机械制造技术基础第三章.

机械制造技术基础宋孝宗兰州理工大学机电工程学院邮箱：[e-mail]联系电话：[phone]第三章金属切削基本条件的合理选择关键知识点：刀具材料刀具几何参数刀具耐用度切削用量切削液3.1刀具材料、类型及结构的合理选择3.1刀具材料、类型及结构的合理选择3.1.1刀具材料应具备的性能切削加工时,由于变形与摩擦,刀具承受了很大的压力与很高的温度。作为刀具材料应满足以下基本要求：(1)高的硬度和耐磨性(2)足够的强度和韧性(3)高的耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。(4)良好的工艺性(5)良好的经济性3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料：工具钢、高速钢、硬质合金。工具钢因耐热性差，用于手工或切削速度较低的刀具。1)高速钢一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特性：较高的热稳定性,切削温度达500℃-650℃时仍能进行切削；较高的强度、韧性；较高的硬度和耐磨性；良好的工艺性能，易磨,可锻造。（形状复杂刀具）高速钢分类：按化学成分：钨系、钨钼系；按用途：普通高速钢、高性能高速钢；按制造工艺：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢。3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围(1)普通高速钢①钨钢典型牌号W18Cr4V(简称W18)含量：W18％、Cr4％、Vl％。特点：优点：良好的综合性能,在600℃时其高温硬度为HRC48.5；可以制造各种复杂刀具；淬火时过热倾向小;含钒量小,磨加工性好;碳化物含量高,塑性变形抗力大;缺点：碳化物分布不均匀,影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够;热塑性差,很难用作热成形方法制造的刀具(如热轧钻头)。3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围(1)普通高速钢②钨钼钢(将钨钢中的一部分钨以钼代替)典型牌号W6Mo5Cr4V2(简称M2)。含量：W6％、Mo5％、Cr4％、V2％。特点：优点：碳化物分布细小均匀；具有良好的机械性能,抗弯强度比W18高10％～15％,韧性高50％～60％，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好,更适用于制造热轧钻头等;应用广泛。缺点：磨加工性略差。2.高性能高速钢3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围高性能高速钢又称高生产率高速钢；是指在通用型高速钢中增加碳、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67～70HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3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。③、粉末冶金高速钢采用粉末冶金方法（用高压氩气雾化熔融的高速钢水，得到细小的高速钢粉末，再在热态下进行等静压处理）制得致密的钢坯，再经锻、轧等热变形而得到的高速钢型材。粉末高速钢组织均匀,晶粒细小,消除了熔铸高速钢难以避免的偏析。优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；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2～3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。3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围表2-9常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵•（1）硬质合金组成•硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。•组成：硬化相+粘结金属。•硬化相：过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽；硬度很高，熔点都在2000℃以上，有的甚至超过4000℃。•粘结金属：铁族金属，常用的是钴和镍。••硬质合金用原料粉末粒度在1～2微米之间，且纯度高。硬化相分布在粘结金属组成的网格里，形成一个牢固的整体。••硬质合金的硬度取决于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越细，则硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属决定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。2．硬质合金•硬度高（86～93HRA，相当于69～81HRC）；•热硬性好（可达900～1000℃，保持60HRC）；•耐磨性好；•硬质合金刀具比高速钢切削速度高4～7倍，刀具寿命高5～80倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高20～150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。•缺点：•硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。（2）硬质合金的性能特点3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围国际标准化组织ISO将切削用的硬质合金分为三类：(1)YG(K)类，即WC—Co类硬质合金组成：WC和Co。常用牌号：YG6、YG8、YG3X、YG6X，含钴量分别为：6％、8％、3％、6％。硬度：HRA89～91.5,抗弯强度：1.1-1.5GPa(110～150kgf/mm2)。组织结构：粗晶粒、中晶粒、细晶粒。细晶粒硬质合金在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些,但抗弯强度、韧性则低些。特点：韧性、磨削性、导热性较好,适于加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料,（铸铁、有色金属、不锈钢等。）2．硬质合金(2)YT(P)类，即WC—TiC—Co类硬质合金组成：WC和Co、还含有5%～30%的TiC。牌号：YT5、YTl4、YTl5、YT30，其中TiC的含量分别为：5%、14%、15%、30%钴含量分别为：10%、8%、6%、4%硬度：HRA91.5～92.5,抗弯强度:0.9-1.4GPa(90-140kgf/mm2)。TiC含量提高,Co含量降低,硬度和耐磨性提高,但是冲击韧性显著降低。特点：较高的硬度和耐磨性,抗粘结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降,低温脆性大,韧性差。适于高速切削钢料,不适于加工不锈钢和钛合金。3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围2．硬质合金(3)YW(M)类，即WC—TiC—TaC—Co类硬质合金组成：在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁,也可加工钢,因而又称万能硬质合金。常用的牌号：YWl和YW2。以上三类的主要成分均为WC，所以又称WC基硬质金合3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围2．硬质合金（4）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。（5）超细晶粒硬质合金由超细晶粒0.5μm的WC、金属钴Co、碳化钒VC和碳化铬Cr3C2组成，既有很高的硬度和耐磨性能，又具有很高的强度和韧性。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。3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围2．硬质合金表2-10各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度(1).陶瓷•现在国际上硬质合金产量己达20000-25000t。W、Co、Ta等金属的矿产资源正日益减少，价格上涨。•材料的熔点、硬度等主要取决于内部微观结构，即内部质点的结合方式和结合力。•有机材料靠较弱的分子结合力。•金属材料靠金属键结合，它的结合力较分子键强，但较共价键和离子键弱。•硬质合金采用金属将WC等硬质相联系起来.其性能介于金属键和共价键、离子键之间。•陶瓷材料主要是离子键和共价键结合，其结合力是比较强的正负离子间的静电引力或共用电子对。3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围3．其他刀具材料•陶瓷刀具的特点：••1、耐磨性好，可加工传统刀具难以加工的高硬材料；•2、不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；•3、与金属摩擦力小，不易粘刀，不易产生积屑瘤.可进行高速切削。所以在条件相同时，工件表而粗糙度比较低。•4、刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；•5、耐高温，红硬性好。可在1200℃下连续切削.可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果；•6、陶瓷材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，在自然界含量很丰富，用它代替硬质合金，可节约大量W、Co、Ta等重要的金属。3.1.2常用刀具材料的种类、特点及适用范围3．其他刀具材料(2)．金刚石刀具（1）分类：天然金刚石刀具；人造金刚石刀具；（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10～100倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工。（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。金刚石有天然金刚石，聚晶金刚石（PCD），人工合成单晶金刚石，金刚石涂层硬度6000～10000HV切削速度8000m/min红硬性700℃～800℃主要用于精密超精密加工领域，在汽车制造业中应用PCD刀具主要切削铝合金材料的发动机汽缸体、汽缸盖、变速箱的壳体、铝合金轮辋、阀体、槽体、侧盖等零件。金刚石车床及其加工照片加工4.5mm陶瓷球金刚石车刀刃口半径(4)立方氮化硼（CBN）是六方晶格的氮化硼在高温高压下，经触媒剂作用聚合转化成的高密度的立方晶格单晶体。特点：很高的硬度(HV8000～9000)及耐磨性；比金刚石高得多的热稳定性(1400℃)，可用来加工高温合金;化学惰性大,与铁族金属直至1300℃时也不易起化学反应,可用于加工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦系数。不仅用于磨具,也逐渐用于车、镗、铣、铰。有两种类型：整体聚晶立方氮化硼,能像硬质