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1、(3)优良导热性和耐热性,(2)高强度与强韧性,2.5 刀具材料,2.5.1 刀具材料的基本要求 刀具材料需满足一些基本要求 :,(1)高硬度和耐磨性,刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志 ,通常用高温下保持高硬度的性能来衡量,也称热硬性,(4)良好的工艺性与经济性,(1)高硬度和耐磨性,刀具是从工件上去除材料,所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。 刀具材料最低硬度应在60HRC以上。 对于碳素工具钢材料,在室温条件下硬度应在62HRC以上;高速钢硬度为63HRC70HRC;硬质合金刀具硬度为89HRC93HRC。 A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。 一般刀具硬度越高,耐磨性越好。
2、 刀具金相组织中硬质点(如碳化物、氮化物等)越多,颗粒越小,分布越均匀,则刀具耐磨性越好。,(2)高强度与强韧性,刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。 如车削45钢,在背吃刀量ap4,进给量f 0.5/r的条件下,刀片所承受的切削力达到4000N,可见,刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。 一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示,反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。,(3)优良导热性和耐热性,A、刀具导热性好,表示切削产生的热量容易传导出去,降低了刀具切削部分温度,减少刀具磨损。 刀具材料导热性好,其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。 B、刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志,通常用高温下
3、保持高硬度的性能来衡量,也称热硬性。 刀具材料高温硬度越高,则耐热性越好,在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。,(4)良好的工艺性与经济性,刀具不但要有良好的切削性能,本身还应该易于制造,这要求刀具材料有较好的工艺性,如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。 经济性也是刀具材料的重要指标之一,选择刀具时,要考虑经济效果,以降低生产成本。,2.5.2 普通刀具材料,2.5.2 普通刀具材料 1高速钢 (1)概念: 高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢 (2)性质: 、高速钢具有良好的热稳定性 、高速钢具有较高强度和韧性 、高速钢具有一定的硬度(6370HRC)和耐磨性,
4、(3)高速钢的分类 、普通高速钢 A、钨系高速钢(简称 W18) 优点:钢磨削性能和综合性能好,通用性强。 缺点:碳化物分布常不均匀,强度与韧性不够强,热塑性差,不宜制造成大截面刀具。 B、钨钼钢(将一部分钨用钼代替所制成的钢 ) 优点:减小了碳化物数量及分布的不均匀性 。 缺点:高温切削性能和W18相比稍差。,、高性能高速钢 优点:具有较强的耐热性,刀具耐用度是普通高速钢的1.53倍 。 缺点:强度与韧性较普通高速钢低,高钒高速钢磨削加工性差。 适合加工的零件:奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。,、粉末冶金高速钢,优点:无碳化物偏析,提高钢的强度、韧性和硬度,硬度值达6
5、970HRC; 保证材料各向同性,减小热处理内应力和变形; 磨削加工性好,磨削效率比熔炼高速钢提高23倍; 耐磨性好。 适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具(如滚刀和插齿刀),精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。,2硬质合金 (1)硬质合金组成 硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。 (2)硬质合金的性能特点 硬质合金优点:硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高,热熔性好 ,热硬性好,切削速度高。 硬质合金缺点:脆性大,抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/31/2,冲击韧性只有高速钢的1/41/35。 硬质合金力学性能:主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末
6、颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。,(2)普通硬质合金的种类、牌号及适用范围 按其化学成分的不同可分为 : 、钨钴类(WC+Co)(合金代号为YG,对应于国标K类 ) 合金钴含量越高,韧性越好,适于粗加工; 钴含量低,适于精加工。,、钨钛钴类,钨钛钴类(WC+TiC+Co)(合金代号为YT,对应于国标P类 ) 此类合金有较高的硬度和耐热性,主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。 合金中TiC含量高,则耐磨性和耐热性提高,但强度降低 粗加工一般选择TiC含量少的牌号,精加工选择TiC含量多的牌号。,、钨钛钽(铌)钴类,钨钛钽(铌)钴类(WC+TiC+TaC(Nb)+Co)(合金代号为YW,对应于国
7、标M类) 适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工,也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。,、碳化钛基类(WC+TiC+Ni+Mo)合金代号YN,对应于国标P01类。 用于精加工和半精加工,对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合,但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。,(3)超细晶粒硬质合金,超细晶粒硬质合金多用于YG类合金,它的硬度和耐磨性得到较大提高,抗弯强度和冲击韧度也得到提高,已接近高速钢。 适合做小尺寸铣刀、钻头等,并可用于加工高硬度难加工材料。,2.5.3 特殊刀具材料,1陶瓷刀具 (1)材料组成:主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、
8、氮化物组成,另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂,通过粉末冶金工艺方法制粉,再压制烧结而成。 (2)常用种类:Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷 (3)优点:有很高的硬度和耐磨性,刀具寿命比硬质合金高;具有很好的热硬性,摩擦系数低,切削力比硬质合金小,用该类刀具加工时能提高表面光洁度。 (4)缺点:强度和韧性差,热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大,抗冲击性能很差。 (5)适用范围:高速精细加工硬材料。,2金刚石刀具 (1)分类:天然金刚石刀具;人造聚晶金刚石刀具;复合聚晶金刚石刀具。 (2)优点:极高的硬度和耐磨性,人造金刚石硬度达10000HV,耐磨性是硬质合金的6080倍;切削刃锋利,能实
9、现超精密微量加工和镜面加工;很高的导热性。 (3)缺点:耐热性差,强度低,脆性大,对振动很敏感。 (4)适用范围:用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。,3立方氮化硼刀具 (1)概念:立方氮化硼(简称CBN)是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。 (2)优点:硬度高,硬度仅次于金刚石,热稳定性好,较高的导热性和较小的摩擦系数。 (3)缺点:强度和韧性较差,抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/51/2。 (4)适用范围:适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金,也不适合加工铝合金和铜合金,通常采用负前角的高速切削。,2.5.4 涂层刀具,(1)概念:涂
10、层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上,涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。 (2)常用的涂层材料有:TiC、TiN、Al2O3等 (3)涂层形式:可以采用单涂层和复合涂层 (4)优点:涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能,因此具有较高的耐磨性 (5)适用范围:主要用于车削、铣削等加工,由于成本较高,还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工,高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。,课堂问题,避免积屑瘤的发生的措施?,避免积屑瘤的发生的措施P45,、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理,提高零件材料的硬度,降低材料的加工硬化。 、调整刀具角度,
11、增大前角,从而减小切屑对刀具前刀面的压力。 、调低切削速度,使切削层与刀具前刀面接触面温度降低,避免粘结现象的发生。或采用较高的切削速度,增加切削温度,因为温度高到一定程度,积屑瘤也不会发生。 、更换切削液,采用润滑性能更好的切削液,减少切削摩擦。,影响切削变形的因素问题?,1随着工件材料强度的增大,切屑的变形如何变化? 2当刀具前角O增大时,金属切屑的变形趋势? 刀尖圆弧半径越大,表面的切削变形是增大还是减小?,1工件材料,通过试验,可以发现工件材料强度和切屑变形有密切的关系。 从图可以看出,随着工件材料强度的增大,切屑的变形越来越小。,图2-10 材料强度对变形系数的影响,2刀具几何参数,
12、由图2-7可以看到,当刀具前角O增大时,沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出,金属切屑的变形也会变小。 刀尖圆弧半径对切削变形也有影响,刀尖圆弧半径越大,表明刀尖越钝,对加工表面挤压也越大,表面的切削变形也越大。,1、切削速度c 、进给量f 、背吃刀量ap哪一个对温度的影响最显著?说明原因? 2、前角o对切削温度的影响? 3、主偏角r对切削温度的影响? 4、材料的强度与硬度增大时,切削温度升高还是降低?,(1)切削用量 经验公式:高速钢刀具(加工材料45钢): 140170a f v 硬质合金刀具(加工材料45钢): 320a f v 切削用量三要素c、 ap 、f中, 切削速度c对温度的影
13、响最显著,因为指数最大,切削速度增加一倍,温度约增加32; 其次是进给量f ,进给量增加一倍,温度约升高18, 背吃刀量ap影响最小,约7。 主要的原因是速度增加,使摩擦热增多; f增加,切削变形减小,切屑带走的热量也增多,所以热量增加不多; 背吃刀量ap的增加,使切削宽度增加,显著增加热量的散热面积。,影响切削温度的因素,(2)刀具的几何参数,前角o :前角o增大,切削温度降低。因前角增大时,单位切削力下降,切削热减少。 主偏角r :主偏角r减小,切削宽度bD增大,切削厚度减小,因此切削温度也下降。,(3)工件材料,材料的强度与硬度增大时,单位切削力增大,因此切削热增多,切削温度升高。 导热
14、系数影响材料的传热,因此导热系数大,产生的切削温度低。,2 . 刀具的磨损原因:,(1)硬质点磨损 (2)粘结磨损 (3)扩散磨损 (4)氧化磨损 (5)相变磨损,问题? 在低温区,一般以哪些磨损为主?在高温区又以哪些磨损等为主?,在低温区,一般以硬质点磨损为主;在高温区以粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损、相变磨损为主。,课堂问题?,3、车刀各刀具角度的概念? 前角o、后角o、主偏角r 、 副偏角r、刃倾角s,1、强度和韧性大的刀具材料选择大的还是小的前角,而脆性大的刀具又如何选择? 2、加工塑性材料时,一般选择大的还是小的前角。 3、加工脆性材料时,刀具前角相对塑性材料如何选择? 4、粗加工和精
15、加工时刀具的前角有何区别?,问题?,强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角,而脆性大的刀具甚至取负的前角。 加工钢件等塑性材料时,一般采用选择大的前角。 加工脆性材料时,因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值,以提高刀刃的强度。 粗加工时,一般取较小的前角; 精加工时,宜取较大的前角,以减小工件变形与表面粗糙度;,解答,1、当切削点高于工件中心时,对工作前角、后角有何影响? 2、导杆中心与进给方向不垂直,当刀杆中心与正常位置逆时针偏角时,如何影响刀具的工作角度? 3、车削右螺纹时,刀具工作前角、后角如何变化?,问题?,解答,1、当切削点高于工件中心时,对工作前角、后角有何影响? 2、导杆中心
16、与进给方向不垂直,当刀杆中心与正常位置逆时针偏角时,如何影响刀具的工作角度? 3、车削右螺纹时,刀具工作前角、后角如何变化?,问题?,解答,3刀具的工作角度,问题?,1、工件材料强度或硬度较高时,一般采用较小还是较大的后角? 2、对于塑性较大材料,一般取较小还是较大的后角?,1、工件材料强度或硬度较高时,为加强切削刃,一般采用较小后角。 2、对于塑性较大材料,已加工表面易产生加工硬化时,后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大时,一般取较大后角。,3、工艺系统刚性较好时,主偏角r如何选择? 4、当车阶梯轴时, r ?;同一把刀具加工外圆、端面和倒角时, r ?。 5、副偏角r 的大小对表面粗糙度如何影响?,3、工艺系统刚性较好时(工件长径比lw/dw 6) ,主偏角r可以取小值。 4、当车阶梯轴时, r 90o;同一把刀具加工外圆、端面和倒角时, r 45o。 5、