2012 - 006 - 高速切削(刀具与机床)

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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
刀具损坏包括磨损和破损
连续切削刀具以磨损为主伴随微崩刃。 断续切削刀具是磨损伴随破损，有的以破损为主。


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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
a）YM30超细硬质合金刀具 （Vc=1200m/min,ap=3mm,ae=12mm）
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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
b）涂层整体硬质合金刀具 （Vc=1200m/min,ap=5mm,ae=12mm） 图 机械疲劳裂纹及热裂纹（高速铣削7050铝合金）
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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
a）涂层整体硬质合金刀具 （Vc=1000m/min,ap=4mm,ae=10mm）
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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
b）可转位超细晶粒硬质合金刀具 （Vc=1200m/min,ap=3mm,ae=12mm） 图10 微崩刃（高速铣削7050铝合金）
HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 0.3GPa 146.5 惰性小 2.8GPa 100-120 惰性小
抗弯强度 2.4GPa 导热系数 40-50
热稳定性 350℃
化学惰性 耐磨性 加工质量 低速加 加工对象 工一般 钢材、 铸铁
620 ℃
1000 ℃ 1400 ℃ 800 ℃ 600-800 ℃
GCr15 HRC62 轴承内孔 Cr、Cu 铸铁 40Cr钢 HRC38
以车代磨，工效提高4-5倍 Ra0.8-0.4μm 工效较电火花加工提高30 倍，Ra0.8-0.4μm V = 800m/mim 以铣代磨，工效提高6-7倍 Vf = 100m/mim Ra1.6-0.8μm，平面度0.02 V= 80m/s 比单晶刚玉砂轮寿命提高 20倍，生产效率提高50% V= 65m/s 比棕刚玉砂轮耐用度提高 170倍，生产效率提高一倍 V = 800m/mim Ra0.8μm，平面度0.02 Vf = 0.1mm/齿 V = 850m/mim 以铣代磨，工效提高5-6倍 Ra0.8μm

热－力学磨损：磨粒和粘结磨损 热－化学磨损：扩散、溶解、氧化等 刀具磨损是多种磨损机理综合的结果。


图 涂层刀具高速切削 时不同切削温度下的磨 损机理作用简图
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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
（1） 刀具的磨损 粘结磨损：刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生的结合现象。 在摩擦面的实际接触面积上，高压高温作用产生塑性变形，导致“冷焊”。 扩散磨损：两个化学上有一定亲和力的固体（碳和铁等）放在一起，在较高 温度时，碳原子会向铁中扩散。 溶解磨损：和扩散磨损相似，都是化学磨损，基于化学热力学的溶解理论。 氧化磨损：高速切削高温下，刀具材料中的一些元素与周围某些介质（空气 中的氧，切削液中的硫、氯）起化学反应，生成不同的氧化膜和粘附膜，有的 起保护作用，有的形成较软的化合物，使得刀具材料中的硬质相颗粒被粘走。 （2）刀具的破损：受冲击、机械疲劳和热疲劳等原因引起崩刃、剥落、裂纹 和脆断。
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高速切削加工刀具 –材料性能
硬度大小：PCD > PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC(N)基硬质合金>WC基
超细晶粒硬质合金>高速钢HSS。
抗弯强度大小：HSS>WC基>TiC(N)基>Si3N4基>Al2O3基>PCD>PCBN。 断裂韧性大小：HSS>WC基>TiC(N)基>PCBN>PCD>Si3N4基>Al2O3基。 耐磨性：PCD>PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC(N)基>WC基>HSS。
削刃处。
切削速度 提高 磨损区域 减小 磨损深度 增加
（2）后刀面磨损
刀具的后刀面磨损形态呈现出与常速切削相似的较均匀的带状, 但 位臵较靠近刀尖部位。原因：高速切削时刀具的高温区域接近切削 刃且高速切削刀-屑接触长度很短, 切削力集中在切削刃附近。
刀具损坏形态：
（3）微崩刃 微崩刃是在切削刃上产生的小缺口，常在断续高速切削过程中发生。 减小微崩刃出现概率的方法。
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高速切削加工刀具 – 聚晶金刚石 表 聚晶金刚石应用实例
加工对象 铝合金 共晶硅 铝合金 共晶硅
硬度
加工方式 端铣 车削
工艺参数
加工效果
HRC71
HRC71
铣削 车削 铣削 铣削
玻璃纤维 HRA87 强化塑料 热塑性醋 酸盐 高Si-Al 铸造件 铝合金
v=4000m/mim Ra0.8-0.4μm v=600m/mim 一次刃磨切削行程800km f = 0.1mm/r Ra0.8μm，刀具寿命为 硬质合金的50倍 v=2900m/mim 刀具寿命为硬质合金的80倍 vf=0.018mm/齿 Ra0.8μm v=500m/mim 刀具寿命为硬质合金的 150倍，Ra0.8-0.4μm v = 4500m/s 比硬质合金寿命提高380倍 vf=10mm/min Ra=0.8μm v=2200m/mim Ra=0.8μm
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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
刀具的磨损 前后刀面磨损形貌
图11 超细晶粒硬质合 金刀具铣削45＃调质钢 （HRC35～40）前、后 刀面磨损V＝300m/min
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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
图12
SG4陶瓷刀具铣削淬硬45＃钢（HRC45～50）
前、后刀面磨损，V＝400m/min
图 JX－1陶瓷刀具加工 GH169边界磨损 V＝ 62.5m/min
工性能，性价比高。
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高速切削加工刀具 – 刀具材料应具备的基本性能
（1）可靠性。节约换刀时间，保证安全。 （2）高的耐热性和抗热冲击性能。要求熔点高、氧化温度高等。 （3）良好的高温力学性能。高温强度、高温硬度和高温韧性。
（4）适应加工难加工材料和新型材料。难加工材料占40%。
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高速切削加工刀具 – 刀具材料
天然金刚石耐热性为 700-800℃，高于此温度，碳原子转化为石 墨结构，硬度丧失。 天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙 度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。
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高速切削加工刀具 – 聚晶金刚石
人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由 石墨转化而成。 高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代 出现）。 不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000 。 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部 分场合代替天然金刚石。 用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和 聚晶金刚石刀具相同。 金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素 有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快 磨损。
磨材料时，其耐磨性为硬质合
金刀具的 50 倍，涂层硬质合金 刀具的 30 倍，陶瓷刀具的 25 倍。
硬度/HV
◆ PCBN切削性能
图
PCBN刀具高温硬度
高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具
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高速切削加工刀具 –立方氮化硼 1970年问世 良好的化学稳定性 1200-1300℃与铁系材料不发生化学反应；2000 ℃才与碳发生化学反
较高 高 一般精度 Ra≤0.8 Ra≤0.8 IT7-8 IT7-8 一般钢 材、铸 铁粗、 精加工 高硬度 钢材精 加工 最高 最高 高精度 Ra=0.1-0.05 IT5-6 硬质合金、铜、 铝有色金属及 其合金、陶瓷 等高硬度材料
＞1000 ℃
惰性大 很高 Ra=0.4-0.2 IT5-6 可替代磨削 淬火钢、冷硬 铸铁、高温合 金等难加工材 料
减小进给量 改变刀具主偏角以增加稳定性 选择韧性好的刀具材料
（4）剥落和裂纹 高速切削时温度很高，易产生平行于切削刃方向的热应力，而刀具离 开被加工件时热应力释放，刀具不断切入、切出，造成热应力疲劳。接触 疲劳与热应力疲劳都会引起裂纹，使刀具前、后刀面发生剥落。 （5）破损 刀具材料或切削用量选择不当，刀具经受不住强大应力（切削载荷或 热应力）作用，就可能突然破损
高速切削技术 第七讲
A B C D E
定义
理论基础
表面质量
刀具
机床
P2
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高速切削加工刀具
P3
高速切削刀具特点
特点：“三高一专 ”，即高效率、高精度、高可靠性和专用化
以高强度铝合金做基体的HSC端面铣刀
带内部冷却的钻头
在基体上焊接刀片（材料 CBN，PCD）的HSC刀具
刀具损坏形态
（1）前刀面磨损 高速切削刀具的磨损区域与切削刃直接相连, 最大磨损部位位于切
图 高速切削刀 具材料性能
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高速切削加工刀具 – 刀具材料
金刚石：以PCD为主 立方氮化硼（PCBN） 陶瓷刀具：Al2O3基和Si3N4基两大类 TiC (N) 基硬质合金（金属陶瓷）
涂层刀具：刀体+涂层材料，CVD和PVD两种方法实现
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高速切削加工刀具 – 刀具材料 表 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比
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高速切削加工刀具 – 天然金刚石
天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围 为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。 天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度 及耐磨性也不相同。
天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利， 切削刃钝圆半径可达0.01μm。
钻削
v=360m/mim
以钻代镗， Ra=0.8μm
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高速切削加工刀具 –立方氮化硼 1970年问世
5000 4000 3000 BN20 2000 1000 0 0 硬质合金 200 400 600 800 1000 温度/℃ 陶瓷 BN100
较高的硬度和耐磨性：
CBN 晶体结构与金刚石相似， 化学键类型相同，晶格常数相 近 。 CBN 粉 末 硬 度 HV8000 ， PCBN硬度3000-5000。切削耐
应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金
刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。 良好的导热性 CBN 导热性仅次于金刚石，导热系数为 1300W/m〃℃，是硬质合金 的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀 尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。 较低的摩擦系数 CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随
一般钢 材、铸 铁粗、 精加工
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高速切削加工刀具 – 刀具材料
碳原子 氮原子 硼原子
图 金刚石（左）与CBN（右）原子结构
金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方
式以109°28′键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原 子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与 4个B原子结合，每个B原子又与4 个N原子结合，并存在少数离 子键。
切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面
质量提高。
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高速切削加工刀具 –PCB刀具应用实例
加工对象
硬度
加工方式
车削 镗孔 端铣 磨削 磨削 端铣 立铣
工艺参数
V=180m/mim f = 5.6mm/r V=50m/mim
加工效果
GCr15 HRC71 钢轧辊 YG15 HRA87 冷挤压模 A3热压板 凸轮轴 HRC60
图 JX-1陶瓷刀具加工 GH169前后刀面磨损V＝ 230m/min
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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
粘结
a）干切削时刀具前刀面的粘结
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高速切削加工刀具 – 磨损和破损
粘结
b） 使用切削液时前刀面的粘结
图15 可转位刀片高速铣削7050铝合金时的粘结磨损（V＝1200m/min）
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高速切削加工刀具 – 磨损机理
刀具材料种类
材料性能 硬度
合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 HRC65 HRC66 3.2GPa 20-30 1.45GPa 0.8GPa 70-100 低 低 低 30-40 惰性大
天然 聚晶金刚石 金刚石 PCD
聚晶立方氮 化硼 PCBN HV4000 1.5GPa 40-100
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高速切削加工刀具 – 刀具材料应具备的基本性能
（1）硬度和耐磨性。必须高于工件材料的硬度，一般在HRC60以上；
硬度越高，耐磨性越好。
（2）强度和韧性。要承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂 和崩刃。 （3）耐热性。能承受高温，具备抗氧化能力。 （4）工艺性能和经济性。具备良好的锻造、热处理、焊接和磨削加