发布时间 : 星期一 文章1、金属切削机床与原理与刀具讲稿 - 图文更新完毕开始阅读
机械制造工程2-1教案 天津职业技术师范大学机械制造教研室 霍文国
硬质合金性质
硬质合金是由硬度很高的金属碳化物（如Wc、TiC、TaC、NbC等）、金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）以粉末冶金法制成的。
由于硬质合金中含有大量金属碳化物，其硬度、熔点都很高，化学稳定性也好，因此硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，硬度可达HRA89~93，在800~1000℃时仍能进行切削，允许切削速度为100m/min(1.67m/S)。但抗弯强度和冲击韧度较差。
硬质合金由于切削性能优良，已成为主要的刀具材料，不但绝大部分车刀采用硬质合金，端铣刀和一些形状复杂的刀具如麻花钻、齿轮滚刀、铰刀、拉刀等也日益广泛采用此材料。
硬质合金的种类和牌号
硬质合金成分和性能见表2-3。
(1)钨钴类（Wc-Co）牌号用YG表示。主要牌号有YG3、YG6、YG8，后缀数字表示钴的质量百分含量。相当于ISO的“K”类。
表中：Y—硬质合金；G—钴，其后数字表示含钴量（质量）；X—细晶粒；T—TiC，其后数字表示TiC含量（质量）；A一含TaC(NbC)的钨钴类合金；N—以镍、钼作粘结剂的TiC基合金。
(2)钨钛钴类（WC—TiC—Co） 牌号用YT表示，常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30，后缀数字表示TiC的质量百分含量。相当于ISO中的“P”类。
(3)钨钴钽（铌）类（WC—TaC(NbC)—Co） 牌号用YGA表示，常用牌号YGA6，后缀数字表示Co的质量百分含量，相当于K类。
(4)钨钛钴钽（铌）类（WC—TiC—TaC(NbC)-Co） 牌号用YW表示，常用牌号YW1、YW2。相当于ISO中的M类。
硬质合金的选用
YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。(低速切削)
切削上述材料时，呈崩碎切屑，切削热、切削力集中在刀尖附近，冲击力大。由于YG类硬质合金抗弯强度、冲击韧度好，故可减少崩刃。它又具有较好的导热性，切削热传出快，可降低刀尖温度。但它的耐热性差，不宜采用较高的切削速度。YG类的韧性和可磨削性好，可磨出较锐利的切削刃，适用加工有色金属和纤维层压材料。
由于硬质合金中的钛元素和被加工材料中的钛元素之间产生亲和力使粘结现象严重，导致切削温度升高，摩擦系数增大，加剧了刀具磨损，故加工含钛的不锈钢（1Cr18Ni9Ti）和钛合金时宜选用YG类硬质合金
加工淬火钢、高强度钢、奥氏体钢和高温合金时，切削力大，切削力集中在刀尖附近，易崩刃，故选用强度较高、韧性较好、热导率大的YG类硬质合金。
YT类适用于加工塑性材料如钢料等。高速切削钢料
加工该类材料时，摩擦严重，切削温度高。YT类具有较高的硬度和耐磨性，尤其具有高的耐热性，在高速切削钢料时，刀具磨损小，刀具耐用度高。低速切削时，因韧性差，易崩刃，不如YG类好。
硬质合金中含钴量增多，WC、TiC含量减少时，抗弯强度和冲击韧度提高，硬度、耐热性降低，适用于粗加工，
含钴量减少，WC、TiC增加时，硬度、耐磨性和耐热性增加，强度、韧性降低，适用于精加工。
YW类硬质合金综合性能较好，除可加工铸铁、有色金属和钢料外，主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。
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表2 硬质合金的应用范围
牌 号 YG3 YA6 YG6X YG6 YG8 YT30 YT15 YT5 YW1 YW2 YN05 同 上 YN10 碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的精加工 应 用 范 围 铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工，无冲击 硬度、 抗弯 冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工 耐磨 强度、 性、 韧性、 铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工， 切削 进给 铸铁、有色金属、高温合金的半精加工和粗加工 速度 量 铸铁、有色金属、高温合金粗加工，可用于断续切削 碳素钢、合金钢的精加工 硬度、 抗弯 耐磨 强度、 碳钢、合金钢连续切时粗、半精加工，断续切精加工 切削 韧性、 速度 进给 碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削 高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的精、半精加工 同 上 高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的半精与粗加工 碳钢、合金钢的高速精车，系统刚性好的细长轴精车 其它硬质合金
（1）碳化钛基硬质合金
它是以碳钛化为硬质相，镍、钼为粘结相的硬质合金。牌号用YN表示，是介于碳化钨基硬质合金与陶瓷之间的一种刀具材料。其优点是硬度高，抗粘结力、抗磨损能力都很强，耐磨性接近陶瓷。目前主要用于精加工或半精加工长切屑材料，代表牌号是YN10。 （2）超细晶粒硬质合金
指碳化物颗粒的平均尺寸在1μm以下的钨钴类硬质合金，主要用于冷硬铸铁、淬硬钢、不锈钢及高温合金等加工。代表牌号有YG10H、YH1、YH2、YH3等。 3）其它刀具材料
（1）.陶瓷刀具材料 （硬、脆、价格低）
主要有两大类，即氧化铝（Al2O3）基陶瓷材料和氮化硅（Si3N4）基陶瓷材料。 陶瓷刀具有很高的硬度（HRA91～95）和耐磨性、耐热性高，在1200℃时仍保持HRA80；化学稳定性好，与钢不易亲和，抗粘结、抗扩散能力较强；具有较低的摩擦系数。加工表面粗糙度较小。但抗弯强度低、韧度差，抗冲击性能差。
主要用于高速精加工和半精加工冷硬铸铁、淬硬钢等。
缺点:性脆、抗冲击韧性差、抗弯强度低。
（2）.金刚石（最硬、耐磨性好，耐热性较差 800℃）
金刚石分天然和人选两种，都是碳的同素异形体。天然金刚石由于价格昂贵用得很少。人造金刚石是在高温高压下由石墨转化而成的，其硬度接近于10000HV，故可用于高速精加工有色金属及硬合金、加工陶瓷、非金属硬脆材料。它不适合加工铁族材料，因为高温时极易氧化、碳化，与铁发生化学反应，刀具极易损坏。目前主要用作磨牙具和磨料。
（3）立方氮化硼
立方氮化硼CBN是由六方BN（hBN）在合成金刚石的相同条件下加入氮化剂转变而成。其硬度高达8000～9000HV，耐磨性好，耐热性好，高达1400℃。主要用于对淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金进行半精加工和精加工。 5）刀具材料的发展
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刀具材料的表面涂覆层
在高速钢、硬质合金等材料制成的刀具上，在高温真空中以化学气体涂覆法使其沉积极薄（5～12μm）的一层高硬度、耐磨和难熔的金属碳化钛（TiC）、氮化钛（TiN），涂层呈金黄色。
涂层固有的硬度高（HRC80），摩擦系数低，使刀具的摩损显著降低，涂层还具有抗氧化能力和抗粘结性能好的特点。切削速度可提高30%～50%，刀具总寿命可提高数倍至十倍。
具有涂覆层的刀具材料目前有两种：
1. 涂层高速钢 耐磨性显著提高，主要用于钻头、丝锥、成形铰刀、齿轮加工刀具等。 2. 涂层硬质合金 常涂在韧性较好的钨钴类硬质合金刀片表面，广泛用于不可转位片。 新型硬质合金简介
1. 调整化学成份，提高综合性能
添加TaC、 NbC；添加稀土元素；TiC(N)基，高速钢基等 2. 涂层硬质合金（可转位刀片）
TiC涂层、 TiN涂层、复合涂层、陶瓷涂层 3. 细晶粒和超细晶粒硬质合金 陶瓷材料
陶瓷刀具具有高硬度(硬度HRA91～95)、高强度(抗弯强度为750～1000MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、良好的抗赫结性能、摩擦系数低且价格低廉等特点。使用正常时，耐用度极高，车速可比硬质合金提高2～5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可加工硬度HRC62的各类淬硬钢和硬化铸铁。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山特维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1μm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。清华大学研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也达到了国际先进水平。 CBN
CBN的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷刀具相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(HRC50以上)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度甚至可提高一个数量级。 CBN含量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合PCBN刀具中CBN颗粒含量较低，采用陶瓷作豁结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的缺点，适用淬硬钢的切削加工。
在切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域，陶瓷刀具和CBN刀具是可供同时选择的，因此进行成本效益和加工质量分析是非常必要的，以确定哪一种材料更经济。通过分析在切削硬度低于HRC60以下和小进给量情况下的工件，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适合于工件硬度高于HRC60情况，尤其是对于自动化加工和高精度加工时更为重要。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，PCBN刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定。
使用PCBN刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低PCBN刀具的磨损，此外在小切深时还应考虑采用PCBN刀具，导热性差而使切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的
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金属软化效应，减小切削刃的磨损。 刀片结构及几何参数确定
刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度，各种刀片形状的刀尖强度从高往低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半径刀片粗加工，精加工时的刀尖半径为0.8～1.2μm。
淬硬钢切屑为红而酥软的锻带状，脆性大、易折断、不勃结，一般在切削表面不产生积屑瘤，加工的表面质量高，但淬硬钢切削力比较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以刀具宜采用负前角(g0≥-5°)和较大的后角(a0=10～15°)，主偏角取决于机床刚性，一般取45～60°，以减少工件和刀具颤振。
复习小结
刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，还要求有相应的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质合金。 二、刀具材料应具备的性能
（一）高的硬度和良好的耐磨性；（二）高的强度和韧性；（三）高的耐热性；（四）良好的工艺性
总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预测性等要求。
三、常用刀具材料
目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。 一）碳素工具钢
碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.65～1.35%）。 1、常用牌号有 T7A、T8A……T13A等
2、主要性能 淬火后硬度较高，可达HRC61～65；红硬性为200℃～250℃，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度VC≤10m/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。 二）合金工具钢
在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。 1、主要牌号有9SiCr CrWMn 2、主要性能 淬火后的硬度可达HRC61～65，红硬性为300℃～400℃，允许切削速度Vc=10～15m/min,制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。 三）高速钢
高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有W、Mo、Cr、V等合金元素。
(一) 高速钢的性能：具有较高的强度和韧性；良好的耐磨性；红硬性为600℃；允许切削速度VC=25~30m/min；良好的制造工艺性；可获得锋利的刀刃（锋钢之称）；加工范围较大(铸铁、有色金属、钢)。
（二）高速钢的分类
钨系高速钢：W18Cr4V (最常用，刃磨性好)
普通高速钢
钼系高速钢：W6MO5Cr4V2
高速钢 高碳高速钢：95W18Cr4V (含C量为0.95%) 高钒高速钢：W6MO5Cr4V3 (提高耐磨性)
高性能高速钢 钴高速钢：W6MO5Cr4V2CO8
铝高速钢：W6MO5Cr4V2Al
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