金属切削过程及其控制

关于金属切削过程及其控制121.刀具材料应具备的性能切削时刀具要承受：高温、高压、摩擦和冲击的作用刀具材料须满足以下基本要求：

1）高的硬度常温硬度HRC60以上。刀具硬度＞工件的硬度2）高的耐磨性→保证刀具的尺寸精度↑3）足够的强度与韧性能承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刀。第2页,共53页，2024年2月25日，星期天4）高的耐热性（热稳定性）在高温下保持：硬度、耐磨性、强度、韧性、化学稳定性。刀具材料的导热性要好，不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。5）良好的热物理性能和耐热冲击性能刀具材料应具有好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等。而且要追求高的性能价格比。6）良好的工艺性和经济性第3页,共53页，2024年2月25日，星期天4刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）第4页,共53页，2024年2月25日，星期天5工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。常用刀具材料第5页,共53页，2024年2月25日，星期天62.高速钢

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。

特点：1）强度高（抗弯强度为硬质合金的2～3倍,陶瓷的5～6倍）；2）韧性高（比硬质合金高几十倍）；5）可加工性好，热处理变形较小。3）具有一定的硬度（HRC63～70），且有较好的耐磨性；4）且有较好的耐热性（500℃～600℃）；第6页,共53页，2024年2月25日，星期天分类

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）。

应用：按制造工艺可分为:

熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。按用途可分为：

通用高速钢和高性能高速钢。第7页,共53页，2024年2月25日，星期天通用型高速钢（含碳量0.7～0.9%，62～66HRC）

钨系高速钢

W18Cr4V

钼系高速钢

W6Mo5Cr4V2

高温塑性好

主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.高性能高速钢

高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67～70HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。典型牌号有：W6Mo5Cr4V2Co8

、

W6Mo5Cr4V2Al

。主要用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料，加工普通材料可达90m/min.第8页,共53页，2024年2月25日，星期天粉末冶金高速钢

适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。（表3—2）常用高速钢的力学性能

牌号常温硬度/HRC抗弯强度/GPa冲击韧性/MJ/m2高温硬度/HRC500°C600°CW18Cr4V2W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4VCo8W6Mo5Cr4V2Al63~6663~6666~6867~693~3.43.5~43.02.9~3.90.18~0.320.3~0.40.30.23~0.35655~56---6048.547~485455第9页,共53页，2024年2月25日，星期天涂层高速钢。是采用物理气相沉积（PVD）方法，刀具表面生成TiN，其厚度一般为2～8

m。特点：切削力、切削温度约下降25%，切削速度、进给量和刀具寿命显著提高。适合在钻头、丝锥、成形铣刀和切齿刀具上应用。第10页,共53页，2024年2月25日，星期天11第11页,共53页，2024年2月25日，星期天常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造加工一般钢材和铸铁的钻头、铰、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等整体刀具。切削速度低。W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等，用于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金。高性能高速钢高矾W12Cr4V4Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵

第12页,共53页，2024年2月25日，星期天133.硬质合金是用具有高耐磨性和高耐热性的金属碳化物粉末(WC、TiC、TaC、NbC等)＋金属粘接剂

(Co、Ni等)高压成形后→高温烧结而成。成分：WC（TiC、TaC）＋Co（Ni）特点：高硬度（HRA89～93相当于HRC74～82）;高耐磨性，高耐热性（850～1000℃），切削速度可达100～300m/min;抗弯强度低和抗冲击振动性能差，很少用于制造整体刀具。第13页,共53页，2024年2月25日，星期天14分类①钨钴类硬质合金

K（YG

）类（WC＋Co）Co含量↑→抗弯强度↑、韧性↑、耐磨性↓。用途：加工铸铁和有色金属等脆性材料。特点：牌号：YG8、YG6、YG6X、YG3、YG3X

强度、韧性好，耐磨性、耐热性稍差。第14页,共53页，2024年2月25日，星期天牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金和合金淬火钢高速精加工YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的连续切削时的精加工、间断切削时的半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削抗弯强度、韧性、进给量

硬度、耐磨性、切削速度常用硬质合金的牌号及其应用范围第15页,共53页，2024年2月25日，星期天②钨钛钴类硬质合金

P（YT

）类（WC＋TiC＋Co）用途：高速切削结构钢和合金钢等塑性材料。牌号：

YT5、YT14、YT15、YT30特点：耐磨性、耐热性好，强度、韧性较差。TiC含量↑→耐磨性↑

抗弯强度↓、韧性↓。第16页,共53页，2024年2月25日，星期天17牌号应用范围YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性进给量

硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量

硬度、耐磨性、切削速度常用硬质合金的牌号及其应用范围第17页,共53页，2024年2月25日，星期天③钨钛钽（铌）类硬质合金

M

（YW）类（WC＋TiC＋TaC（碳化钽）（NbC（碳化铌））＋Co）牌号：

YW1(M10)、YW2(M20)特点：强度、韧性↑，耐热性↑，耐磨性↑。用途：即可加工铸铁和有色金属，又可加工钢材及高温合金和不锈钢等难加工材料。用途：高速精加工钢材。④镍钼钛类硬质合金YN类（TiC＋Ni＋Mo）牌号：

YN05、YN10特点：高硬度、高耐磨性、高耐热性和抗氧化性，但强度和韧性降低。第18页,共53页，2024年2月25日，星期天19特点：外硬内韧，耐磨性、耐热性、抗氧化性和抗粘结性↑，但锋利性、抗剥落性和抗崩刃性↓，成本比较高。

在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。4.涂层刀具材料涂层方法：化学气相沉积法（CVD法，1000℃）和物理气相沉积法（PVD法，500℃）。常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al203及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。第19页,共53页，2024年2月25日，星期天205.陶瓷刀具材料以氧化铝Al2O3或氮化硅Si3N4为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。特点：硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强。用途：可用于钢、铸铁类零件的高速车削、铣削加工，并可切削难加工的高硬度材料。第20页,共53页，2024年2月25日，星期天21

陶瓷刀具是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，添加少量金属在高温下烧结而成的。特点：①高硬度和耐磨性。常温硬度达91～95HRC，可以切削60HRC以上的硬材料。②高的耐热性。高温下强度、韧性降低较少。③高的化学稳定性。在高温下有较好的抗氧化、抗黏结性能。④低的摩擦因数。切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。⑤强度和韧性低。承受冲击载荷的能力较差。⑥热导率低。抗热冲击性能较差。5.陶瓷刀具材料第21页,共53页，2024年2月25日，星期天22①可加工硬度高达65HRC的高硬度难加工；②可进行扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削；③刀具寿命可提高几倍至几十倍；④切削效率提高3～10倍，可实现以车铣代磨。

与传统硬质合金相比，有下列优点：用途：适用于高速精细加工硬材料，新型的陶瓷刀具也能半精、粗加工多种难加工材料。

第22页,共53页，2024年2月25日，星期天236.立方氮化硼（CBN）立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。特点：它有很高的硬度及耐磨性；可耐1300～1500℃的高温，热稳定性好；化学惰性大，与铁系金属在1300℃时不易起化学反应；导热性好，摩擦系数低。用途：１）可用于冷硬铸铁、淬硬钢的粗车和精车加工。２）高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削。第23页,共53页，2024年2月25日，星期天24

聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN作为主要成分与结合剂在高温高压下烧结而成的聚晶体，结合剂主要有金属型(以CO、Ni为代表)或陶瓷型(以TiC、TiN、Al2O3为代表)。聚晶立方氮化硼(PCBN)特点：1.具有较高的硬度和耐磨性硬度一般为3000～5000HV。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具的50倍、涂层硬质合金刀具的30倍、陶瓷刀具的25倍。第24页,共53页，2024年2月25日，星期天253.具有优良的化学稳定性

CBN的化学惰性特别大，在1200℃～1300℃时也不与铁系材料发生化学反应，在中性、还原性的气体中，对酸、碱都是稳定的；其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多，因此PCBN刀具特别适合加工钢铁材料。2.具有很高的热稳定性

PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。因此PCBN刀具适于加工淬硬钢、铸铁、高温合金钢等高硬度耐磨材料。第25页,共53页，2024年2月25日，星期天26

金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，其显微硬度达10000HV。（1）天然单晶金刚石刀具主要用于非铁材料及非金属的精密加工。特点：单晶金刚石结晶界面有一定的方向，不同晶面上硬度与耐磨性有较大的差异，刃磨时须注意选择刃磨平面。（2）人造聚晶金刚石（PCD）人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。特点：人造聚晶金刚石抗冲击强度高，可选用较大的切削用量。结晶面无固定方向，可自由刃磨。7.金刚石第26页,共53页，2024年2月25日，星期天27（3）金刚石烧结体

在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的聚晶金刚石。特点：强度较好，能进行断续切削，可多次刃磨。主要用于有色金属的高速精细切削。金刚石不是碳的稳定状态，遇热易氧化和石墨化，用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力强，刀具寿命低。第27页,共53页，2024年2月25日，星期天常用刀具材料可切削的主要工件材料

刀具材料结构钢合金钢铸铁淬硬钢冷硬铸铁镍基高温合金钢钛合金铜铝等有色合金非金属

高速钢√√√

√√√√硬质合金K类(YG)

√

√√√√P类(YT)√√

M类(YW)√√√

√

√√涂层硬质合金√√√

√

Ti(N)基硬质合金√√√

√√陶瓷Al2O3基√√√

√

Si3N4基

√

√

超硬材料金刚石

√√立方氮化硼

√√√

第28页,共53页，2024年2月25日，星期天29

应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。第29页,共53页，2024年2月25日，星期天30

磨削：用带有磨粒的工具（砂轮、砂带、油石等）对工件进行加工的方法。工具：砂轮（磨料＋结合剂）→制坯、干燥、焙烧、修整。砂轮特性：由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、及形状尺寸等因素决定。3.3.4磨料与磨具第30页,共53页，2024年2月25日，星期天31—是构成砂轮的主要成分,直接担负切削工作。磨料1．磨料磨料应具备的特点：具有高硬度、高耐热性和一定的韧性，在磨削过程中受力破碎后还要能形成锋利的几何形状。磨料的种类分为:

氧化物系、碳化物系和超硬磨料系第31页,共53页，2024年2月25日，星期天32表3-3磨料的特性和使用范围第32页,共53页，2024年2月25日，星期天33氧化物系碳化物系超硬材料棕刚玉白刚玉—普通钢材—淬火钢、高速钢黑碳化硅绿碳化硅—铸铁、有色金属—硬质合金等硬脆材料人造金刚石立方氮化硼—高硬材料—难加工材料·第33页,共53页，2024年2月25日，星期天34粒度—即磨料颗粒的大小,对加工表面粗糙度和磨削生产率影响较大。分为两个级别：粒度

磨粒（＞40μm）微粉（≤40μm）—每英寸筛网长度上的筛孔数表示一般磨削(荒磨）—12#～46#粗磨、半精磨、精磨—46#～80#

精密磨、珩磨—100#～280#

—以颗粒最大尺寸的微米数表示精密磨：珩磨、研磨—W40～W28超精密磨、镜面磨—W20～W5第34页,共53页，2024年2月25日，星期天

磨削硬度低、塑性大的工件材料和磨削面积较大时，为避免砂轮堵塞，可采用粗粒度的砂轮。（表3—4）常用粒度及使用范围

类别粒度颗粒尺寸

(µm)应用范围

微粉W40~W2840~2828~20珩磨研磨W20~W1420~1414~10研磨超精加工超精磨削W10~W510~75~3.5研磨超精加工镜面磨削类别

粒度颗粒尺寸

(µm)应用范围

磨粒12#~36#2000~1600500~400荒磨打毛刺46#~80#400~315200~160粗磨半精磨，精磨100#~280#160~12550~40精磨，珩磨第35页,共53页，2024年2月25日，星期天36—将磨粒粘结成有一定强度和形状的砂轮分为：结合剂陶瓷结合剂树脂结合剂橡胶结合剂金属结合剂结合剂的作用影响：砂轮的强度、抗冲击性、耐热性。第36页,共53页，2024年2月25日，星期天37（表3—8）常用结合剂的性能及选用

结合剂代号特性适用范围陶瓷V耐热，耐蚀，气孔多，易保持轮廓，弹性差最常用，适于各类磨削树脂B弹性好，强度比V高，耐热性差适用于高速磨削，切断，开槽橡胶R弹性更好，强度更高，气孔少，耐热性差适用于切断，开槽，及作无心磨的导轮青铜J强度最高，型面保持性好，磨耗少，自锐性差适用于金刚石砂轮第37页,共53页，2024年2月25日，星期天38—磨粒在磨削力的作用下从砂轮表面脱落的难易程度反映了磨粒与粘合剂的粘结强度和自砺性。

硬度砂轮硬度高→磨未淬硬钢L～N磨淬硬钢H～K磨硬质合金H～J精密磨K～L超软软中软中中硬硬超硬DEFGHJKLMNPQRSTY砂轮硬度低→磨粒易脱落磨粒不易脱落第38页,共53页，2024年2月25日，星期天39工件硬度较低时，应选用较硬的砂轮；砂轮与工件接触面较大时，选用较软的砂轮；磨薄壁件及导热性差的工件时选用较软的砂轮；精磨和成形磨时，应选用较硬的砂轮；砂轮粒度号大时，应选用较软的砂轮。砂轮硬度选择原则：第39页,共53页，2024年2月25日，星期天40组织—磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系磨料所占比例越大，组织越紧密，气孔少反之，组织疏松，气孔多组织组织号：0～12组织号越大→磨粒所占体积越小→砂轮越疏松→气孔就越多→砂轮不易被切屑堵塞→冷却液或空气带入磨削区→散热条件改善。常用：4～7第40页,共53页，2024年2月25日，星期天41砂轮名称代号断面简图基本用途平行砂轮P根据不同尺寸，分别用于外圆磨、内圆磨、平面磨、无心磨、工具磨、螺纹磨和砂轮机上双斜边砂轮PSX主要用于磨齿轮齿面和磨单线螺纹双面凹砂轮PSA主要用于外圆磨削和刃磨刀具，还可用作无心磨的磨轮和导轮薄片砂轮PB主要用于切断和开槽等筒形砂轮N用于立式平面磨床6.砂轮的形状、用途及选择第41页,共53页，2024年2月25日，星期天42砂轮名称代号断面简图基本用途杯形砂轮B主要用其端面刃磨刀具，也可用圆周磨平面和内孔碗形砂轮BW通常用于刃磨刀具，也可用于磨机床导轨碟形砂轮D适于磨铣刀、绞刀、拉刀等，大尺寸的一般用于磨齿轮的齿面第42页,共53页，2024年2月25日，星期天43P-300×50×75-A60L5V-35m/sP—砂轮形状代号：平形砂轮砂轮的标志实例：300—砂轮外径：300mm50—厚度：50mm75—内径：127mmA—磨料：棕刚玉60—粒度：60#L—硬度：中软5—组织号：5号（中等）V—结合剂：树脂（V）35—最高线速度：35m/s第43页,共53页，2024年2月25日，星期天砂轮选择依据：工件材料的性质、要求的表面粗糙度和金属磨除率。选择原则：1）磨钢，选刚玉类砂轮；磨硬铸铁、硬质合金和非金属材料，选碳化硅砂轮。2）磨软材料，选硬砂轮；磨硬材料，选软砂轮。3）磨软而韧的材料，选粗磨粒；磨硬而脆的材料，选细磨料。4）工件粗糙度要求低时，选细磨粒；金属切除率要求高时，选粗磨粒。5）要求加工表面质量高时，选用树脂或橡胶结合剂的砂轮；要求最大金属切除率时，选用陶瓷结合剂的砂轮。第44页,共53页，2024年2月25日，星期天45加工下列工件，请选择合理的刀具材料（简述选择理由并写出具体牌号）。1.精车黄铜轴.2.粗车