《金属切削原理与刀具》教案课程

山西省农业机械化学校
课程：金属切削原理与刀具
课题：
第一章绪论第二章刀具几何角度及切削要素2.1 切削运动与工件表面
教学目的：
使学生了解金属切削加工在机械制造中的作用，了解我国金属切削技术的发展概况，掌握金属切削加工的概念及意义等；掌握切削运动的基本概念。

教学重点：
金属切削加工的相关概念
切削运动的基本概念
教学难点：
在各种切削加工中，主运动与进给运动分别是什么
教学方法及教改手段：
课堂教学
教学用具：
教材分析及教学过程：
项目一、绪论
任务一、金属切削加工与机械制造
1、机械制造过程分析
2、从图中可以看出，机器中的组成单元是一个个的零件，都是由毛坯经过相应的机械加工工艺过程，变为合格零件的，加工成在形状、尺寸、表面质量等各方面都符合使用要求的合格零件。

3、金属切削加工常作为零件的最终加工方法，它需要用金属切削刀具直接对零件进行加工，它们之间要有确定的相对运动，需要承受很大的切削力。

任务二、我国切削技术的发展
由学生自行阅读P2-P4的内容，了解认识我国金属切削的发展历程，以及现代刀具技术在机械工业中的应用。

任务三、金属切削加工的相关概念
1、金属切削加工：利用刀具切除被加工零件多余的材料，形成已加工表面。

2、金属切削加工目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。

3、金属切削加工的两个基本条件：切削运动和刀具。

任务四、本课程的研究内容和学习目的
1、金属切削原理与刀具所研究的主要内容：刀具材料的性能与选用；刀具切削部分的几何参数；切削过程现象与变化规律；被切削材料的加工性；提高加工表面质量与经济效益的方法；车削、钻削、铣削、磨削等过程的特点。

2、本课程研究的内容可归纳为两个方面的问题：几何问题和规律问题
3、本课程的学习目的：认识金属切削过程的一般现象及基本规律，能按照具体加工条件选择合理的刀具材料、切削部分几何参数及切削用量、计算切削力和功率、并能运用所学知识分析及解决生产中的一些问题；了解一些常用的标准通用刀具，标准专用刀具的类型、结构特点、工作原理、应用范围和如何正常的使用；初步掌握一些常用刀具、专用刀具的设计计算方法；了解常用加工手段的特点。

项目二、刀具几何角度及切削要素
任务一、切削运动与工件表面
1、切削运动
金属切削加工就是用金属切削刀具把工件毛坯上预留的金属材料切除，获得图样所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的方法。

在切削加工过程中，刀具和工件之间有一定的相对运动，即切削运动。

1.1、主运动
主运动是由机床或手动提供的刀具与工件之间主要的相对运动，它使刀具和工件之间产生相对运动。

一般情况下，主运动是切削运动中最基本的运动，也是速度最高，消耗功率最大的运动。

任何切削过程必须有一个，也只有一个主运动。

主运动方向:切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。

切削速度c v ：切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。

1.2、进给运动
进给运动是由机床或手动传给刀具或工件的运动，它配合主运动依次地或连续地切除切削，同时形成具有所需几何特征的已加工表面。

进给运动方向：切削刃选定点相对于工件的瞬时进给运动的方向。

进给速度f v ：切削刃选定点相对于工件的进给方向的瞬时速度。

1.3、合成切削运动
当主运动和进给运动同时进行时，由主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。

合成切削运动方向：切削刃选定点相对于工件的瞬时合成切削运动方向。

合成切削速度e v ： 切削刃选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度。

合成切削速度e v 等于主运动切削速度c v 和进给运动速度f v 的矢量和。

1.4、常见切削加工方式的主运动和进给运动
2、工件表面
切削加工过程中，工件上形成了三个不断变化着的表面
已加工表面：工件上经刀具切削后产生的表面称为已加工表面
待加工表面：工件上有待切除切削层的表面称为待加工表面
过渡表面：工件上切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程，刀具或工件的下一转里将被切除，或者由下一切削刃切除。

作业：
1、金属切削加工、主运动、进给运动的概念；
2、刨削、钻削、插齿、车外圆、磨外圆、铣平面、镗孔的主运动和进给运动。

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第二章刀具几何角度及切削要素2.2 刀具切削部分的组成2.3刀具切削部分的几何角度
教学目的：
以外圆车刀为例，使学生了解刀具的基本组成部分，熟记“三面两刃一尖”的概念，并能在刀具上指出；介绍参考系在刀具认识中的作用，理解两个假设条件的含义；发挥能动性，想象出基面、切削平面和正交平面的大致位置。

教学重点：
刀具的“三面两刃一尖”
参考系的相关概念
用以组成参考系的基面、切削平面及正交平面
教学难点：
参考系中的参考面
教学方法及教改手段：
课堂教学、模型教学、分组讨论
教学用具：
外圆车刀、立铣刀、麻花钻、机夹车刀
教材分析及教学过程：
任务二、刀具切削部分的组成
1. 车刀的组成
1.1 刀柄 刀具上的夹持部分；
1.2 刀体 刀具上夹持刀条或刀片的部分；
另：刀孔 刀具上用以安装或紧固在主轴、刀柄或心轴上的内孔。

2. 刀具切削部分的组成 三面 两刃
一尖 主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃 3. 以外圆车刀为例，帮助学生了解“三面两刃一尖”在车刀上的真实位置；进行分组讨论，分别指出立铣刀、麻花钻和机夹车刀的“三面两刃一尖”的位置。

任务三、刀具切削部分的几何角度
1. 为什么要学习参考系
为了确定刀具前面、后面及切削刃在空间的位置，首先应建立参考系，它是一组用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面。

用刀具前面、后面和切削刃相对于各基准坐标平面度夹角来表示它们在空间的位置，这些夹角就是刀具切削部分的几何角度。

它是刀具设计计算、绘图标注、刃磨测量角度时基准。

2. 参考系的分类
用于确定刀具几何角度的参考系分为两大类，一类是刀具静止参考系，
⎪⎩
⎪
⎨⎧---面面相对并相互作用的表刀具上与工件已加工表副后面相对并相互作用的表面刀具上与工件过渡表面
主后面互作用的表面刀具上与切屑接触并相
前刀面⎪⎩
⎪⎨
⎧--并最终形成已加工表面切削工作它配合主切削刃完成线前刀面与副后刀面的交副切削刃它完成主要的切削工作前刀面与后刀面的交线主切削刃,,,⎩
⎨⎧圆弧
小直线
另一类是刀具工作参考系。

其中，常用参考系为刀具静止参考系。

3. 建立刀具静止参考系的假定工作条件
3.1 假定运动条件给出刀具的假定主运动方向和数值很小的假定进给运动方向或不考虑进给运动，以排除工作条件改变对几何角度的影响。

这样便可近似地用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。

3.2 假定安装条件给出刀具的安装位置恰好使刀具底面平行或垂直于参考系的平面。

4. 刀具静止参考系的平面
基面是指通过切削刃选定点垂直于假定主运动方向的平面，它4.1 基面p
r
平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合安装或定位的一个平面或轴线。

切削平面是指通过主切削刃选定点与主切削刃相切并垂4.2 切削平面p
s
直于基面的平面。

4.3 正交平面p
正交平面是通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削o
平面的平面。

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第二章刀具几何角度及切削要素2.3刀具切削部分的几何角度
教学目的：
以外圆车刀为例，使学生了解刀具的法平面、假定工作平面和背平面；通过模型参考，是学生认识主偏角、副偏角、前角、后角、副后角以及刃倾角的概念及位置，并形成印象。

教学重点：
刀具静止参考系中的法平面、假定平面和背平面
刀具几何角度中的主偏角、副偏角、前角、后角、副后角以及刃倾角
教学难点：
参考系中的参考面及几何角度的位置
教学方法及教改手段：
课堂教学、模型教学、分组讨论
教学用具：
外圆车刀
教材分析及教学过程：
4.4 法平面 p n 法平面是通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。

4.5 假定工作平面 p f 假定工作平面是通过切削刃选定点平行于假定的进给运动方向，并垂直于基面的平面。

4.6 背平面 p p 背平面是通过切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。

5. 刀具静止角度参考系
5.1 正交平面参考系 由基面、切削平面和正交平面组成，o s r p p p --。

5.2 法平面参考系 由基面、切削平面和法平面组成，n p p p s r --。

5.3 假定工作平面和背平面参考系 由基面、假定工作平面和背平面组成，
p r p p p --f 。

6. 常用刀具几何角度
6.1 主偏角r κ 主偏角是主切削平面与假定工作平面之间的夹角。

6.2 副偏角r κ' 副偏角是副切削平面与假定工作平面之间的夹角。

6.3 刀尖角r ε 刀尖角是主切削平面与副切削平面之间的夹角。

6.4 前角o γ 前角是前面和基面的夹角。

前角有正、负和零度之分。

前面在基面之下称为正前角，反之称为负前角。

6.5 后角o α 后角是后面与切削平面之间的夹角。

6.6 楔角o β 楔角是前面和后面之间的夹角。

6.7 刃倾角s λ 刃倾角是主切削刃与过刀尖所作基面间的夹角。

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第二章刀具几何角度及切削要素2.3刀具切削部分的几何角度
教学目的：
使学生了解实际操作中，刀具切削部分的几何角度如何进行选择。

教学重点：
刀具切削部分的几何角度的选择
教学难点：
刀具切削部分几何角度的认知与实际联系
教学方法及教改手段：
课堂教学
教学用具：
教材分析及教学过程：
任务四、刀具切削部分几何角度的选择
1. 前角
1.1 前角越大，刀具越锋利，切削越省力；但强度也随之降低，易产生崩刀。

1.2 根据工件材料
强度硬度大前角小刀坚固散热好
塑性材料前角大刀锋利变形小
脆性材料前角小刀坚固散热好
1.3 根据加工性质
粗加工前角小刀坚固散热好
精加工前角大刀锐利变形小
1.4 根据刀具材料
高速钢前角大抗弯强度大耐冲击；
硬质合金前角小抗弯强度小不耐冲击
2. 后角
2.1 后角主要作用是减少主后刀面与工件间的摩擦。

2.1 根据加工精度
精加工：防止摩擦选较大的后角；
粗加工：增加到头的强度选较小的后角。

2.2 根据加工材料
塑性金属：选较大的后角；
脆性材料：选较小的后角；
硬度、强度较高的材料：选较小的后角
3. 副后角
一般车刀的副后角取和后角相同的数值。

但切断刀受刀头强度限制，副后角较小（1 °30′～2°）
4. 主偏角与副偏角
4.1 主偏角的选择
4.1.1 根据系统刚性
刚性好，r κ；刚性差，r κ大。

4.1.2 根据工件形状
r κ按工件表面形状选取，如台阶轴车刀主偏角为90o
4.2 副偏角的选择
主要根据加工性质选取，粗车取10°～ 15°，精车取5°～10°，切断1°～3° 考虑对粗糙度的影响：尽量取小值
5.2 断续切削：刃倾角s λ < 0（保护刀尖）
5.3 系统刚性差： 刃倾角s λ > 0（使p F 小些） 5.4 工件b σ、HB 大：刃倾角s λ< 0（保护刀尖）
注：
p F ：刀具切削背向力
b σ：金属抗拉强度 HB ：金属硬度
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第二章刀具几何角度及切削要素2.3切削用量和切削层参数
教学目的：
使学生了解并掌握切削用量三要素；熟练并能运用切削层参数概念及其公式。

教学重点：
切削用量三要素
切削层及切削层参数
教学难点：
切削层参数公式的掌握及运用。

教学方法及教改手段：
课堂教学
教学用具：
教材分析及教学过程：
任务五、切削用量和切削层参数 1. 切削用量三要素
切削速度、进给量和吃刀量称为切削用量三要素。

1.1 切削速度是指切削刃选定点相对工件主运动的瞬时速度。

1.1.1 主运动为旋转运动
式中 c v 切削速度 m/s
d 切削刃选定点所对应工件或刀具的直径，实际计算中一般取工件或刀具的外圆直径 mm
n 工件或刀具的转速 r/s 1.1.2 主运动为往复运动
式中 c v 切削速度 m/s
L 往复运动行程长度 mm r n 主运动每秒钟往复次数 str/s
1.2 进给量f 是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工
318
1000
dn dn
v c =
=
π1000
2r c Ln v =
件每转或每行程的位移量来表达或度量，单位为mm/r 或mm/行程。

n f v f ⋅=
式中 f v 进给速度 m/s n 主轴转速 r/s
1.3 吃刀量s a 是指包容切削层的两平面间的距离，该两平面都垂直于所选定的测量方向，并分别通过作用切削刃上两个使上述两平面间的距离为最大的点。

吃刀量根据所选定的测量方向不同可分为背吃刀量p a 、侧吃刀量e a 和进给吃刀量f a 。

1.3.1 背吃刀量p a 是指通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量。

切削刃基点是指作用于切削刃上的特定参考点，通常把它定在将作用切削刃分成两相等长度的点上。

就车外圆工序而言，背吃刀量为工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，即
式中 p a 背吃刀量 mm w d 待加工表面直径 mm m d 已加工表面直径 mm
1.3.2 进给吃刀量f a 是指切削刃的进给运动方向上所测量的吃刀量。

1.4 切削用量的选择 1.4.1 切削用量选择原则
保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

⑴. 粗加工时切削用量选择
首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。

⑵. 精加工时切削用量选择
首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高
2
m
w p d d a -=
的切削速度。

1.4.2 背吃刀量的选择
根据加工余量决定。

粗加工[Ra10~80μm]时，一次进给应尽可能切除全部余量，在中等功率的机床上，背吃刀量可达8~10mm；半精加工[Ra1.25~10μm]时，背吃刀量取0.5~2mm；精加工[Ra0.32~1.25μm]时，背吃刀量取0.1~0.4mm。

在工艺系统刚性不足或毛坯余量很大时，或余量不均匀时，粗加工要分几次进给，并且应当把第一、二次进给的背吃刀量取的大一些。

1.4.3 进给量f的选择
粗加工时，由于对工件表面质量没有太高的要求，这时主要考虑机床进给机构的强度和刚性及刀杆的强度和刚性等限制因素。

根据加工材料、刀杆尺寸和工件直径以及已确定的背吃刀量来选择进给量。

在半精加工和精加工时，则按表面粗糙度的要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度来选择进给量。

1.4.4 切削速度的选择
根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度。

可用经验公式计算，也可根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取。

在选择切削速度时，还应考虑以下几点：（1）应尽量避开积屑瘤产生的区域；（2）断续切削，应适当降低速度；（3）大件、细长件、薄壁件，选取较低速度。

作业：
车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，切入长度为3mm，求v、f、
a
p
2. 切削层及切削层参数
2.1 切削层
由切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指
只产生一圈过渡表面的动作）所切削的工件材料层。

切削层剖面形状和尺寸通常都在垂直于切削速度e v 的基面r p 内观察和度量。

由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。

切削层在垂直于主运动方向的截面尺寸称为切削层参数。

2.2 切削层参数
2.2.1 切削层公称宽度D b
在给定瞬间，作用于主切削刃截形上两个极限点间的距离，在切削层尺寸平面中测量。

它大致反映了工作主切削刃参加切削工作的长度，对于直线
主切削刃有近似的关系。

公称宽度D b 是平行于过渡表面的参数，主要影响刀具的散热情况。

式中 p a 背吃刀量； r k 刀具主偏角。

2.2.2 切削层公称厚度D h
在垂直于切削刃的方向上度量的切削层截面的尺寸。

D h 反映了切削刃单位长度上工作负荷的大小。

r D k f h sin ⋅=
式中 f 进给量； r k 刀具主偏角。

2.2.3 切削层公称切削面积D A
在给定瞬间，切削层在切削尺寸平面里的实际横截面积（不包括残留面积）亦即实际切削面积。

f a h b A p D D D ⋅=⋅=
r
p D k a b sin =
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第三章制造刀具的材料3.1刀具材料的性能和种类3.2高速工具钢
教学目的：
使学生了解刀具材料必须具备的性能，了解刀具材料的种类和刀体裁料；了解高速工具钢的性能特点。

教学重点：
刀具材料必须具备的性能
刀具材料的种类和刀体裁料
教学难点：
刀具材料必须具备的性能。

教学方法及教改手段：
课堂教学
教学用具：
教材分析及教学过程：
项目三、制造刀具的材料
任务一、刀具材料的性能和种类
问题1：制造刀具的材料的研究对象是什么？
所谓刀具材料是指刀具切削部分的材料。

问题2：刀具材料对切削加工的影响？
刀具材料是在较大的切削力，较高切削温度下工作的，有时还承受冲击和震动，所以刀具材料切削性能的好坏将直接影响到切削加工的效率和已加工表面的质量。

问题3：刀具材料必须具备的性能？
1.高的硬度和高耐磨性。

刀具切削部分的硬度要高于工件材料的硬度，在室温下，刀具硬度应高于60HRC以上。

耐磨性是指刀具材料抵抗磨损的能力。

耐磨性取决于硬度，材料的硬度越高，耐磨性越好，含有耐磨性好的碳化物颗粒越多，晶粒越细，分布越均匀，则耐磨性越好。

2.足够的强度和韧性。

刀具切削部分材料承受着各种应力、冲击和振动。

为了防止刀具崩刃和碎裂，切削部分必须具有足够的强度和韧性。

3.高的耐热性。

耐热性是指在高温下刀具切削部分材料要保持常温时硬度的性能，通常把材料在高温下仍保持高硬度的能力称为热硬性（高温硬度）。

刀具材料的高温硬度越高，耐热性越好，允许的切削速度越高。

所以耐热性是衡量刀具材料性能的主要指标之一。

4.良好的工艺性能。

为了便于制造，刀具切削部分材料应有良好的锻造、焊接、热处理和磨削加工等性能。

5.良好的经济性。

经济性也是刀具材料衡量指标之一，选择刀具时，要考虑刀具的经济效益，以降低生产成本。

问题4：刀具材料的种类有哪些？
问题5：刀体的材料是什么？
一般刀体均用普通碳钢或合金钢制作，如焊接车刀、镗刀的刀柄，钻头、铰刀的刀体常用45钢或40Cr制造。

尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜选用合金工具钢或整体高速钢制作，如螺纹刀具、成形铣刀、拉刀等。

机夹、可转位硬质合金刀具、镶硬质合金钻头、可转位铣刀等可用合金工具钢制作，对于一些尺寸较小的精密孔加工刀具，如小直径镗、铰刀，为保证刀体有足够的刚度，宜选用整体硬质合金制作，以保证其加工精度。

任务二、高速工具钢
问题1：高速工具钢的性能特点有哪些？
⑴、耐热性很高，在切削温度高达600℃时仍能保持60HRC的高硬度，切削速度可提高1~3倍，耐用度提高了4~10倍。

可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料。

⑵、有较高的强度和韧性。

高速钢的抗弯强度为硬质合金的2~3倍，故高速钢刀具切削时不易崩刃。

⑶、硬度高，耐磨性好，其硬度高达70HRC，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。

⑷、刀具制造工艺简单。

容易磨成锋利的切削刃，能锻造，所以在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮工具等）制造中，高速钢仍占主要地位。

问题2：高速钢的分类？
高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢，按制造方法不同可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

问题3：通用型高速钢的分类及其各自优缺点？
通用型高速钢可分为钨钢、钨钼钢和不含钨的钼钢。

钨钢的有点是淬火时过热倾向小，含钒量少，刃磨工艺性好；缺点是碳化物分布不均匀且颗粒粗大，不宜制造大截面的刀具，热塑性差，不宜制造成形刀具。

钨钼钢的优点是热塑性好，常用于制造热轧刀具（热轧麻花钻），抗弯强度比钨钢高，韧度高，适用于尺寸较大，承受冲击较大的刀具；缺点是热处理易脱碳，易氧化，热稳定性差。

问题4：几种常见的高性能高速钢，及其性能特点。

书P33
问题5：粉末冶金高速钢的主要优点。

书P33
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课程：金属切削原理与刀具
第三章制造刀具的材料3.3硬质合金3.4其他刀具材料
教学目的：
使学生了解硬质合金刀具的基本特性、分类、牌号及选用；了解几种常用其他刀具材料的性能、特点及选用。

教学重点：
硬质合金分类及选用
其他刀具材料特点及应用范围
教学难点：
硬质合金分类及选用
其他刀具材料特点及应用范围
教学方法及教改手段：
课堂教学
教学用具：
教材分析及教学过程：
任务三、硬质合金
问题1：硬质合金是什么？
硬质合金是将一些难熔的、高硬度的合金碳化物微米数量级粉末与金属粘结剂混合加压成形，烧结而成的粉末冶金材料。

常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，常用的粘结剂有Co以及Mo、Ni等。

1923年，德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加进10%～20%的钴做粘结剂，发明了碳化钨和钴的新合金，硬度仅次于金刚石，这是世界上人工制成的第一种硬质合金。

用这种合金制成的刀具切削钢材时，刀刃会很快磨损，甚至刃口崩裂。

1929年美国的施瓦茨科夫在原有成分中加进了一定量的碳化钨和碳化钛的复式碳化物，改善了刀具切削钢材的性能。

这是硬质合金发展史上的又一成就。

问题2：硬质合金的优缺点？
优点：①、硬度高，耐磨性好；②、热稳定性好，耐热性好；③、切削性能比高速钢好。

缺点：抗弯强度低；冲击韧性差。

碳化物含量增加，硬度增加，抗弯强度降低。

粘结剂含量增加，硬度降低，抗弯强度增加。

问题3：常用硬质合金的分类、牌号？
ISO将切削用硬质合金分为三大类：
P类，相当于YT类，用于加工长切屑黑色金属；
K类，相当于YG类，用于加工短切屑黑色金属、有色金属和非金属；
M类，相当于YW类，用于加工长短切屑的黑色金属、有色金属。

①、YG类硬质合金。

YG代表钨钴类硬质合金。

后面数字表示Co的含量。

C 表示粗颗粒，X表示细颗粒，一般硬质合金均是中等颗粒。

②、YT类硬质合金。

YT表示钨钛钴类硬质合金，数字表示TiC的含量。