金属切削原理及刀具解析
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整個金屬切削加工歷史﹐刀具材料大致經歷了碳素工具鋼及合金工具鋼時 代﹑高速鋼時代﹑硬質合金時代﹐以及正在發展的ＣＢＮ﹑陶瓷及金剛 石等超硬刀具材料時期﹒
18世紀末期以后﹐伴隨著蒸汽机等划時代机器的發展﹐刀具材料才開始快 速發展﹐1783年﹐法國的勒內制出第一把銑刀﹐1792年﹐英國的莫茲 利制出絲錐和板牙﹐1822-1864年﹐制出麻花鉆﹒刀具材料為碳素工具 鋼﹐允許切削速度5m/min左右﹐耐熱性200-250℃;1868年﹐合金工具 鋼出現﹐允許切削速度提高到8m/min左右﹐耐熱性提高到300-400℃,總 之﹐允許切削速度在10m/min以下,持續了整整100多年﹒
一般來說﹐刀具材料耐熱性越好﹐高溫抗塑性變形能力﹑抗磨損能力越強﹐允 許的切削速度越高﹒
４﹒良好的熱物理性能和耐沖擊性能
刀具材料的導熱性能越好﹐切削熱越容易從切削區域傳導出去﹐從而降低刀具 切削部分溫度﹐減少刀具磨損（此處的熱物理性能主要指其導熱性能）﹒
刀具在斷續切削或使用切削液時﹐常常受到很大的熱沖擊﹐因此刀具內部會產 生裂紋導致斷裂﹒刀具抗沖擊的能力可以用耐沖擊系數Ｒ表示﹕
20世紀90年代后期﹐硬質合金刀具開始大比例搶占高速鋼刀具市場﹒目前﹐ 硬質合金刀具的市場占有率已經大于高速鋼刀具﹐在有色金屬加工﹑非金 屬加工行業﹐高速鋼刀具已經完全退出歷史舞台﹐在黑色金屬加工行業﹐ 也已經平分天下﹐並有逐漸取代的趨勢﹐完全可以說﹐現在已經接近硬質 合金刀具的高峰時代﹒
20世紀50年代﹐陶瓷﹑立方氮化硼及金剛石等超硬刀具材料相繼問世﹐目前 正處于研究与發展階段﹐並搶占了一定比例的刀具市場﹒
2020年8月11日
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1923年﹐德國的施勒特爾發明了硬質合金﹐刀具材料硬度由原來的HRC6066,提高到HRA89-94(相當于HRC70-74),刀具壽命比高速鋼刀具提高了3-5 倍﹐起初允許切削速度提高到100m/min左右﹐耐熱性提高到800-900℃﹐ 切削效率提高5-10倍﹒
雖然有如此多的优點﹐但其抗彎強度只有高速鋼的1/3-1/2,沖擊韌性只有高速 鋼的1/30-1/8﹒所以﹐發明之后几十年來﹐一直沒有大的發展﹐甚至1985 年有的刀具教材還在講硬質合金不适合加工銅﹑鋁等有色金屬﹒
后期對硬質合金進一步的研究﹐稀有金屬的添加﹑超細晶粒(WC顆粒尺寸0.6 微米以下)甚至納米晶粒(WC顆粒尺寸0.2微米左右)硬質合金技術開始成 熟﹐加之涂層硬質合金刀具的成熟﹐硬質合金的抗彎強度已經提高到高速 鋼的1.5-2倍﹐沖擊韌性与高速鋼相差不多﹐切削鋁合金允許切削速度提 高到2000m/min ,刀具壽命及切削效率都在原來的基礎上呈兩位數增長﹒
耐熱沖擊性能好的刀具材料,在切削加工過程中可以使用切削液﹒
5.良好的工藝性能
刀具不但要有良好的切削性能﹐本身還應該易于制造﹒這要求刀具材料有較好 的工藝性能﹐如鍛造性能﹑熱處理性能﹑焊接性能﹑磨削加工性能﹑高溫塑 性變形性能等﹒
金屬切削原理与刀具
Ｒ&D 倫廣春
2020年8月11日
Page 1
目錄
第一章﹕刀具材料 第二章﹕金屬切削過程 第三章﹕最佳切削參數的獲得
及高速切削簡介
2020年8月11日
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第一章﹕刀具材料
所謂刀具材料﹐是指刀具切削部分的材料﹒刀具材料的合理選擇是切削加 工工藝中一項重要內容﹐其很大程度上決定了切削加工生產率的高低﹑ 刀具消耗和加工成本的大小﹑加工精度和表面質量的优劣等﹒每次刀具 材料革命性的突破﹐都會帶來金屬切削加工界的飛躍﹒
如Biblioteka Baidu考慮摩擦區溫度及化學磨損等因素﹐可以采用如下公式表示材料耐磨性w﹕
W=H 0.5 *K1.43/E 0.8
H—材料硬度﹐Ｈ ﹐Ｗ
K---材料平面應變斷裂韌度﹐Ｋ﹐材料受應力引起的斷裂越小 ﹐W
E---材料的彈性模量﹐Ｅ值越小﹐磨粒引起的顯微應變越小﹐產生的應力就越小﹐Ｗ
２﹒足夠的強度和韌性
刀具在切削過程中﹐要承受很大的壓力﹑沖擊和振動﹐此時卻不能崩刃和折斷﹐所以﹐ 要求材料必須具備足夠的強度和韌性﹒一般來說﹐韌性越高﹐可以承受的切削力越 大﹐用“沖擊韌性”表示﹔強度值則用“抗彎強度”表示﹒
2020年8月11日
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３﹒高的耐熱性（熱硬性﹑高溫化學穩定性）
刀具在切削過程中﹐真正的切削區﹐切屑和刀具前刀面是緊密貼合的﹐冷卻液 根本無法進入﹐該區域的溫度相當高﹐是切削過程中溫度最高的區域﹒此 時﹐沒有人去關心切屑如何﹐而是關心刀具的承受情況﹒
所以﹐要求此時刀具材料要在高溫下﹐保持高的硬度﹑耐磨性﹑強度﹑韌性 （熱硬性）﹐良好的高溫耐氧化能力﹑抗黏結和擴散能力（化學穩定性）﹒
1898年﹐美國的泰勒和怀特發明高速鋼﹐起初允許切削速度提高到20m/min 左右﹐耐熱性提高到600℃以下﹐后期對高速鋼進一步的研究﹐各种牌 號的高速鋼相繼出現﹐直至粉末冶金高速鋼的出現﹐允許切削速度提高 到60m/min左右﹐基本取代了碳素工具鋼及合金工具鋼﹐進入高速鋼時 代﹐20世紀70-80年代達到高峰﹐直至今天﹐還有不小比例的高速鋼刀 具在使用﹐持續時間也有100多年﹒
Ｒ＝ λ σb (1-μ)/E α
λ –導熱系數,λ越大﹐切削熱越易導出﹐溫度梯度越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔
σb—抗拉強度﹐ σb越大﹐抗熱沖擊能力越強﹔
2020年8月11日
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μ －泊松比﹐ μ越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔
Ｅ －彈性模量﹐Ｅ越小﹐熱膨脹產生的交變應力幅度越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔ α －熱膨脹系數﹐ α越小﹐熱變形越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔
2020年8月11日
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一﹒刀具材料應具備的性能﹕
１﹒高的硬度和良好的耐磨性
硬度是刀具材料應具備的基本特征﹒刀具要從工件上切下切屑﹐其硬度必然要大于工件 材料的硬度﹐對于加工金屬材料的刀具切削刃﹐其硬度一般都在HRC60以上﹒
耐磨性是刀具材料抵抗磨損的能力﹒一般來說﹐刀具材料硬度越高﹐耐磨性越好﹒刀具 材料金相組織中硬質點(如碳化物﹑氮化物等)的硬度越高﹑數量越多﹑顆粒越小﹑分 布越均勻﹐則耐磨性越好﹒同時﹐也和刀具材料的化學成分﹑強度﹑顯微組織及摩 擦區的溫度有關﹒
18世紀末期以后﹐伴隨著蒸汽机等划時代机器的發展﹐刀具材料才開始快 速發展﹐1783年﹐法國的勒內制出第一把銑刀﹐1792年﹐英國的莫茲 利制出絲錐和板牙﹐1822-1864年﹐制出麻花鉆﹒刀具材料為碳素工具 鋼﹐允許切削速度5m/min左右﹐耐熱性200-250℃;1868年﹐合金工具 鋼出現﹐允許切削速度提高到8m/min左右﹐耐熱性提高到300-400℃,總 之﹐允許切削速度在10m/min以下,持續了整整100多年﹒
一般來說﹐刀具材料耐熱性越好﹐高溫抗塑性變形能力﹑抗磨損能力越強﹐允 許的切削速度越高﹒
４﹒良好的熱物理性能和耐沖擊性能
刀具材料的導熱性能越好﹐切削熱越容易從切削區域傳導出去﹐從而降低刀具 切削部分溫度﹐減少刀具磨損（此處的熱物理性能主要指其導熱性能）﹒
刀具在斷續切削或使用切削液時﹐常常受到很大的熱沖擊﹐因此刀具內部會產 生裂紋導致斷裂﹒刀具抗沖擊的能力可以用耐沖擊系數Ｒ表示﹕
20世紀90年代后期﹐硬質合金刀具開始大比例搶占高速鋼刀具市場﹒目前﹐ 硬質合金刀具的市場占有率已經大于高速鋼刀具﹐在有色金屬加工﹑非金 屬加工行業﹐高速鋼刀具已經完全退出歷史舞台﹐在黑色金屬加工行業﹐ 也已經平分天下﹐並有逐漸取代的趨勢﹐完全可以說﹐現在已經接近硬質 合金刀具的高峰時代﹒
20世紀50年代﹐陶瓷﹑立方氮化硼及金剛石等超硬刀具材料相繼問世﹐目前 正處于研究与發展階段﹐並搶占了一定比例的刀具市場﹒
2020年8月11日
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1923年﹐德國的施勒特爾發明了硬質合金﹐刀具材料硬度由原來的HRC6066,提高到HRA89-94(相當于HRC70-74),刀具壽命比高速鋼刀具提高了3-5 倍﹐起初允許切削速度提高到100m/min左右﹐耐熱性提高到800-900℃﹐ 切削效率提高5-10倍﹒
雖然有如此多的优點﹐但其抗彎強度只有高速鋼的1/3-1/2,沖擊韌性只有高速 鋼的1/30-1/8﹒所以﹐發明之后几十年來﹐一直沒有大的發展﹐甚至1985 年有的刀具教材還在講硬質合金不适合加工銅﹑鋁等有色金屬﹒
后期對硬質合金進一步的研究﹐稀有金屬的添加﹑超細晶粒(WC顆粒尺寸0.6 微米以下)甚至納米晶粒(WC顆粒尺寸0.2微米左右)硬質合金技術開始成 熟﹐加之涂層硬質合金刀具的成熟﹐硬質合金的抗彎強度已經提高到高速 鋼的1.5-2倍﹐沖擊韌性与高速鋼相差不多﹐切削鋁合金允許切削速度提 高到2000m/min ,刀具壽命及切削效率都在原來的基礎上呈兩位數增長﹒
耐熱沖擊性能好的刀具材料,在切削加工過程中可以使用切削液﹒
5.良好的工藝性能
刀具不但要有良好的切削性能﹐本身還應該易于制造﹒這要求刀具材料有較好 的工藝性能﹐如鍛造性能﹑熱處理性能﹑焊接性能﹑磨削加工性能﹑高溫塑 性變形性能等﹒
金屬切削原理与刀具
Ｒ&D 倫廣春
2020年8月11日
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目錄
第一章﹕刀具材料 第二章﹕金屬切削過程 第三章﹕最佳切削參數的獲得
及高速切削簡介
2020年8月11日
Page 2
第一章﹕刀具材料
所謂刀具材料﹐是指刀具切削部分的材料﹒刀具材料的合理選擇是切削加 工工藝中一項重要內容﹐其很大程度上決定了切削加工生產率的高低﹑ 刀具消耗和加工成本的大小﹑加工精度和表面質量的优劣等﹒每次刀具 材料革命性的突破﹐都會帶來金屬切削加工界的飛躍﹒
如Biblioteka Baidu考慮摩擦區溫度及化學磨損等因素﹐可以采用如下公式表示材料耐磨性w﹕
W=H 0.5 *K1.43/E 0.8
H—材料硬度﹐Ｈ ﹐Ｗ
K---材料平面應變斷裂韌度﹐Ｋ﹐材料受應力引起的斷裂越小 ﹐W
E---材料的彈性模量﹐Ｅ值越小﹐磨粒引起的顯微應變越小﹐產生的應力就越小﹐Ｗ
２﹒足夠的強度和韌性
刀具在切削過程中﹐要承受很大的壓力﹑沖擊和振動﹐此時卻不能崩刃和折斷﹐所以﹐ 要求材料必須具備足夠的強度和韌性﹒一般來說﹐韌性越高﹐可以承受的切削力越 大﹐用“沖擊韌性”表示﹔強度值則用“抗彎強度”表示﹒
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３﹒高的耐熱性（熱硬性﹑高溫化學穩定性）
刀具在切削過程中﹐真正的切削區﹐切屑和刀具前刀面是緊密貼合的﹐冷卻液 根本無法進入﹐該區域的溫度相當高﹐是切削過程中溫度最高的區域﹒此 時﹐沒有人去關心切屑如何﹐而是關心刀具的承受情況﹒
所以﹐要求此時刀具材料要在高溫下﹐保持高的硬度﹑耐磨性﹑強度﹑韌性 （熱硬性）﹐良好的高溫耐氧化能力﹑抗黏結和擴散能力（化學穩定性）﹒
1898年﹐美國的泰勒和怀特發明高速鋼﹐起初允許切削速度提高到20m/min 左右﹐耐熱性提高到600℃以下﹐后期對高速鋼進一步的研究﹐各种牌 號的高速鋼相繼出現﹐直至粉末冶金高速鋼的出現﹐允許切削速度提高 到60m/min左右﹐基本取代了碳素工具鋼及合金工具鋼﹐進入高速鋼時 代﹐20世紀70-80年代達到高峰﹐直至今天﹐還有不小比例的高速鋼刀 具在使用﹐持續時間也有100多年﹒
Ｒ＝ λ σb (1-μ)/E α
λ –導熱系數,λ越大﹐切削熱越易導出﹐溫度梯度越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔
σb—抗拉強度﹐ σb越大﹐抗熱沖擊能力越強﹔
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μ －泊松比﹐ μ越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔
Ｅ －彈性模量﹐Ｅ越小﹐熱膨脹產生的交變應力幅度越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔ α －熱膨脹系數﹐ α越小﹐熱變形越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔
2020年8月11日
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一﹒刀具材料應具備的性能﹕
１﹒高的硬度和良好的耐磨性
硬度是刀具材料應具備的基本特征﹒刀具要從工件上切下切屑﹐其硬度必然要大于工件 材料的硬度﹐對于加工金屬材料的刀具切削刃﹐其硬度一般都在HRC60以上﹒
耐磨性是刀具材料抵抗磨損的能力﹒一般來說﹐刀具材料硬度越高﹐耐磨性越好﹒刀具 材料金相組織中硬質點(如碳化物﹑氮化物等)的硬度越高﹑數量越多﹑顆粒越小﹑分 布越均勻﹐則耐磨性越好﹒同時﹐也和刀具材料的化學成分﹑強度﹑顯微組織及摩 擦區的溫度有關﹒