金高速钢：应用应用：成本较高，主要用于制造成形复杂刀成本较高，主要用于制造成形复杂刀具，如精密螺纹车刀、拉刀、切齿刀等。具，如精密螺纹车刀、拉刀、切齿刀等。加工高强度钢、镍基合金、钛合金等难加加工高强度钢、镍基合金、钛合金等难加工材料的刨刀、钻头、铣刀等。工材料的刨刀、钻头、铣刀等。工艺方

8、法及过程工艺方法及过程：物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）：适当真空与温度环境）：适当真空与温度环境下进行气化钛离子与氮反应，在阳极刀具表面生成下进行气化钛离子与氮反应，在阳极刀具表面生成TiN，厚度，厚度28微米。微米。此外还有盐浴软氮化、气体软氮化、辉光离子化、此外还有盐浴软氮化、气体软氮化、辉光离子化、纳米真空复合离子镀膜等工艺。纳米真空复合离子镀膜等工艺。四、涂层高速钢：四、涂层高速钢：优点优点：1. 硬度高（硬度高（2200HV），热稳定性高；），热稳定性高；2. 切削力、切削温度下降切削力、切削温度下降25%，Vc、f、刀具寿命、刀具寿命显著提高。显著提高。涂层种类及各自的特点涂

9、层种类及各自的特点：1. TiN涂层涂层2. TiC涂层涂层3. TiCN涂层涂层4. TiAlN涂层涂层5. AlTiN涂层涂层6. TiAlCN涂层涂层7. DLC(金刚石类涂层）金刚石类涂层）8. CBC（硬质合金基类涂层）（硬质合金基类涂层）四、涂层高速钢：四、涂层高速钢：2-3 硬质合金硬质合金一、硬质合金组成与性能一、硬质合金组成与性能绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、浅孔钻、铰刀等均已采用硬质合金制造。是目前最浅孔钻、铰刀等均已采用硬质合金制造。是目前最主要的刀具材料之一。主要的刀具材料之一。组成：由硬度和熔点很高的碳化物（组成：

10、由硬度和熔点很高的碳化物（硬质相硬质相）和金属（和金属（粘结相粘结相）通过粉末冶金工艺制成的。）通过粉末冶金工艺制成的。硬质合金金属：Co、Mo、Ni粘结相硬质相碳化物：WC、TiC、TaC、NbC性能：性能：1.硬度硬度高：高：89 94HRA；2.耐磨性耐磨性好；好；3.耐热性耐热性好：好：800 1000，加入，加入TaC、NbC，有，有利于细化晶粒，提高合金的耐热性，可提高到利于细化晶粒，提高合金的耐热性，可提高到1000 1100。4.切削速度切削速度可达可达100 300m/min，比高速钢高，比高速钢高4 10 倍；倍；5. 抗弯抗弯强度强度低，冲击低，冲击韧性韧性差（常温下其韧

11、性仅为高差（常温下其韧性仅为高速钢的速钢的1/8 1/30），是典型的脆性材料。），是典型的脆性材料。硬质合金按其硬质合金按其化学成份化学成份和和使用性能使用性能分分为三大类：为三大类：K类（类（YG）：钨钴类（）：钨钴类（WC+Co)P类（类（YT）：钨钛钴类（）：钨钛钴类（WCTi CCo）M类（类（YW）：加入稀有金属碳化物）：加入稀有金属碳化物（WCTi CTaC(NbC)+Co）书上表书上表2-3是常用硬质合金牌号与性能是常用硬质合金牌号与性能二、普通硬质合金分类、牌号与使用性能二、普通硬质合金分类、牌号与使用性能三、细晶粒、超细晶粒合金三、细晶粒、超细晶粒合金普通普通硬质合金硬质合

12、金WC粒度：几个微米粒度：几个微米细晶粒细晶粒硬质合金硬质合金WC粒度：粒度：1.5个微米个微米超细晶超细晶粒硬质合金粒硬质合金WC粒度：粒度：0.2-1个微米个微米硬质相和粘结相高度分散，增加粘结硬质相和粘结相高度分散，增加粘结面积，提高粘结强度：硬度提高面积，提高粘结强度：硬度提高1.5-2HRA，抗弯强度提高抗弯强度提高0.6-0.8GPa。三、细晶粒、超细晶粒合金三、细晶粒、超细晶粒合金使用场合：使用场合：1.高硬度、高强度的难加工材料；高硬度、高强度的难加工材料；2.难加工材料的间断切削，如铣削；难加工材料的间断切削，如铣削；3.低速切削的刀具，切断刀、小钻头；低速切削的刀具，切断刀

13、、小钻头；4.大前角、后角，小刀尖圆弧进行薄层大前角、后角，小刀尖圆弧进行薄层切削的精密刀具，铰刀拉刀；切削的精密刀具，铰刀拉刀；四、钢结硬质合金四、钢结硬质合金硬质相：硬质相：WC、TiC粘结相：粘结相：高速钢高速钢经粉末冶金工艺制成经粉末冶金工艺制成可锻、切、焊、热。硬度高于高速钢，可锻、切、焊、热。硬度高于高速钢，强度、韧性胜过硬质合金。强度、韧性胜过硬质合金。用于制造模具、拉刀、铣刀等复用于制造模具、拉刀、铣刀等复杂工具及刀具杂工具及刀具五、涂层硬质合金五、涂层硬质合金采用化学气相沉积（采用化学气相沉积（CVD）工艺，在）工艺，在硬质合金表面涂覆一层或多层难熔金属碳硬质合金表面涂覆一层

14、或多层难熔金属碳化物（化物（TiC、TiN、TiCN、Al2O3)。综合性能较好，基体强度韧性较好，综合性能较好，基体强度韧性较好，表面耐磨、耐高温。刃口不锋利，搞崩刃表面耐磨、耐高温。刃口不锋利，搞崩刃性差。性差。广泛用于粗加工、半精加工、精广泛用于粗加工、半精加工、精加工。加工。正确选用硬质合金牌号对于发挥其效能具有正确选用硬质合金牌号对于发挥其效能具有重要意义。重要意义。 如：切削铸铁及其他脆性材料时，由于形如：切削铸铁及其他脆性材料时，由于形成崩碎切屑，切削力集中在切削刃处很小的面成崩碎切屑，切削力集中在切削刃处很小的面积上，压强大，并具有一定的冲击力，宜选用积上，压强大，并具有一定的

15、冲击力，宜选用抗弯强度和韧性较好的抗弯强度和韧性较好的WC+Co合金；但它不合金；但它不适宜高速切削钢料。适宜高速切削钢料。 对于高温合金、不锈钢等难加工材料，由对于高温合金、不锈钢等难加工材料，由于含于含Ti，导热性差，容易发生冷焊，要求刀具，导热性差，容易发生冷焊，要求刀具中不含中不含Ti,并有较好的导热性并有较好的导热性，所以宜用所以宜用YG类类合金并采用较低的切削速度。合金并采用较低的切削速度。2-4陶瓷陶瓷组成及工艺组成及工艺：Al2O3或者或者Si3N4为基体，加为基体，加入少量金属，在高温下烧结而成。入少量金属，在高温下烧结而成。主要特点：主要特点：1.高硬度、高耐磨性、高耐热性

16、、高化学稳定高硬度、高耐磨性、高耐热性、高化学稳定性、磨擦系数低性、磨擦系数低2.强度与韧性低、热导率低强度与韧性低、热导率低陶瓷种类与使用：陶瓷种类与使用：氧化铝碳化物系陶瓷氧化铝碳化物系陶瓷氮化硅基陶瓷氮化硅基陶瓷用途：主要用于钢、铸铁、铝合金、高温合用途：主要用于钢、铸铁、铝合金、高温合金精加工和半精加工；对淬硬钢、冷硬铸铁金精加工和半精加工；对淬硬钢、冷硬铸铁车削、铣削特别有效。车削、铣削特别有效。(1)金刚石金刚石 天然单晶金刚石天然单晶金刚石（10000HV）可制砂轮，是）可制砂轮，是磨削高硬度脆性材料（硬质合金）特效刀具，磨削高硬度脆性材料（硬质合金）特效刀具，金刚石不能加工铁族

17、材料，切削温度金刚石不能加工铁族材料，切削温度700人造聚晶金刚石人造聚晶金刚石（高温高压下由石墨转化而高温高压下由石墨转化而成成）可做切削刀片，加工硬质合金、陶瓷、玻）可做切削刀片，加工硬质合金、陶瓷、玻璃等高硬、脆性材料；也可加工有色金属及其璃等高硬、脆性材料；也可加工有色金属及其合金。合金。2-5超硬刀具材料超硬刀具材料金刚石烧结体金刚石烧结体，在硬质合金基体上烧结，在硬质合金基体上烧结一层约一层约0.5mm厚的聚晶金刚石。厚的聚晶金刚石。优点：优点：硬度和耐磨性极高；导热性好；热膨硬度和耐磨性极高；导热性好；热膨胀系数低；刃口非常锋利，刃面粗糙度较胀系数低；刃口非常锋利，刃面粗糙度较小

18、；小；2-5超硬刀具材料超硬刀具材料（2）立方氮化硼）立方氮化硼（高温高压下由六方氮化（高温高压下由六方氮化硼硼白石墨白石墨制成）制成）CBN由于优异的性能发展速度较金刚由于优异的性能发展速度较金刚石快，目前以石快，目前以10%15%年增长年增长 优点：优点：硬度硬度和和耐磨性耐磨性仅次于金刚石，仅次于金刚石，达到达到3500-4500HV；耐热性耐热性高，高，1300时时不氧化，大多数金属不起化学作用；不氧化，大多数金属不起化学作用；导热导热性性好；好；强度与韧性强度与韧性介于陶瓷与硬质合金之介于陶瓷与硬质合金之间。间。适用范围：淬硬钢、冷硬铸铁的粗加工适用范围：淬硬钢、冷硬铸铁的粗加工与半

19、精加工；高速切削高温合金、热喷涂与半精加工；高速切削高温合金、热喷涂材料等难加工材料。材料等难加工材料。刀具技术的新发展：刀具技术的新发展：高速与超高速机床的出现，使得在切削加工技术步入以高速切高速与超高速机床的出现，使得在切削加工技术步入以高速切削削HSC（High Speed Cutting）为重要特征的全新发展阶段。）为重要特征的全新发展阶段。新型刀具材料和涂层技术的发展又为高速切削工艺的发展创造新型刀具材料和涂层技术的发展又为高速切削工艺的发展创造了条件。了条件。1、20世纪世纪70年代出现化学气相沉积（年代出现化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）和物理气相沉积）和物理气相沉积PVD两种硬质涂层技术。至今涂两种硬质涂层技术。至今涂层材料已由单一层材料已由单一TiN涂