切削刀具应用精讲

切削刀具讲座住友电工硬质合金贸易上海有限公司2009年5月12日本次讲座主要内容一、金属切削原理二、金属加工的刀具材料三、车削刀具及刀具几何参数四、断屑五、铣削刀具及几个参数六、钻削刀具及几何参数七、切削振动的解决方法八、住友在汽车行业的刀具九、住友新产品介绍金属切削原理所谓切削，就是刀具与被加工材质之间剧烈的撞击与摩擦，使材质剥离母体。金属材料受刀具作用后,经过弹性变形→弹-塑性变形→挤压分离三阶段,沿刀具前刀面滑出形成切屑第一变形区：始滑移面OA与终滑移面OE之间的区域,变形量最大。第二变形区：与前刀面接触的切屑底层的变形区域,靠近前刀面处金属纤维化,基本与前刀面平行。第三变形区：与已加工表面层内产生的变形区域,产生金属纤维化和加工硬化。什么叫做切削？切屑的变形与热。热能在工件、切屑及刀具里的分布取决于加工条件，对其影响较大的为切削速度、切削厚度、刀片的几何形状及刀片的磨损程度。对较高速的切削，大约80%~90%的热量被切屑带走。对工件来讲有三个热源:剪切面、切屑从工件上断裂所做的功;后刀面的摩擦;切屑与前刀面的摩擦。崩碎切屑：不规则屑片，较低vc，较大ap/f加工脆性金属（铸铁）时产生。由于加工材料和切削条件的不同，产生的切屑主要有三种类型：节状（挤裂）切屑：上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑，较低vc，较大ap/f加工中等硬度塑性金属（高碳钢/不锈钢）时产生。带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大γ0，高vc，小ap/f加工塑性金属（碳素钢/合金钢）时产生。切屑的种类刀具磨损与刀具寿命（一）刀具磨损：刀具在切削过程中，其前刀面、后刀面上微粒材料被切屑或工件带走的现象，称为刀具磨损。刀具的主要磨损形态：后面磨损：机械磨损为主前面磨损（月牙磨损）：热磨损为主前后面同时磨损：大多数情况下刀具前、后刀面都有磨损，后刀面磨损对加工质量影响最大，测量方便，通常以VB来表示刀具磨损程度。后刀面磨损前刀面月牙洼磨损积屑瘤沟槽磨损塑性变形刃口崩损初期磨损阶段（OA）：切削时间短磨损快正常磨损阶段（AB）：磨损量均匀增长急剧磨损阶段（BC）：磨损量急剧增加伴有明显的噪声和振动磨损过程所谓材料的被切削性能，就是被切削材料在切削过程中的难易程度材料的被切削性能工具寿命短切削阻力大切削温度高表面质量差切屑处理差高强度材质YYY高硬度材质YY加工硬化（大）YYYYY热传导率（小）YY延展性（大）YY亲和性（大）YY硬粒子（多）Y工件材质的特性与切削的关系：加工硬化:表面结构可能变形，表面硬度将会增加WorkhardeningStainlessSteelFebasedNibasedCobasedWorkHardening加工硬化不锈钢铁基耐热合金镍基耐热合金钴基耐热合金影响加工性能的因素工件材料加工条件及加工类型机床设备冷却液刀具材料刀具几何形状涂层类型硬度材料抗拉强度化学成分速度进给量微观结构冷作程度变形硬化工件的形状/尺寸工件的刚性切深断续切削连续切削冷却液类型夹具刚性机床刚性冷却液类型有效功率高速钢非涂层硬质合金涂层硬质合金金属陶瓷陶瓷刀片立方氮化硼人造金刚石导向角(或主偏角）前角后角刀片形状断屑槽刃口处理刀尖圆弧半径化学涂层物理涂层中温化学涂层影响加工性能的因素材料篇韧性（刀具材质的韧性）耐磨损性（硬度）耐热性优劣优劣涂层硬质合金陶瓷金属陶瓷超微粒硬质合金高速钢金刚石烧结体ｃＢＮ烧结体切削刀具材质种类和位置制品检查评价涂层研磨烧结原料模压完粉干燥造粒混合硬质合金制品涂层制品約1400℃，真空中约1000℃硬质材料粉末WC,TiC．．．金属粉末Co,Ni．．硬质合金及涂层的制造过程硬质合金分类及标志切削刀具用硬质合金根据国际标准ISO分类，把所有牌号分成用颜色标识的六大类，分别以字母P、M、K、N、S、H表示。分类的主要依据是加工材料的化学元素含量、结构、硬度和导热性能。每一类中的各个牌号分别给以一个01～50之间的数字，表示从最高硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各种被加工材料的不同切削工序及加工条件时选用。根据使用需要，在两个相邻的分类代号之间，可插入一个中间代号，如在P10和P20之间插入P15，K20和K30之间插入K25等，但不能多于一个。P类用于加工长切屑的钢件M类用于加工不锈钢件K类用于加工短切屑的铸铁件N类用于加工短切屑的非铁材料S类用于加工难加工材料H类用于加工硬材料钢用车削材料系列住友电工Ｐ类硬质合金（一）AC700G加工钢件的切削性能住友电工Ｐ类硬质合金（二）AC2000的切削性能住友电工Ｐ类硬质合金（三）AC3000的加工实例住友电工Ｐ类硬质合金（四）推荐切削条件参数住友电工Ｐ类硬质合金（五）住友电工M类硬质合金（一）0.20.40.6进给(mm/rev.)切深(mm)6.04.02.00)推荐切削参数AC630MAC610M切削速度(m/min)进给(mm/rev.)2300.41300.10.1100160材质切削状况0.4断屑槽的应用住友电工M类硬质合金（二）高速高效的AC610M住友电工M类硬质合金（三）用途广泛的AC630M住友电工M类硬质合金（四）工件(work):FCD450切削参数(cuttingcondition)：V=350m/min,f=0.35mm/rev.,d=1.5mm刀片(tool)：CNMG120408铸铁车削用涂层材质ACE涂层AC410K●采用新开发超级FF涂层，实现耐磨损性2倍以上的提高。●采用超厚膜▪高强度氧化铝，实现较以往产品1、5倍以上的高速、高效率加工。●通过表面平滑化处理，加工稳定性大幅提高。強断续Rough部分断续Medium连续・轻Light100200300切削状态(CuttingCondition)～～切削速度(Cuttingspeed)(m/min)AC700GAC2000■适用领域Applicationrange■切削性能Performance切削時間(Cuttingtime)逃げ面摩耗幅(Flankwear)(mm)(min)AC410K他社K10(competitor’sK10)00.050.10.150.20.250510AC410K住友电工K类硬质合金涂层（一）常见涂层材料碳化钛(TiC)高硬度耐磨化合物，有着良好的抗摩擦磨损性能。氮化钛(TiN)的硬度稍低，但却有较高的化学稳定性，并可大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦系数。碳氮化钛(TiCN)是在单一的TiC晶格中，氮原子(N)占据原来碳原子(C)在点阵中的位置而形成的复合化合物，TiCxNy中碳氮原子的比例有两种比较理想的模式，即TiC0.5N0.5和TiC0.3N0.7。由于TiCN具有TiC和TiN的综合性能，其硬度(特别是高温硬度)高于TiC和TiN，因此是一种较理想的刀具镀层材料。氧化铝(Al2O3)在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上，没有任何材料能与氧化铝相比。但由于氧化铝与基体材料的物理、化学性能相差太大，单一的氧化铝镀层无法制成理想的镀层刀具。铝氮化钛(TiAlN)在切削过程中铝氧化而形成Al2O3，从而起到抗氧化和抗扩散磨损作用，但其抗氧化性能比单一的Al2O3镀层稍差，因为TiAlN中形成的Al2O3在切削过程中边生成边磨掉。但在高速切削时，其效果优于不含铝的TiCN镀层。涂层（三）在放置基板的空间中供给含有目标膜质构成原子的原料气体，主要以在基体表面发生化学反应来形成覆膜的方法在放置基板的空间中供给含有目标膜质构成的固体物质，该物质在物理作用(加热、喷溅等)下，呈原子、分子、群束状，通过输送至基板表面形成薄膜的方法ＣＶＤ法・・・ChemicalVaporDepositionＰＶＤ法・・・PhysicalVaporDeposition10μmAl2O3TiCN特殊专用硬质合金ＣＶＤ涂层膜断面照片CVD方法化学气相沉积可以定义为一种材料合成方法。这种方法使气相的几种组成成分反应并在一些表面上形成一固体膜。CVD系统中的化学反应可划分为还原、氧化、水解、热解等，是在低压CVD反应器中实现的。沉积反应几乎永远是一种不均匀的多相反应。特点：1）10000(C)涂层温度提高了生产率2）5-15微米厚度3）多涂层优点：1）涂层强度和附着力好（涂层强度比母材稍低）2）50%－100%提高了切削速度3）多至400%地提高了刀具寿命4）提高了抗热冲击性5）对母材的形状无限制PVD方法物理气相沉积是一种固态的金属反应成分的过程，例如钛。物理气相沉积一般有真空中蒸发沉积、溅射、离子镀三种将固态镀层材料气化的方法。由于PVD工艺温度低，不会降低硬质合金刀片自身的强度，刀片刃部可磨得十分锋利，从而可降低机床的功率消耗。特点：1）牌号的选择覆盖了大多数的应用情况2）薄的氮化钛TiN涂层，厚度在2-4微米之间（与母材的附着力比CVD差）3）400°(C)的涂层温度（不适合内孔的涂层）4）摩擦系数小优点：比非涂层硬质合金刀片的刀具寿命高出15％。刃口锋利刃口牢固性较好。比非涂层硬质合金的刀片的切削速度提高100%。抗月牙洼磨损和积屑瘤涂层金属陶瓷材料适用范围住友电工金属陶瓷（一）T2000Z刀尖磨损的比较住友电工金属陶瓷（二）T3000Z的崩刃率比较住友电工金属陶瓷（三）CBN刀具基础1.CBN是什么呢？CBN是CubicBoronNitride的缩写。大家知道金刚石主成分是炭元素吗？CBN是由在化学中两个位置相邻的化学元素硼和氮，以类似于金刚石的构造结合起来的物质。它的硬度仅次于金刚石。与金刚石不同之处在于，这种物质在自然界是不存在的，并且具有耐热等比金刚石更优越的特性。2.住友CBN是怎么做成的呢？住友CBN是CBN的粉末和特殊的陶瓷混合后，在一千几百度、五万个大气压的高温高压下烧制加固而成的。顺便说一下，这种烧制加固被称为[烧结]，因此住友CBN也可以称为[CBN烧结体]。说起5万个大气压可能一下子想象不出来，其大小几乎等同与地球深层的地幔处的压力。用[接近于天然金刚石的形成环境]这个说法可以理解吗？3.为什么可以用来切削淬火钢呢？说起刀具材料，一般认为其硬度应该是工件材料的4倍。但仅仅硬度是不行的。比如金刚石和铁容易发生化学反应，因此不适合作为切削淬火钢的材料。而住友CBN和铁很难发生化学反应，而且耐热性强的CBN和特殊陶瓷的绝妙组合，不仅仅是硬度，其耐崩损性和耐磨性也实现了最适化，所以用来切削淬火钢并不难。住友CBN（一）碳化物PCDorP-cBN放电线切割碳化物金刚石orcBN圧力压力焊接合金碳化物基质金刚石orcBN原材料超高压烧结原料充填成品加工焊接1350℃，5.5GPa住友CBN（二）CBN的烧结4421陶瓷粘结剂金属粘结剂CBN微粒硬质合金冷硬铸铁铬镍铸铁耐热合金灰口铸铁铁基烧结合金合金钢淬火钢碳素工具钢轴承钢模具钢a)微粒相互粘合紧密b)靠粘结剂粘合CBN微粒显微结构HighCBNcontentLow硬度(Hv)应用CBN微粒烧结CBN的特征以及应用外观结构住友CBN（三）住友CBN材料系列种类和用途住友CBN（四）硬材料连续切削的应用涂层CBN不涂层CBN住友CBN（五）连续加工淬火钢推荐切削参数住友CBN（六）BNS8001000500１．０２．０３．０４．０0切削速度(m/min)切深d(mm)15002000１．０进给f(mm/rev)０．５粗加工领域精加工领域BN600BN500用于灰口铸铁的加工范围灰口铸铁加工推荐湿式加工，若干式加工中，粗・精加工都推荐BNS800住友CBN（七）BN700切削特性（铸铁车削）工件:FC300（珠光体）工具:2NU-CNGA120408切削条件:V=800m/min.ｆ=0.13mm/rev.ｄ=0.2mmWET00.020.040.060.08020406080BN700BN600切屑排出量［km］VB磨损量[mm]0.10（灰口铸铁）◆BN700在灰口铸铁的连续切削中可以显示出优异的耐磨损性。推荐湿式住友CBN（八）BN700切削特性（铸铁高速铣削加工）工件:FC250（珠光体）工具:FMU410