金属切削原理及刀具.

2019年12月15日Page1金屬切削原理与刀具Ｒ&D倫廣春2019年12月15日Page2第一章﹕刀具材料目錄第二章﹕金屬切削過程第三章﹕最佳切削參數的獲得及高速切削簡介2019年12月15日Page3第一章﹕刀具材料所謂刀具材料﹐是指刀具切削部分的材料﹒刀具材料的合理選擇是切削加工工藝中一項重要內容﹐其很大程度上決定了切削加工生產率的高低﹑刀具消耗和加工成本的大小﹑加工精度和表面質量的优劣等﹒每次刀具材料革命性的突破﹐都會帶來金屬切削加工界的飛躍﹒整個金屬切削加工歷史﹐刀具材料大致經歷了碳素工具鋼及合金工具鋼時代﹑高速鋼時代﹑硬質合金時代﹐以及正在發展的ＣＢＮ﹑陶瓷及金剛石等超硬刀具材料時期﹒18世紀末期以后﹐伴隨著蒸汽机等划時代机器的發展﹐刀具材料才開始快速發展﹐1783年﹐法國的勒內制出第一把銑刀﹐1792年﹐英國的莫茲利制出絲錐和板牙﹐1822-1864年﹐制出麻花鉆﹒刀具材料為碳素工具鋼﹐允許切削速度5m/min左右﹐耐熱性200-250℃;1868年﹐合金工具鋼出現﹐允許切削速度提高到8m/min左右﹐耐熱性提高到300-400℃,總之﹐允許切削速度在10m/min以下,持續了整整100多年﹒1898年﹐美國的泰勒和怀特發明高速鋼﹐起初允許切削速度提高到20m/min左右﹐耐熱性提高到600℃以下﹐后期對高速鋼進一步的研究﹐各种牌號的高速鋼相繼出現﹐直至粉末冶金高速鋼的出現﹐允許切削速度提高到60m/min左右﹐基本取代了碳素工具鋼及合金工具鋼﹐進入高速鋼時代﹐20世紀70-80年代達到高峰﹐直至今天﹐還有不小比例的高速鋼刀具在使用﹐持續時間也有100多年﹒2019年12月15日Page41923年﹐德國的施勒特爾發明了硬質合金﹐刀具材料硬度由原來的HRC60-66,提高到HRA89-94(相當于HRC70-74),刀具壽命比高速鋼刀具提高了3-5倍﹐起初允許切削速度提高到100m/min左右﹐耐熱性提高到800-900℃﹐切削效率提高5-10倍﹒雖然有如此多的优點﹐但其抗彎強度只有高速鋼的1/3-1/2,沖擊韌性只有高速鋼的1/30-1/8﹒所以﹐發明之后几十年來﹐一直沒有大的發展﹐甚至1985年有的刀具教材還在講硬質合金不适合加工銅﹑鋁等有色金屬﹒后期對硬質合金進一步的研究﹐稀有金屬的添加﹑超細晶粒(WC顆粒尺寸0.6微米以下)甚至納米晶粒(WC顆粒尺寸0.2微米左右)硬質合金技術開始成熟﹐加之涂層硬質合金刀具的成熟﹐硬質合金的抗彎強度已經提高到高速鋼的1.5-2倍﹐沖擊韌性与高速鋼相差不多﹐切削鋁合金允許切削速度提高到2000m/min,刀具壽命及切削效率都在原來的基礎上呈兩位數增長﹒20世紀90年代后期﹐硬質合金刀具開始大比例搶占高速鋼刀具市場﹒目前﹐硬質合金刀具的市場占有率已經大于高速鋼刀具﹐在有色金屬加工﹑非金屬加工行業﹐高速鋼刀具已經完全退出歷史舞台﹐在黑色金屬加工行業﹐也已經平分天下﹐並有逐漸取代的趨勢﹐完全可以說﹐現在已經接近硬質合金刀具的高峰時代﹒20世紀50年代﹐陶瓷﹑立方氮化硼及金剛石等超硬刀具材料相繼問世﹐目前正處于研究与發展階段﹐並搶占了一定比例的刀具市場﹒2019年12月15日Page5一﹒刀具材料應具備的性能﹕１﹒高的硬度和良好的耐磨性硬度是刀具材料應具備的基本特征﹒刀具要從工件上切下切屑﹐其硬度必然要大于工件材料的硬度﹐對于加工金屬材料的刀具切削刃﹐其硬度一般都在HRC60以上﹒耐磨性是刀具材料抵抗磨損的能力﹒一般來說﹐刀具材料硬度越高﹐耐磨性越好﹒刀具材料金相組織中硬質點(如碳化物﹑氮化物等)的硬度越高﹑數量越多﹑顆粒越小﹑分布越均勻﹐則耐磨性越好﹒同時﹐也和刀具材料的化學成分﹑強度﹑顯微組織及摩擦區的溫度有關﹒如不考慮摩擦區溫度及化學磨損等因素﹐可以采用如下公式表示材料耐磨性w﹕W=H*K/EH—材料硬度﹐Ｈ﹐ＷK---材料平面應變斷裂韌度﹐Ｋ﹐材料受應力引起的斷裂越小﹐WE---材料的彈性模量﹐Ｅ值越小﹐磨粒引起的顯微應變越小﹐產生的應力就越小﹐Ｗ２﹒足夠的強度和韌性刀具在切削過程中﹐要承受很大的壓力﹑沖擊和振動﹐此時卻不能崩刃和折斷﹐所以﹐要求材料必須具備足夠的強度和韌性﹒一般來說﹐韌性越高﹐可以承受的切削力越大﹐用“沖擊韌性”表示﹔強度值則用“抗彎強度”表示﹒0.51.430.82019年12月15日Page6３﹒高的耐熱性（熱硬性﹑高溫化學穩定性）刀具在切削過程中﹐真正的切削區﹐切屑和刀具前刀面是緊密貼合的﹐冷卻液根本無法進入﹐該區域的溫度相當高﹐是切削過程中溫度最高的區域﹒此時﹐沒有人去關心切屑如何﹐而是關心刀具的承受情況﹒所以﹐要求此時刀具材料要在高溫下﹐保持高的硬度﹑耐磨性﹑強度﹑韌性（熱硬性）﹐良好的高溫耐氧化能力﹑抗黏結和擴散能力（化學穩定性）﹒一般來說﹐刀具材料耐熱性越好﹐高溫抗塑性變形能力﹑抗磨損能力越強﹐允許的切削速度越高﹒４﹒良好的熱物理性能和耐沖擊性能刀具材料的導熱性能越好﹐切削熱越容易從切削區域傳導出去﹐從而降低刀具切削部分溫度﹐減少刀具磨損（此處的熱物理性能主要指其導熱性能）﹒刀具在斷續切削或使用切削液時﹐常常受到很大的熱沖擊﹐因此刀具內部會產生裂紋導致斷裂﹒刀具抗沖擊的能力可以用耐沖擊系數Ｒ表示﹕Ｒ＝λσb(1-μ)/Eαλ–導熱系數,λ越大﹐切削熱越易導出﹐溫度梯度越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔σb—抗拉強度﹐σb越大﹐抗熱沖擊能力越強﹔2019年12月15日Page7μ－泊松比﹐μ越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔Ｅ－彈性模量﹐Ｅ越小﹐熱膨脹產生的交變應力幅度越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔α－熱膨脹系數﹐α越小﹐熱變形越小﹐抗熱沖擊能力越強﹔耐熱沖擊性能好的刀具材料,在切削加工過程中可以使用切削液﹒5.良好的工藝性能刀具不但要有良好的切削性能﹐本身還應該易于制造﹒這要求刀具材料有較好的工藝性能﹐如鍛造性能﹑熱處理性能﹑焊接性能﹑磨削加工性能﹑高溫塑性變形性能等﹒６﹒經濟性經濟性是刀具材料的重要指標之一﹒适合的刀具雖然單件价格很貴﹐但由于壽命長﹐分攤到每個工件上的成本就不一定高﹒所以﹐選用刀具時﹐不是看單件刀具价格﹐而是要看“性价比”﹒2019年12月15日Page8二﹒碳素工具鋼•碳素工具鋼高碳過共析﹑共析或亞共析鋼﹐其含碳量為0.65%-1.35%﹐碳是其主要強化元素﹐按用途分為刃具鋼﹑模具鋼﹑量具鋼﹑耐磨鋼﹐按鋼質可分為优質鋼和高級优質鋼﹒•碳素工具鋼耐熱性較差(200-250℃),經熱處理后﹐具有較高的硬度和耐磨性﹐但熱硬性差﹐淬透性低﹒•碳素工具鋼主要用于硬度和強度不太高﹑尺寸較小﹑小進給﹑低速的切削工具和手動工具﹐以及形狀簡單﹑精度要求低的量具﹑模具等﹒•牌號有T7,T7A,T8,T8A,T8Mn,T8MnA,T9,T9A,T10,T10A,T11,T11A,T12,T12A,T13,T13A.(帶Ａ者為高級优質鋼﹐与优質鋼相比﹐Ｓ﹑Ｐ的百分含量較低）2019年12月15日Page9三﹒合金工具鋼•合金工具鋼為中﹑高碳合金鋼﹐其含碳量較高﹐並含有多种強化合金元素﹐如鉻(Ｃr)﹑鎢(W)﹑硅(Si)﹑錳(Mn)﹑釩(V)等.按用途可分為刃具鋼﹑模具鋼（冷作模具﹑熱作模具和塑料模具鋼）﹑量具鋼﹐一种鋼常常兼作多种用途(熱作模具鋼除外).•合金工具鋼具有較高的耐熱性(300-400℃),較高的硬度﹐一定的韌性﹐良好的耐磨性﹑熱硬性﹐一定的耐沖擊性﹐以及良好的淬透性﹑組織穩定性﹐較小的熱處理變形等性能﹒•主要用于制造截面較大﹐要求熱處理變形小﹐對耐磨性及韌度有一定要求的低速切削刀具﹐以及形狀特殊及較複雜的量具﹑刃具﹑耐沖擊工具﹑冷熱作模具和一些特殊用途的工具﹒•典型牌號有﹕9SiCr﹑8MnSi﹑CrWMn等2019年12月15日Page10四﹒高速鋼(HighSpeedSteel,HSS)•高速鋼是一种高碳﹑高合金工具鋼﹐C%在0.55-1.78%,主要合金元素有鎢(W)﹑鉻(Ｃr)﹑釩(V)﹑鉬(Mo)﹑鈷(Co)﹑鋁(Al)等,含有大量的碳化物﹐這些碳化物使得高速鋼具有高的熱硬性﹑硬度和耐磨性﹐使其在較高溫度(不大于600℃)下能保持良好的切削性能﹒•1898年﹐美國机械工程師泰勒和冶金工程師怀特﹐歷經無數次試驗﹐發明了這一划時代的刀具材料﹒當時的成分為:•C0.67%,W18.91%,Cr5.47%,V0.29%﹐Mn0.11%,其余為鐵(這就是后來廣泛使用的W18Cr4V的前身)﹒它能承受550-600℃的切削溫度﹐切削一般鋼材可用25m/min-30m/min的切削速度（較合金工具鋼提高1-3倍）﹐耐用度提高10-40倍﹐從而使其加工效率比合金工具鋼提高215倍﹒•在當時﹐高速鋼憑借其优越的綜合性能及熱穩定性﹐迅速占領了碳素工具鋼和合金工具鋼的市場﹐並一直不斷地研究与發展﹐直至粉末冶金高速鋼的出現而達到頂峰﹒•高速鋼的分類﹐按用途分為﹕通用型高速鋼﹑高性能高速鋼﹔按制造方法分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼﹔按化學成分(主要按其含Ｗ量的不同)可分為﹕鎢系(Ｗ％=12%或18%)﹑鉬系(W%=2%)﹑鎢鉬系(W%=6%或8%)﹑和含鈷高速鋼﹒2019年12月15日Page11１﹒通用型高速鋼通用型高速鋼應用最廣﹐約占高速鋼總量的75%﹒其含碳量為0.7%-0.9%﹒切削普通鋼材時﹐允許切削速度為40-60m/min.鎢系的典型代表是W18(W18Cr4V)—T1,鎢鉬系的典型代表是W6(W6Mo5Cr4V2)--M2,W9(W9Mo3Cr4V).1.1.W18---硬度63-66HRC,500℃時56HRC,600℃時48.5HRC,抗彎強度2.94-3.33GPa.优點﹕淬火時過熱傾向小﹔由于含釩量少﹐磨削加工性能好﹔由于碳化物含量較高﹐塑性變形抗力大﹒缺點﹕碳化物分布常不均勻﹔強度与韌性不夠強﹔熱塑性差﹐不宜制造成大截面刀具﹒目前﹐國內用量已逐漸減少﹐國外已很少采用﹒1.2.W6---硬度63-66HRC,500℃時55-56HRC,600℃時47-48HRC,抗彎強度3.43-3.92GPa.优點﹕減小了碳化物數量及分布不均勻性﹐与W18相比﹐M2抗彎強度提高10%-15%,韌性提高40%以上﹐而且大截面刀具也具有同樣的強度和韌性﹐熱塑性特別好﹐利于鍛造﹐磨加工性能也好﹐是目前各國使用較多的高速鋼料﹒缺點﹕熱處理脫碳傾向大﹐較易氧化﹐淬火溫度范圍窄﹐熱穩定性低于W18,高溫﹑高速切削性能低于W18﹒2019年12月15日Page121.3.W9—我國特產﹐抗彎強度﹑沖擊韌性和熱穩定性都高于M2,而且熱塑性﹑刀具耐用度﹑磨削加工性能和熱處理時脫碳傾向性都比M2高﹒2.高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼中增加碳﹑釩含量並添加鈷﹑鋁等合金元素而形成的新鋼种﹐如高碳高速鋼﹑高釩高速鋼﹑鈷高速鋼﹑鋁高速鋼等﹒其中超硬高速鋼是指硬度達到67-70HRC的高速鋼﹐它們的含碳量比相近的普通高速鋼高0.2-0.25%.优點﹕高的熱穩定性﹐在630-650℃高溫下﹐硬度仍有60HRC﹐因此具有更好的切削性能﹐刀具耐用度是普通高速鋼的1.5-3倍﹒适合加工奧氏体不鏽鋼﹑高溫合金﹑鈦合金﹑超高強度鋼等難加工材料﹒缺點﹕強度和韌性較普通高速鋼低﹐高釩高速鋼磨削加工性差﹒不同牌號的鋼只能在各自規定的切削條件下才能得到良好的切削性能﹐這就限制了它們只适合在一定范圍內使用﹒典型的高碳高速鋼9W6Mo5Cr4V2﹑高釩高速鋼W6Mo5Cr4V3(M3)﹑鈷高速鋼W6Mo5Cr4V2Co5及超硬高速鋼W2Mo9Cr4VCo8﹑W6Mo5Cr4V2Al等﹒國外高性能高速鋼的使用比例在高速鋼中已經超過20-30%,W18已基本被淘汰國內高性能高速鋼的使用比例在高速鋼中僅占3-5%.2019年12月15日Page132.1W2Mo9Cr4VCo8(M42)這是一种應用最為廣泛的含鈷超硬高速鋼﹐具有良好的綜合性能﹐硬度可達67-70HRC,600℃時的高溫硬度為55HRC﹐因此允許較高的切削速度﹒這种鋼有一定的韌性﹐同時含釩量不高﹐磨削加工性能好﹒含Co有利于提高鋼