机械制造基础课件 第一章 金属切削过程及其控制(第三节)

第一章 金属切削过程及其控制
一、刀具材料与选择
（三）其他刀具材料 ➢ 立方氮化硼 由立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。有很 高的硬度（HV8000～9000）及耐磨性；具有比金刚石高得 多的热稳定性（1400℃），可用来加工高温合金；化学惰性 大，与铁族金属直至1300℃时也不易起化学反应，可用于加 工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦系数。
它目前不仅用于磨具，也逐渐用于车、镗、铣、铰。
它有两种类型：整体聚晶立方氮化硼，能像硬质合金一样焊接， 并可多次重磨；立方氮化硼复合片，即在硬质合金基体上烧 结一层厚度为0.5mm的立方氮化硼而成。
第一章 金属切削过程及其控制
第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
（四）刀体材料
刀体一般均用普通碳钢或合金钢制作，如焊接车刀、镗刀、 钻头、铰刀的刀柄。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。
硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占 50％）。如大多数的车刀、端铣刀以及深孔钻、铰刀、齿轮刀 具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬质材 料。
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第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择——硬质合金 1）硬质合金的性能
（3）较高的耐热性：刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。 （4）良好的导热性和耐热冲击性能：刀具材料的导热系数越大，散热越好，
有利于降低切削区温度而提高刀具使用寿命。
（5）良好的工艺性和经济性：为了便于制造,要求刀具材料有较好的可加工性,
如切削加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。刀具材料价格应低廉。
WC+ TiC+ Co WC+ TiC+ TaC+ Co
添加稀有金属TaC或NbC
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一、刀具材料与选择
（三）其他刀具材料 ➢ 涂层刀具 它是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上， 涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。 常用的涂层 材料有TiC、TiN、Al2O3等。涂层刀具具有较高的抗氧化性能， 因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力；有低的摩擦系数，可 降低切削时的切削力及切削温度，可提高刀具的耐用度（提高 硬质合金耐用度1～3倍，高速钢刀具耐用度2～10倍）。但也存 在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。
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第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择
刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和
金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合
金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削
速度较低的刀具。
第一章金属切削过程及其控制
河南理工大学机械与动力工程学院 赵明利
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本章内容
第一章 金属切削过程及其控制
1.1 金属切削过程的基本知识
1.2 金属切削过程的基本规律与控制
1.3 金属切削基本条件的合理选择
本节提要
第一章 金属切削过程及其控制
本节主要介绍如何应用切削变形、切削力、切削热与切 削温度、刀具磨损与耐用度变化四大规律来解决生产上出现的 各种问题，主要内容包括刀具材料与选择、合理选择刀具几何 参数与切削用量和合理选择切削液。
100
WC系硬质合金
切削速度（m/min）
50
高速钢
碳素工具钢 20
合金工具钢
10
1800
1850
1900
1950
2000 年代
刀具材料的发展与切削加工高速化的关系
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第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
天然金刚石
PCBN 氧化物陶瓷
PCD 硬质合金涂层 超细粒状硬 金属涂层
切削部分的材料须满足以下基本要求： （1）较高的硬度和耐磨性：刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在
HRC 62以上。耐磨性表示抵抗磨损的能力,取决于组织中硬质点的硬度、数量、大小和 分布。
（2）足够的强度和韧性：为了承受切削中的压力冲击和振动,避免崩刃和折断,
刀具材料应该具有足够的强度和韧性。一般强度用抗弯强度表示,韧性用冲击值表示。
按其性能用途，可分为普通和高性能高速钢两类。
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第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择——高速钢 普通高含速碳钢量0.7～0.9%，62～66HRC；
• 钨系高速钢:应用最多，用于钻头，铣刀，拉刀，齿轮等复杂 刀具。
典型牌号为W18Cr4V（简称W18）。含W18％、 Cr4%、V1％。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。 淬火时过热倾向小；可磨性好；碳化物含量高，塑性变形抗 力大；但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的 耐用度;强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方 法制造的刀具（如热轧钻头）。
1、前角的作用（前刀面与基面之间的夹角）
① 直接影响刀具的锋利程度
前角↗
刀具锋利↗
切屑变形程度↙
温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。
典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V，高钒高速钢
W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8、超硬高速钢
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第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择——硬质合金
金属碳化物(WC、TiC、TaC、 NbC等)＋金属粘接剂 (Co、 Ni等) 高压成形后，高温烧结而成。
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第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择——高速钢 高性能高速钢 在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、
铝等元素。按其耐热性，又称为高热稳定性高速钢。具有更好
的切削性能，耐用度较通用型高速钢高1.3～3倍。适合加工高
硬度HRA89～93、耐热性800～1000 °C、耐磨性很高，切 削速度远高于高速钢
抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差 2） 硬质合金的种类
YG (K) 类/钨钴类 YT (P)类/钨钛钴类 YW (M)类
加工铸铁、有色 加工长切屑的
金属及其合金
黑色金属
钢材、铸铁、 有色金属、不锈钢等
WC+ Co
第一章 金属切削过程及其控制
二、刀具合理几何参数的选择
优选刀具几何参数的一般性原则
要考虑工件的实际情况，如材料的物理机械性能、毛坯情况、形 状、材质等；
考虑刀具材料和结构，如高速钢、硬质合金；整体、焊接、机夹、 可转位等；
考虑各个几何参数之间的关系，如选择前角，应同时考虑卷屑槽 的形状、是否倒棱、刃倾角的正、负等；
氮化物陶瓷 WC硬质 合金涂层
断裂韧性 刀具材料的耐磨性与断裂韧性
TiN涂层 高速钢 高速钢
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第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择——工具钢
碳素工具钢：含碳量在0.65％～1.35％的优质高碳钢。常用牌号：T8A，
T10A，T12A（含C1.15％～1.2％），只适用于手用和切削速度很低的工 具，如锉刀、手用锯条、刮刀等。原因：当切温高于250℃～300℃时，马 氏体组织要分解，使得硬度降低，碳化物分布不均匀，淬火后变形较大，易 产生裂纹，淬透性差。
机夹、可转位硬质合金刀具，镶硬质合金钻头，可转位铣刀 等的刀体可用合金工具钢制作。
对于一些尺寸较小、刚度较差的精密孔加工刀具，如小直径 镗刀、铰刀等，为了保证刀体有足够的刚度，宜选用整体硬质合 金制作以提高刀具寿命和加工精度。
第一章 金属切削过程及其控制
第三节 金属切削基本条件的合理选择 二、刀具合理几何参数的选择
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第三节 金属切削基本条件的合理选择
一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择
2000
聚晶金刚石 （PCD）
1000 500
陶瓷
TiAlN涂层 硬质合金
涂层硬质合金
200
WC-TiC系硬质合金
聚晶立方 氮化硼 （PCBN） DLC涂层 硬质合金
TiC-TiN金属陶瓷
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第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以 及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效 率影响极大。
第一章 金属切削过程及其控制
一、刀具材料与选择
（一）刀具材料应具备的性能要求 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具
可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。但其脆性大、 抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。 但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途。
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一、刀具材料与选择
（三）其他刀具材料 ➢ 金刚石
是目前人工制造出的最硬的物质，硬度高达HV10000,耐磨 性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等 高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到 几百倍。其切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较 少；有较低的摩擦系数，其切屑与刀具不易产生粘结，不产生 积屑瘤，很适于精密加工。但其热稳定性差，切削温度不宜超 过700～800℃；强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削； 与铁有极强的化学亲合力，不适于加工黑金属。目前主要用于 磨具和磨料，对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗 孔；加工铝合金、铜合金时，切削速度可达800～3800m/min。
刀具的切削性能主要是由刀具材料的性能和刀具几何参 数两方面决定的。刀具几何参数的选择是否合理,对切削力、 切削温度及刀具磨损有显著影响。选择刀具的几何参数要综 合考虑工件材料、刀具材料、刀具类型及其他加工条件（如 切削用量、工艺系统刚性及机床功率等）的影响。
在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生 产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几 何参数。
考虑具体的加工条件，如机床、夹具情况，系统刚性、粗或精加 工、自动线等；
处理如刀具锋锐性与强度、耐磨性的关系，即在保证刀具足够强 度和耐磨性的前提下，力求刀具锋锐；在提高锋锐的同时，设法 强化刀尖和刃区等；
第一章 金属切削过程及其控制
第三节 金属切削基本条件的合理选择 二、刀具合理几何参数的选择
第一章 金属切削过程及其控制
一、刀具材料与选择
（三）其他刀具材料 ➢ 陶瓷刀具 有纯Al2O3陶瓷及Al2O3－TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高 温下烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度（HRA91-95）和耐磨性； 有很高的耐热性，在高温1200℃以上仍能进行切削；切削速度 比硬质合金高2～5倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力 小，抗粘结和抗扩散的能力好。
第一章 金属切削过程及其控制
第三节 金属切削基本条件的合理选择 一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择——高速钢
普通高速钢 含碳量0.7～0.9%，62～66 HRC； 钨钼系（钼系）高速钢：强度、韧度高于钨系高速钢，将钨钢
中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为W6Mo5Cr4V2（简 称M2）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较 大的刀具；可用于制造大截面尺寸的刀具，尤其是热状态下塑 性好，适用制造热轧刀具；可磨削性也好，目前各国广为应用。
合金工具钢：在高碳钢中加一些合金元素Si，Cr，W，Mn（含量≤3％～
5％），提高淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。常用于制造细长 的、截面积大、刃形复杂的刀具，如：铰刀、丝锥、板牙等。
第一章 金属切削过程及其控制
一、刀具材料与选择
（二）常用刀具材料的种类与选择——高速钢
高速钢(高速合金工具钢/白钢/锋钢/HSS) （美国的F.W. 泰勒和M.怀特于1898年创制）在高碳钢中加入较多合金元素 W,Cr,V,Mo等形成高合金工具钢。加入合金元素后，细化了 晶粒，提高了合金的硬度，其淬火硬度可达HRC63～67， 红硬性达550℃～650℃，允许切速比合金钢提高1～2倍， 具有较高的强度，在所有材料中它的抗弯强度和冲击韧度最 高。由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结 构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、 螺纹刀具和拉刀等。