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金属切学原理与刀具【内容提要】本章主要介绍本课程的基本内容、性质、特点和学习本课程的基本要求。【目的要求】1、明确本课程的基本内容和性质；2、了解本课程的特点；3、掌握学习本课程的基本要求。【本章内容】一、本课程的内容《金属切学原理与刀具》这门课，原理讨论的是金属切削加工过程中的主要物理现象的变化规律，以及对规律的控制及应用；刀具是要我们学习常用金属切削刀具的选择、使用以及常用非标准刀具的设计，如成形车刀、成形铣刀和拉刀等。二、本课程的性质根据所学专业的教学计划基本课程的教学大纲的规定，本课程是一门专业基础课，为培养与机制方面有关的应用型人才服务，为本专业的其他专业课如《金属切削机床》、《机械制造工艺学》及《机械加工技术》等提供必要的基础知识。我国自1949年以来各高等工科院校相继进行了金属切削原理与刀具方面的科学研究。可见在工科院校与机制有关的专业中本课程占有重要的地位，因此一直列为考试课，在我校的数控、机制、机电等专业自然也是考试课。三、本课程的特点（1）涉及知识面广本课程是一门专业课。在学习这门专业课之前，应先掌握《画法几何》、《机械制图》、《金属工艺学》、《机械设计》等基本理论及《公差配合与技术测量》等基础知识。（2）实验理论多许多公式都是在不同的实验条件下得出的。如切削力的实验指数公式和单位切削力公式，虽都是计算切削力，但实验条件不同，则得出的结论也不同。因此说专业课中没有绝对的理论，或许有些还要做近似处理。（3）实践性强学习理论就是为实践服务，但经过实践又可以提高理论水平。如果学习了不会用，那就是“纸上谈兵”，因此，一定要做到理论与实践相结合。四、学习本课程的要求1、具有正确图示和选择刀具合理几何参数的能力。2、基本掌握切削过程中的主要物理现象的变化规律和应用及控制方法，具有解决实际生产问题的能力。3、具有根据具体要求选择使用常用刀具，以及设计一般非标准刀具的能力。4、要求课上认真听讲，抓住重点，做好笔记，课下复习，辅导与自学相结合。第一章刀具材料【内容提要】本章主要介绍刀具材料应具备的性能，以及常用刀具材料中高速钢和硬质合金材料的特性及应用场合；简单介绍了其他刀具材料的性能及应用。【目的要求】1、明确刀具材料应具备的性能；2、掌握常用刀具材料中高速钢和硬质合金的性能及应用场合；会根据具体加工工艺情况选择不同牌号的刀具材料。3、了解其他刀具材料的性能。【本章内容】概述刀具材料是指刀具上参与切削的那部分材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，而且还要求有相应的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料由高速钢和硬质合金。随着生产率的不断提高和难加工材料的日益广泛应用，超硬刀具材料也不断涌现如陶瓷、立方氮化硼以及金刚石（人造）等。时间刀具材料切削速度1900年以前碳工钢低1900年左右高速钢提高六倍在以后的相继几十年里，据统计，每十年切削速度能提高一倍，耐用度可提高两倍。高速钢一般允许切削速度为25～30m/min；硬质合金允许的切削速度为100m/min.要提高切削加工的生产率，就需要提高切削速度和刀具耐用度，那末就要求提供切削性能更好的刀具材料，以便进一步提高切削加工生产率及加工质量。由于切削过程中会产生切削抗力、切削热、冲击和振动，那么刀具材料具有哪些性能才能满足要求呢?§1-1刀具材料应具备的性能一、硬度和耐磨性刀具材料的硬度一定要大于工件材料的硬度，一般常温硬度超过60HRC以上。高速钢在63～66HRC以上，硬质合金在74～81.5HRC左右，人造金刚石10000HV。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。因为均匀分布的细化碳化物数量越多，颗粒越小，耐磨性就越高。二、强度和韧性在切削过程中，刀具承受很大的压力，只有抗弯强度好，切削用量才不会发生变化。粗加工余量不均，切削力发生变化，对刀具有冲击和震动，如果韧性不好，常会出现崩刃或折断。硬度和韧性是一对不可解决的矛盾，如高速钢的韧性好，而硬质合金的硬度高，在下一节中我们会讲到。三、耐热性耐热性是指在高温下刀具材料保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。用红硬性表示。高温下硬度越高，则红硬性越好。碳素工具钢的红硬性200～250℃，高速钢不超过650℃，硬质合金约800～1000℃。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，这里不作为讲述内容。§1-2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T7A、T8A……T13A其中T碳，A高级优质碳素工具钢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；优点：易刃磨，可获得锋利的刀刃。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9SiCr：9表示平均含C量为0.90%，Si、Cr平均含量均小于1.5%；CrWMn：平均含C量大于1.0%，Cr、W、Mn平均含量均小于1.5%。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，这些合金元素的含量较高，主要改变以往工具钢的性能。(一)高速钢的性能：1、具有高的强度和韧性；2、良好的耐磨性，63～66HRC(加入V元素的作用)；3、红硬性为600℃（加入W元素的作用）；4、允许切削速度Vc=25～30m/min；高速钢经过适当热处理，可获得良好的切削性能。用高速钢制成的刀具，在切削时显得比一般低合金工具钢刀具更加锋利，因此又俗称锋钢。高速钢区别于其他一般工具钢的主要特性是它具有良好的热硬性（红硬性），当切削温度高达600℃左右时硬度仍无明显下降，能以比合金工具钢更高的切削速度进行切削，高速钢由此而得名。5、具有良好的制造工艺性；高速钢能锻造，易刃磨，能制造形状复杂的及大型成形刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具、整体铣刀盘等都用高速钢。高速钢的焊接、韧性、热处理性能好。6、可获得锋利的刀刃（锋钢之称）；7、加工范围较大：铸铁、有色金属、钢（指正火状态下，淬火状态不能加工）（二）高速钢的分类高速钢按用途来分可分为普通高速钢和高性能高速钢。1、普通高速钢：工艺性好，可满足一般工程材料的切削加工。又可分为2、高性能高速钢通过调整基本化学成分和添加其他合金元素，，使其性能比普通高速钢提高一步，可用于切削高强度钢，高温合金、钛合金等难加工材料。分类：四、硬质合金指有高硬度、高熔点的碳化物，用金属粘结剂，经过高压成形，在500℃的高温下烧结而成的材料为硬质合金。组成：硬质相（TiC或WC）+粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）（一）主要性能1、常温硬度74～81.5HRC，红硬性为800℃～1000℃，耐磨性优良。2、允许切削速度Vc=100m/min以上，最高不能超过200m/min.硬质合金刀具的切削速度比高速钢提高4～7倍，刀具寿命可提高5～80倍。有的金属材料如奥氏体耐热钢和不锈钢等用高速钢无法切削加工，若用含WC的硬质合金就可以切削加工，硬质合金还可加工硬度在HRC50左右的硬质材料。3、脆性较大，怕冲击和振动。容易出现崩刃，因此注意加工条件。4、制造工艺性差。由于硬度太高，不能进行机械加工，因而硬质合金经常制成一定规格的刀片，焊在刀体上使用。如硬质合金端铣刀（非整体式的）5、加工范围较广。脆性材料、钢材、有色金属等均可加工。（二）分类硬质合金分为1、钨钴钛类硬质合金YG（1）组成：WC+Co（2）常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）当Co的含量较多时，WC的含量较小时，则硬度较低，韧性和强度提高，硬度下降，耐磨性降低；反之，韧性和强度下降，硬度提高，耐磨性、耐热性提高。（3）应用：YG3（精加工）YG6（半精加工）YG8（粗加工）Co的含量↑韧性↑强度↑HRC↓耐磨性↓Co的含量↓韧性↓强度↓HRC↑耐磨性↑脆性↑主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640℃时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。为了适应各种加工情况的需要，在含Co量相同的情况下，按WC粉末的不同粒度分为粗晶粒（YG3C）、细晶粒（YG3X）、中间晶粒（YG3）。一般硬质合金为中间晶粒。2、钨钴钛类硬质合金（YT）（1）组成：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）（2）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）（3）应用：YT5（粗加工）YT14、YT15（半精加工）YT30（精加工）TiC含量↑硬度↑耐磨性↑脆性↑韧性↓TiC含量↓硬度↓耐磨性↓脆性↓韧性↑主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。3、添加稀有金属硬质合金钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW），是在钨钴钛类硬质合金（YT）中加入TaC(NbC),可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。4、碳化钛基硬质合金（YN）这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加工。（三）涂层硬质合金的选用涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为5～12μm的涂层材料以提高刀具的抗磨损能力。涂层材料为TiC、TiN、Al2O3等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工。§1-2其他刀具材料1、陶瓷材料主要是以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等为主要成分，经压制成型后烧结而成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工中。但由于其强度低，韧性差，长期以来主要用于精加工。近几年来采用先进的工艺，使其抗弯强度、抗冲击性能有很大的提高，应用范围在日益扩大。除适于一般的精加工和半精加工外，还可用于冲击负荷下的粗加工。陶瓷刀具和传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：1）可加工硬度高达HRC65的高硬度难加工材料；2）可用于扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削；3）耐用度提高几倍至几十倍；4）切削效率提高3～10倍，可实现以车、铣代磨。2、立方氮化硼它是70年代才发展起来的一种人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。其硬度很高，可达8000～9000HV,仅次于金刚石，并具有很好的热稳定性，可承受1000℃以上的切削温度，它的最大的优点是在高温1200℃～1300℃时也不会与铁族金属起反应。因此既能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。3、金刚石分为人造和天然两种，是目前已知最硬的，硬度约为HV10000,故其耐磨性好，不足之处是抗弯强度和韧性差，对铁的亲和作用大，故金刚石刀具不能加工黑色金属，在800℃时，金刚石中的碳与铁族金属发生扩散反应，刀具急剧磨损。金刚石价格昂贵，刃磨困难，应用较少。主要用作磨具及磨料，有时用于修整砂轮。