现代机械制造基础2

第二章

金属切削原理与刀具

金属材料的切削过程的两个要素①刀具②切削运动

第一节

金属切削的基本概念

一、机械加工中的切削运动切削运动由机床来实现,机床运动可分为:①切削成形运动②非切削成形运动切削成形运动切削成形运动：①主切削运动①进给运动普通车床车削加工的运动

机床切削成形运动①简单的成形运动单个运动方向的成形运动。②复合的成形运动由两个（或两个以上）的简单的成形运动合成的运动。按某种严格的运动关系合成的成形运动，称为“多轴联动”。立式铣床中的X、Y、Z运动轴

数控龙门机床的运动轴数控龙门机床的运动轴机床非切削成形运动①分度运动②切入运动③快进、快退、回程、转位④起动、停止、变速、变向、夹紧、松开二、切削用量三要素及切削层1、切削用量切削速度v进给量f切削深度ap2、切削层参数公称厚度aw

公称宽度ac

公称横截面积Ac切削速度v的发展①切削速度是切削加工水平的标志之一；②

12m/min提高到7500m/min;③每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速和超音速切削加工将变为现实。第二节

刀具切削部分几何角度

一、金属切削加工的基本概念刀具切削表面二、刀具角度基面：pr切削平面：ps正交平面：p0车刀的主要角度前角：后角：主偏角：副偏角：刃倾角：刀刃圆弧半径车刀的主要角度前角：后角：主偏角：副偏角：刃倾角：刀刃圆弧半径当λs＝0°时，切屑沿主切削刃方向流出；

当λs＞0°时，切屑流向待加工表面；

当λs＜0°时，切屑流向已加工表面，容易划伤工件表面。刃刃倾角影响切屑的流出方向传统切削微量切削切削层厚度

(10–1000µm)切削层厚度.

(0.1–10µm)切屑切屑刀刃半径工件刀刃半径刀刃半径与切削厚度的关系世界最高水平的刃口圆弧半径

日本大阪大学岛田尚一博士研究金刚石车刀的刃口圆弧半径达到2～4nm，就可切削下小于1nm厚度的切屑，这为更高精度的加工创造了前提。光学镜面的反射率与加工表面的粗糙度直接有关，而今反射率要求越来越高，如激光陀螺反射镜的反射率已提出了99.99%，必然要求金刚石刀具更加锋利。第三节

刀具材料

一、刀具材料应具备的基本性能要求

①足够硬度、耐磨性和耐热性②足够的强度和韧性

③导热性好

导热性好，切削时产生的热量容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。④工艺性好

刀具材料有较好的可加工性，便于刀具加工，包括锻压、焊接、切削加工、热处理和可磨性等。⑥

经济性好

（性价比）经济性是评价刀具材料的重要指标之一。刀具技术提高对制造业的影响

美国每年消耗刀具费用约30亿美元，多花费10亿美元改进刀具性能，切削速度普遍提高20%，可节省加工费用150亿美元效益。刀具材料主要类型

刀具技术是机械制造技术的重要组成部分。刀具材料可分为：

①工具钢②高速钢③硬质合金④陶瓷⑤超硬材料

切削中普遍存在需求1、切削速度高。2、工件材料强度、硬度和粘性高。刀具材料发展重要阶段1、1850年主要切削刀具为碳素钢刀具，它只能在约12m／min以下的切削速度下工作。2、1868年R．穆舍特发明含有钨和钒的锰钢(合金工具钢)使切削速度提高到18.3m／min。3、1898年F．W．泰勒等人用含铬的工具钢把切削速度提高到36.6m／min，称为“高速钢”。4、1923年德国施勒特尔用粉末冶金法制成硬质合金刀具，又一次提高了切削速度。5、20世纪70年代化学气相沉积CVD法和物理气相沉积PVD法的出现，产生了涂层刀具，成为刀具材料发展的一次重大变革。

高速钢

高速钢是一种含钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素较多的工具钢。合金元素与碳化合形成结合力很强的高硬度碳化物，如碳化钒，硬度高达63～70HRC，且晶粒细小，分布均匀。在550～6000C时仍能保持高硬度，切削速度比碳素工具钢和合金工具钢成倍提高，可以承受较大的切削力和冲击，故得名“高速钢”。孔加工刀具----孔拉刀高速钢有良好的制造工艺性，特别适合于制造各种小型及结构和形状复杂的刀具。孔加工刀具----麻花钻头齿轮加工刀具---滚齿刀硬质合金

随着生产水平的提高，高速钢刀具已不能满足高效率加工、高质量加工以及难加工材料切削的要求。在1923年，德国的施勒特尔发明了硬质合金（钨钴类和钨钛钴类硬质合金）。

硬质合金是用粉末冶金工艺制成的。用硬度和熔点都很高的金属碳化物(碳化钨WC，碳化钛TiC、碳化钽TaC和碳化铌NbC等)作硬质相，用金属钴、钼或镍等作粘结相，研制成粉末，按一定比例混合后压制成型，在高温高压下烧结而成。硬质合金的制造工艺硬质合金特性

1、常温硬度很高(78～82HRC)。

2、热硬温度可达800～10000C以上，允许的切削速度是高速钢的4～7倍。目前切削加工中用量仅次于高速钢的主要刀具材料。

细化碳化物颗粒，提高硬质合金的硬度、耐磨性和抗弯强度。①平均晶粒尺寸为0.5~lµm者称亚微细晶粒合金；②平均尺寸在0.5µm以下者称超细晶粒合金。当WC晶粒的平均尺寸由5µm减小到1µm时，可使硬质合金的耐磨性提高10倍。超细晶粒硬质合金

涂层硬质合金是在普通硬质合金刀片或硬质合金表面，采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的工艺方法，涂覆一薄层(约5～12µm)高硬度难熔金属化合物(如TiC、TiN、Al203、金刚石等)。刀片既保持了普通硬质合金基体的强度和韧性，表面具有更高的硬度(可达1500～3000HV)和耐磨性，更小的摩擦因数和高的耐热性(达800～12000C)。

涂层刀具涂层硬质合金刀片

涂层刀片在高速切削钢件和铸铁时能获得良好效果，比未涂层刀片的刀具寿命提高1～3倍，高者可达5～10倍。

涂层高速钢刀具可直接切削调质后的中硬(小于等于42HRC)毛坯材料。

例如:M8X1.25普通高速钢涂层丝锥加工45调质钢(240—290HBS)时，比未涂层丝锥的平均寿命提高4.3倍。涂层刀具性能特点TiCN涂层波形刃铣刀TiN/TiC涂层刀具刀具复合涂层微观结构

①工件材料硬度的不断增加。

②钨资源的日渐缺乏。

苏联硬质合金用钨量约占该国钨总耗量的35%～40%；美国硬质合金用钨量约占该国钨总耗量的68%；机械加工导致国际市场精钨矿石价格不断上涨。

③地球含量丰富的元素Si和Al，促进了陶瓷刀具的发展。目前在国外的汽车生产线上大量使用陶瓷刀具。陶瓷刀具陶瓷刀具制造工艺

陶瓷刀具主要是由硬度和熔点都很高的Al2O3

（德国）

、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂，采用粉末冶金工艺方法经制粉，压制烧结而成。陶瓷可转位刀片主要优点1、有很高的硬度硬度超过硬质合金，加工钢材时，寿命可高达硬质合金的10～20倍。可以加工HRC65钢和硬化铸铁。2、高温性能切削温度达到在12000C以上。切削速度比硬质合金提高2~6，适合于高速切削。主要优点3、化学稳定性和抗粘接性能陶瓷与金属的亲和力较小，即使在熔化温度与钢也互不作用，不易氧化，适合高速切削和加热切削。4、摩擦系数低摩擦系数为0.32～0.77，减小了刀具磨损，提高了刀具寿命，而且使已加工表面的表面粗糙度值减小。在高速精车和精密铣削时，被加工工件可获得镜面效果，切削力也比硬质合金刀具要小。5、切削时不需使用切削液。主要缺点①热导率仅是硬质合金的1/2～l/5；②热膨胀系数却比硬质合金高10%～30%；③热冲击性能很差、抗弯强度和冲击韧度比硬质合金低。当温度发生显著变化时，容易产生裂纹，导致刀片破损。④切削时，一般也不宜使用切削液。超硬类刀具材料

金刚石1、金刚石是世界已发现的最硬材料（10000HV

）2、金刚石是碳的同素异构体，刀具中使用的金刚石分天然金刚石和人造金刚石两种；3、1955年美国GE公司的科学家成功地人工合成了重量约合1克拉的珠宝级金刚石（C-12）；4、C-12导热性能比天然金刚石好50%，比铜快850倍。5、目前世界上最坚硬的人工金刚石-----媛石，比普通金刚石坚硬很多。

人造金刚石及其聚晶体（PCD）

1、人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60～80倍。

2、人造金刚石的切削刃钝圆半径很小，能进行超精密微量切削，精度可达到3～1µm，表面粗糙度值可达到Ra0.02～0.006µm，可实现镜面加工。

3、金刚石刀具一般不适于加工铁系金属。温度超过8000C时就会碳化而失去切削能力，与铁有较强的化学亲和力。

4、人造金刚石脆性大，抗冲击能力差，对振动很敏感，要求机床精度高、平稳性好，且只适于精细加工。聚晶金刚石（PCD）的诞生1972年美国公司采用特殊工艺，成功的生产出了由微米级大小的金刚石晶体组成的聚晶金刚石（PCD）

PCD性能特点1、金刚石层的硬度和抗磨性在所有方向上都均匀分布，和单晶体天然金刚石形成鲜明对比的是，聚晶体材料没弱键层，各键层的硬度也不会参差不齐。2、聚晶金刚石刀具比传统的硬质合金刀具或陶瓷刀具，它能提供更快的切削速度，更高的加工精度和更高的刀具使用寿命从而提高产品的质量。上海工具有限公司制造PCD刀具全球PCD刀具的年销售量将超过3.5亿美元。其中52％的PCD刀具应用在汽车生产。金刚石涂层整体硬质合金立铣刀

“薄膜”CVD金刚石涂层

纳米结构金刚石涂层

同位素C-13的金刚石1、美国GE公司已研制出同位素C-13的金刚石，其硬度、强度等均高于现有的金刚石。2、在太空中对碳分子试验的结果，又发现了由60个碳原子组成的巴基球，即C-60，它比金刚石更坚硬。3、C-13、C-60在未来能成为新的刀具材料，使刀具的使用寿命大为提高。

金刚石涂层硬质合金铣刀

主要应用领域

1、模具工业的石墨电极加工；2、铝合金加工。加工效果1、用金刚石涂层钻头在高硅铝合金(20%Si)的刹车盘上钻69个12.5mm的通孔，钻完所有孔之后，该钻头完好无损；2、用通常未涂层的钻头，钻完9个孔之后即失效。立方氮化硼CBN

继人造金刚石之后，利用超高温高压技术人工合成的又一种新型无机超硬材料。立方氮化硼CBN发展1、20世纪80年代以来，美国科学家就开始了合成氮化硼(CBN)的研究工作；2、近年日本已合成氮化硼的维氏硬度达6380HV(638Gpa)；3、硬度有希望达到或超过金刚石10000HV的水平(1000Gpa)。（1）、硬度高仅次于金刚石的硬度(8000～9000HV)和耐磨性，比硬质合金和陶瓷高得多，能在较高切削速度下保持加工精度。加工淬火钢时，刀具寿命比硬质合金提高3～15倍。最适于加工高硬度淬火钢、高温合金等难加工材料的切削。（2）、热稳定性好立方氮化硼具有比金刚石更好的热稳定性，可达1300～14000C，它在摄氏1000度的高温下仍能保持硬质合金25摄氏度时的硬度。其高温硬度高于陶瓷刀具。当温度高达1370℃以上时，才开始由立方晶体