金属学及热处理讲解

W18Gr4V圆板牙课程设计

圆板牙是一种螺纹刀具，工作部分是位于板牙内部的螺纹部分，刃口比较薄，加工或修正外螺纹的螺纹加工工具。板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥。对圆板牙的热处理变形要求非常严格，一般选用淬火温度较低、变形较小的低合金刃具钢制造。为了提高圆板牙的综合机械性能，采用80年代末国内钢厂生产的低合金高性能高速钢新钢种一W4Mo3Cr4VSi，制成ＭＳ圆板牙，研究了热处理工艺对变形和性能的影响，获得了较佳的热处理工艺，为生产高速钢板牙奠定基础。目前,工具行业做板牙主要是W18Gr4V工具钢和CCr15轴承钢两种,但这种工具热处理工序很关健,现大都采用盐浴炉淬火和在回火油中回火,放在网带炉上热处理的很少。

板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙（见图板牙的类型）。其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 ～M68毫米。当加工出的螺纹中径超出公差时，可将板牙上的调节槽切开，以便调节螺纹的中径。板牙可装在板牙扳手中用手工加工螺纹，也可装在板牙架中在机床上使用。板牙加工出的螺纹精度较低，但由于结构简单、使用方便，在单件、小批生产和修配中板牙仍得到广泛应用。

一、设计任务

圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑板牙孔，一般在螺孔的两

端磨有切削锥。板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙（见图板牙的类型）。其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 ～M68毫米。当加工出的螺纹中径超出公差时，可将板牙上的调节槽切开，以便调节螺纹的中径。板牙可装在板牙扳手中用手工加工螺纹，也可装在板牙架中在机床上使用。板牙加工出的螺纹精度较低，但由于结构简单、使用方便，在单件、小批生产和修配中板牙仍得到广泛应用。 2012年12月

二、工件环境及服役条件分析

受力状态：

①用圆片板牙加工螺纹时，呈半切削半挤压状态。板牙的内径和中径为切削部分，尤其是板牙内径要承受较大的切削力，因此必须具有一定的强度和切削能力

②尽可能减小螺栓坯料的直径，即确保与螺栓大径有关的公差靠近下限，这样可把攻丝时产生的切削力降至最低。

③为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。

载荷性质

①考虑到板牙切削出的螺钉与螺孔配合时应有一定的间隙，并考虑到磨损量，故设计板牙时，应使内径和中径小于螺纹内径、中径的标称尺寸

②螺纹的外径是通过切削时金属在板牙的挤压作用下塑性变形而得到。为了不使金属发生阻塞致使工件折断，板牙的外径不应参加工作，它与被切削之间

要留有间隙

③先在螺栓坯料的端部加工出 45 度的倒角，以防止在板牙的导向刃上产生突然加载现象

2012年12月

④确保圆板牙或六角板牙垂直地切入螺栓坯料。

⑤圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。

⑥工具的越高，耐磨性就越好，刀尖要承受挤压应力和弯曲应力，还要承受不同程度的冲击力，因此工具必须具备较高的抗弯强度和挤压强度，还应有较高的冲击韧度。

工作场（如温度场、电磁场等）

①作为刃具，硬度要求60-63HRC，则必须具有较高的淬透性，并保证圆板牙内部刃口部位淬硬

②环境介质螺孔中径、螺距及内孔的精度涉及到加工后螺纹的精度，因此材料在热处理过程中要保证变形很小；

环境介质

①采用正确的冷却液，并把足量的冷却液对准切削加工区域

②由于刃口较薄且在内部，所以要求该材料组织中碳化物细小均匀，以保证在工作时刃口不崩刃、耐磨性好，寿命长截面急剧变化的工件

③淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡

④工具必须具备高温硬度和热硬性，特别是高速切削和加工难切削材料时热硬性尤为重要。

四、失效分析及性能要求

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（一）疲劳断裂的分析：疲劳断裂是机械零件在循环应力作用下，将会出现的疲劳断裂。切削工具由于承受较大的冲击力或因工具本身的脆性较大有时会产生整体断裂或破碎现象，如钻头的扭断、折断、拉刀的拉断，锯条的折断等。工具的断裂，破碎与工具本身的韧性不足有关，但这种失效不完全是由于韧性不足引起的。如拉刀的断裂就是由于强度不足或有内裂纹引起的。所有机械零件在工作过程中的实效疲劳断裂与断裂失效的50%~90%时，疲劳断裂一般会发生突然，危害性大，疲劳断裂是发生在零件的局部应力区，某些晶粒在变力作用下形成微裂纹，随着循环数增加，裂纹继续扩展，导致最终疲劳断裂。针对疲劳断裂的特点，可以采用各种强化方法来提高零件的抗疲劳能力。

（二）磨损失效的分析：磨损是在正常使用情况下，切削工具最常见的失效形式。磨损是相互接触的零件间存在滑动时，接触表面会因发生摩擦损坏而引起形状变化的现象，它是一种可以看到的，渐发生的破坏形式。主要有磨粒磨损和黏着磨损。工具在产生严重磨损时会发出尖叫声或严重震动，甚至无法切削。磨损大都是由于工具与被加工工件或切屑之间的磨粒磨损之间造成的，有时也可能是由于工件表面形成切屑瘤而形成的粘合磨损所造成的。磨粒磨损是由于相对运动的物体接触时，滑动表面高低不平，凸出的硬质点将轴的接触面刨出沟槽或划伤而产生的破坏。常见的磨粒磨损有：与切削、磨削加工类似的和有高强度、高硬度的磨粒进入两个接触面间的沟槽。黏着磨损是在两个相对运动的物体直接接触中，由于接触应力很高而引起塑性变形，导致物体接触，温度升高并发生

黏着、焊合现象，分离时黏合处撕开，从而将小块料撕去，造成表面损伤。提高耐磨性，一是要材料有高硬度，若材料中存在耐磨硬颗粒，更有利。二是材料具有小的摩擦系数，降低配对材料间的原子结合力，此外，改善润滑条件，细化表面粗糙度，使机械零件保持清洁等，均有利于减少摩擦磨

变形失效的分析变形失效主要有弹性和塑性变形失效。弹性变形失效是零件过量弹性变形产生的失效。主要是指失去弹性的能力，属于功能失效。引起弹性变形的原因零件刚度不够，除结构因素外，还取决与材料的弹性模量，因此，要预防弹性变形失效，因选择弹性模量高的材料来制作零件。塑性变形失效是零件因过量塑性变形产生的失效，主要由于应力过大造成的。 2012年12月

（三）零件产生塑性变形，是由于实际工作应力超过了这种材料的屈服强度。在设计装配使用正常情况下，应考虑选用高屈服强度材料。钢对形成碳化物网比较敏感，这种网的存在，就使工具刃部有剥落的危险，从而使工具的使用寿命缩短，因此，有碳化物网的钢，必须根据其严重程度进行锻压和正火。这种钢用来制造在工作时切削刃口不剧烈变热的工具和淬火时要求不变形的量具和刃具，例如制作刀、长丝锥、长铰刀、专用铣刀、板牙和其他类型的专用工具，以及切削软的非金属材料的刀具。

五、初步选材

板牙是加工或修正外螺纹的螺纹加工工具。板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥。板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙。其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 ～M68毫米。本课程设计主要说明圆板牙的热处理工艺。

圆板牙是用来加工外螺纹的专用工具，在切削过程中其切削锥部分必须有高的硬度、耐磨性，同时有要具有良好的韧性和强度。圆板牙属于薄刃工具，其韧部所受的冲击力不大，制造的材料组织中含有均匀分布的细小合金碳化物颗粒，