金属切削过程及其控制2

1、1,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。,材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。,3.3.3 常用刀具材料,2,1. 刀具材料应具备的性能,切削时刀具要承受： 高温、高压、摩擦和冲击的作用,刀具材料须满足以下基本要求：,1） 高的硬度,常温硬度HRC60以上。刀具硬度工件的硬度,2）高的耐磨性, 保证刀具的尺寸精度,3）足够的强度与韧性,能承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刀。,4）高的耐热性（热稳定性）,在高温下保持： 硬度、耐磨性、强度、韧性、化学稳定性。,刀具材料的导热性要好，不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。,5）良好的热物理性能和耐热冲击性能,刀具材料应具有好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等。而且要追求高的性能价格比。,6）良好的工艺性和经济性,4,5,工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢） 硬质合金、 陶瓷、 金刚石（天然和人造） 立方氮化硼等。 碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,常用刀具材料

2、,6,2.高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。,特点：,1）强度高（抗弯强度为硬质合金的23倍,陶瓷的56倍）；,2）韧性高（比硬质合金高几十倍）；,5）可加工性好，热处理变形较小。,3）具有一定的硬度（HRC6370），且有较好的耐磨性；,4）且有较好的耐热性（500600）；,分类,常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。,应用：,按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。,按用途可分为： 通用高速钢和高性能高速钢。,通用型高速钢（含碳量0.70.9%，6266 HRC） 钨系高速钢 W18Cr4V 钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 高温塑性好 主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.,高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。 典型牌号有：W6Mo5Cr4V2Co8 、 W6Mo5Cr4V2Al 。 主要用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料，加工普通材料可达90m/min

3、.,粉末冶金高速钢 适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。,（表32）常用高速钢的力学性能,涂层高速钢。是采用物理气相沉积（PVD）方法，刀具表面生成TiN，其厚度一般为28m。 特点：切削力、切削温度约下降25%，切削速度、进给量和刀具寿命显著提高。 适合在钻头、丝锥、成形铣刀和切齿刀具上应用。,11,常用高速钢牌号及其应用范围,13,3. 硬质合金,是用具有高耐磨性和高耐热性的金属碳化物粉末(WC、TiC、TaC、 NbC等)金属粘接剂 (Co、Ni等) 高压成形后高温烧结而成。,成分：WC（TiC、 TaC ）Co（Ni）,特点：,高硬度（HRA8993相当于HRC 7482）; 高耐磨性，高耐热性（8501000），切削速度可达100300m/min; 抗弯强度低和抗冲击振动性能差，很少用于制造整体刀具。,14,分类,钨钴类硬质合金 K（ YG ）类（WCCo）,Co含量抗弯强度、韧性、耐磨性。,用途：加工铸铁和有色金属等脆性材料。,特点：,牌号：YG8、YG6、YG6X 、YG3、YG3X,强度、韧性好，耐磨性、耐热性稍差。,常用硬质合金的牌号

4、及其应用范围,钨钛钴类硬质合金 P（ YT ）类（WCTiCCo）,用途：高速切削结构钢和合金钢等塑性材料。,牌号： YT5、YT14、YT15、YT30,特点：耐磨性、耐热性好，强度、韧性较差。,TiC含量耐磨性 抗弯强度 、韧性。,17,抗弯强度、 韧性、 进给量,硬度、 耐磨性、 切削速度,常用硬质合金的牌号及其应用范围,钨钛钽（铌）类硬质合金 M （ YW ）类（WCTiCTaC（碳化钽）（NbC（碳化铌）Co）,牌号： YW1 (M10)、YW2 (M20),特点：强度、韧性，耐热性，耐磨性。,用途：即可加工铸铁和有色金属，又可加工钢材及高 温合金和不锈钢等难加工材料。,用途：高速精加工钢材。,镍钼钛类硬质合金YN类（TiCNiMo）,牌号： YN05、YN10,特点：高硬度、高耐磨性、高耐热性和抗氧化性， 但强度和韧性降低。,19,特 点：外硬内韧，耐磨性、耐热性、抗氧化性和抗粘结性，但锋利性、抗剥落性和抗崩刃性，成本比较高。,在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。,4. 涂层刀具材料,涂层方法：化学气相沉积法（

5、CVD法，1000）和物理气相沉积法（PVD法，500）。,常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。,20,5. 陶瓷刀具材料,以氧化铝Al2O3或氮化硅Si3N4为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。,特点：硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强。,用途：可用于钢、铸铁类零件的高速车削、铣削加工，并可切削难加工的高硬度材料。,21,陶瓷刀具是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，添加少量金属在高温下烧结而成的。 特点： 高硬度和耐磨性。常温硬度达9195HRC，可以切削60HRC以上的硬材料。 高的耐热性。高温下强度、韧性降低较少。 高的化学稳定性。在高温下有较好的抗氧化、抗黏结性能。 低的摩擦因数。切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。 强度和韧性低。承受冲击载荷的能力较差。 热导率低。抗热冲击性能较差。,5. 陶瓷刀具材料,22,可加工硬度高达65HRC的高硬度难加工； 可进行扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削； 刀具寿命可提高几倍至几十倍； 切削效

6、率提高310倍，可实现以车铣代磨。,与传统硬质合金相比，有下列优点：,用途： 适用于高速精细加工硬材料，新型的陶瓷刀具也能半精、粗加工多种难加工材料。,23,6. 立方氮化硼（CBN）,立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。,特点：它有很高的硬度及耐磨性； 可耐13001500的高温，热稳定性好； 化学惰性大，与铁系金属在1300时不易 起化学反应； 导热性好，摩擦系数低。,用途： ）可用于冷硬铸铁、淬硬钢的粗车和精车加工。 ）高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削。,24,聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN作为主要成分与结合剂在高温高压下烧结而成的聚晶体，结合剂主要有金属型(以CO、Ni为代表)或陶瓷型(以TiC、TiN、Al2O3为代表)。,聚晶立方氮化硼 (PCBN),特点： 1. 具有较高的硬度和耐磨性 硬度一般为30005000HV。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具的50倍、涂层硬质合金刀具的30倍、陶瓷刀具的25倍。,25,3. 具有优良的化学稳定性 CBN的化学惰性特别大，在120013

7、00时也不与铁系材料发生化学反应，在中性、还原性的气体中，对酸、碱都是稳定的；其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多，因此PCBN刀具特别适合加工钢铁材料。,2. 具有很高的热稳定性 PCBN在800时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。 因此PCBN刀具适于加工淬硬钢、铸铁、高温合金钢等高硬度耐磨材料。,26,金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，其显微硬度达10000HV。 （1）天然单晶金刚石刀具 主要用于非铁材料及非金属的精密加工。 特点：单晶金刚石结晶界面有一定的方向，不同晶面上硬度与耐磨性有较大的差异，刃磨时须注意选择刃磨平面。 （2）人造聚晶金刚石 （PCD） 人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。 特点：人造聚晶金刚石抗冲击强度高，可选用较大的切削用量。结晶面无固定方向，可自由刃磨。,7.金刚石,27,（3）金刚石烧结体 在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的聚晶金刚石。 特点：强度较好，能进行断续切削，可多次刃磨。 主要用于有色金属的高速精细切削。 金刚石不是碳的稳定状态，遇热易氧化和石墨化，用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制

8、冷却。 金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力强，刀具寿命低。,常用刀具材料可切削的主要工件材料,29,应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。,30,磨削：用带有磨粒的工具（砂轮、砂带、 油石等）对工件进行加工的方法。,工具：砂轮（磨料结合剂）制坯、干 燥、焙烧、修整。,砂轮特性：由磨料、粒度、结合剂、硬度、 组织、及形状尺寸等因素决定。,3.3.4 磨料与磨具,31,是构成砂轮的主要成分,直接担负切削工作。,磨料,1磨料,磨料应具备的特点： 具有高硬度、高耐热性和一定的韧性， 在磨削过程中受力破碎后还要能形成锋利的几何形状。,磨料的种类分为: 氧化物系、碳化物系和超硬磨料系,32,表3-3 磨料的特性和使用范围,33,氧化物系 碳化物系 超硬材料,棕刚玉 白刚玉,普通钢材 淬火钢 、高速钢,黑碳化硅 绿碳化硅,铸铁、有色金属 硬质合金等硬脆材料,人造金刚石 立方氮化硼,高硬材料 难加工材料,34,粒度即磨料颗粒的大小, 对加工表

9、面粗糙度和磨削生产率影响较大。,分为两个级别：,粒度,磨粒 （40m） 微粉（40m）,每英寸筛网长度上的筛孔数表示,一般磨削(荒磨） 12#46# 粗磨、半精磨、精磨 46#80# 精密磨、珩磨 100#280#,以颗粒最大尺寸的微米数表示,精密磨：珩磨、研磨 W40W28 超精密磨、镜面磨 W20W5,磨削硬度低、塑性大的工件材料和磨削面积较大时，为避免砂轮堵塞，可采用粗粒度的砂轮 。,（表34）常用粒度及使用范围,36,将磨粒粘结成有一定强度和形状的砂轮,分为：,结合剂,陶瓷结合剂 树脂结合剂 橡胶结合剂 金属结合剂,结合剂的作用,影响：砂轮的强度、抗冲击性、耐热性。,37,（表38）常用结合剂的性能及选用,38,磨粒在磨削力的作用下从砂轮表面脱落的难易程度,反映了磨粒与粘合剂的粘结强度和自砺性。,硬度,砂轮硬度高,磨未淬硬钢 LN 磨淬硬钢 HK 磨硬质合金 HJ 精密磨 KL,砂轮硬度低 ,磨粒易脱落,磨粒不易脱落,39,工件硬度较低时，应选用较硬的砂轮； 砂轮与工件接触面较大时，选用较软的砂轮； 磨薄壁件及导热性差的工件时选用较软的砂轮； 精磨和成形磨时，应选用较硬的砂轮； 砂轮粒度号大时，应选用较软的砂轮。,砂轮硬度选择原则 ：,40,组织磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系,磨料所占比例越大，组织越紧密，气孔少 反之，组织疏松， 气孔多,组织,组织号：012 组织号越大磨粒所占体积越小砂轮越疏松气孔就越多砂轮不易被切屑堵塞冷却液或空气带入磨削区散热条件改善。,常用：47,41,6. 砂轮的形状、用途及选择,42,43,P-3005075-A60L5V-35m/s,P砂轮形状代号：平形砂轮,砂轮的标志实例：,300 砂轮外径：300mm,50 厚 度：50mm,75 内 径：12

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