制造工艺装备课件.ppt
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1、第一讲刀具材料及切削机理,一、刀具材料 金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外,还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。在金属切削加工中,刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量,刀具消耗和加工成本。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一,特别是对某些难加工材料的切削来讲刀具材料的选用显得尤为重要。,(一)刀具材料应具备的基本性能,刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此,刀具材料应具备以下基本性能。,1.硬度高 硬度是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力。刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度,一般高于一倍至几倍,否则在高温高压下
2、,就不能保持刀具锋利的几何形状。目前,切削性能最差的刀具材料碳素工具钢,其硬度在室温条件下也应在62HRC以上;高速钢的硬度为6370HRC。,刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力。例如,车削45钢时,当ap=4mm,f=0.5mm/r时,刀片要承受约4000N的切削力。因此,刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的抗弯强度b(单位为PaNm。)表示它的强度大小。用冲击韧度k(单位为Jm。)表示其韧性的大小,它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。,2.足够的强度和韧性,刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说,刀具材料硬度越高,耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐热性
3、有着密切的关系。其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量,或叫热硬性。高温硬度越高,表示耐热性越好,刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。耐热性差的刀具材料,由于高温下硬度显著下降而会很快磨损乃至发生塑性变形,丧失其切削能力。,3.耐磨性和耐热性好,刀具材料的导热性用热导率单位为w(mK)来表示。热导率大,表示导热性好,切削时产生的热量容易传导出去,从而降低切削部分的温度,减轻刀具磨损。此外,导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热裂的性能增强,这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削,特别在加工导热性能差的工件时尤为重要。,4.导热性好,为了便于制造、要求刀具材料有
4、较好的可加工性,如热塑性(锻压成形)、焊接工艺性、切削加工性和热处理工艺性等。,5.工艺性好,6.经济性好,经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一,也是正确选用刀具材料、降低产品成本的主要依据之一。,(二)刀具材料的分类,刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料五大类。其主要力学物理性能见表2-1。但目前应用最多的是高速钢和硬质合金。据统计,我国目前高速钢用量约占刀具的60以上,硬质合金的用量约占30以上,随着难加工材料应用的增加,陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增长。,返回,1.碳素工具钢,碳素工具钢是含碳量较高的优质钢(含碳量为0.71.2。如T10A等),淬火后硬度较高、
5、价廉,但耐热性较差(表22)。1)常用牌号:T7A、T8AT13A等。2)主要性能:淬火后硬度较高,可达HRC6165;红硬性为200250,不耐高温;价格低廉,切削速度因此而不能提高,允许切削速度 VC10m/min。3)应用:只能制作低速手用刀具,如板牙、锯条、锉等。,2.合金工具钢 在碳素工具钢中加入少量的Cr、w、Mn、Si等元素,形成合金工具钢(如9SiCr等),可适当减少热处理变形和提高耐热性(表22)。1)主要牌号:9SiCr CrWMn 2)主要性能:淬火后的硬度可达HRC6165;红硬性为300400;允许切削速度Vc=1015m/min;3)应用:制作低速、形状比较复杂、要
6、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。,2-2,3.高速钢,高速钢是一种含钨(w)、钼(Mo)、铬(cr)、钒(V)等合金元素较多的合金工具钢。1)组成:以重量计:碳的质量分数为0.7%15;铬的质量分数约为4%;钨的质量分数和钼的质量分数为1020%;钒的质量分数为15。由于合金元素与碳化合形成较多的高硬度碳化物,如碳化钒,硬度高达2800HV,且晶粒细小,分布均匀。而且合金元素和碳原子结合力很强,提高了马氏体受热时的稳定性。,2)高速钢的特点(1)高速钢具有较高的硬度(热处理硬度可达HRC62 67)和耐热性(切削温度可达550600C),与碳素工具钢和合金工具钢相
7、比切削速度可提高1 3倍,故得名“高速钢”,提高耐用度10 40倍。铬在钢中提高了淬透性,使小型刀具在空气中冷却就能淬硬,且能刃磨得锋利,故高速钢又有“风钢”或“锋钢”之称。可加工包括有色金属、高温合金在内的范围广泛的材料。,(2)高速钢具有高的强度(抗弯强度为一般硬质合金的23倍,为陶瓷的56倍)和韧性,抗冲击振动的能力较强,适宜制造各类刀具。,(3)高速钢刀具制造工艺简单,能锻造,容易磨出锋利的刀刃,因此在复杂刀具(钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)的制造中,高速钢占有重要的地位。,3)高速钢分类:(1)按用途不同,可分为通用型高速钢和高性能高速钢;(2)按制造工艺方法不同,可分为熔
8、炼高速钢和粉末冶金高速钢。,通用型高速钢,钨系高速钢,钨钼系高速钢,4)钨系高速钢,其代表是W18Cr4V(简称w18)是我国最常用的一种高速钢。由于含钒量较少,磨削性能好,其刃口容易磨得锋利平直,综合性能好,通用性强。常温硬度可达6366HRC,在600高温时能保持的硬度48.5HRC左右。特别是热处理工艺性好,淬火时过热倾向小,抵抗塑性变形能力强。可用于精加工的复杂刀具,如螺纹车刀,成形车刀,宽刃精刨刀、拉刀、齿轮刀具等。,键槽铣刀 立铣刀,三面刃铣刀 角度铣刀 锯片铣刀,圆柱铣刀 端铣刀 硬质合金铣刀,盘形齿轮铣刀几何参数,齿轮滚刀的工作原理,阿基米德齿轮滚刀的几何参数,套装式,端面键式
9、,带柄式,插齿刀工作原理,盘形剃齿刀工作原理,W18钢的缺点是碳化物分布常不均匀,剩余碳化物颗粒较大。如锻造不均,则会影响薄刃刀具的寿命、制造较大截面刀具时,强度显得不够(抗弯强度仅为22.3GPa),只有在制造小截面刀具时,才获得满意的强度(33.4GPa)。此外,W18钢热塑性较差,不适合作热轧刀具。,5)钨钼系高速钢,W6M05Cr4V2(简称M2)是我国常用的典型钨钼系高速钢种。用1%的钼可代替2的钨,钼的加入使钢中合金元素减少,从而减小了碳化物数量及其分布的不均匀性,细化了晶粒。与W18钢相比,M2钢抗弯强度提高约17,冲击韧度提高约40%以上,而且大截面刀具也具有同样的强度和韧性,
10、可用于制造截面较大的刀具,或承受较大冲击力的刀具(如插齿刀)以及结构较薄弱的刀具(如麻花钻、丝锥等)。,M2钢的热塑性很好,磨削加工性能好,特别适用于制造轧制或扭制钻头等热成形刀具,是目前各国使用较多的一种高速钢。M2钢的缺点是热硬性和高温硬度略低于W18钢,故高温切削性能稍逊。此外,热处理时脱碳倾向大,较易氧化,淬火温度范围较窄。,高性能高速钢是在普通高速钢的基础上,用调整其基本化学成分和添加一些其他合金元素(如钒、钴、铅、硅、铌等)的办法,着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的。主要用来加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料,这类高速钢的不同牌号只有在各自的规定切削条件下
11、使用才能达到良好的切削性能。,6)高性能高速钢,(1)常用牌号:高碳高速钢:9W18Cr4V(9W18),9W6Mo5Cr4V2(CM2)。其碳的质量分数从普通高速钢的0.70.8增加到0.9l.0%,使常温硬度提高到6668HRC,600c时高温硬度提高到5152HRC。适用于耐磨性要求高的铰刀、锪钻,丝锥以及加工较硬材料(220250HBS)的刀具。,(2)含铝高速钢 铝高速钢W6M05cr4V2A1(简称501)和W10M04Cr4V3Al(简称5F一6)是我国独创的新钢种,这种钢常温硬度为6769HRC,600C高温时硬度为5455HRc,切削性能相当于钴高速钢M42,刀具寿命比W18
12、cr4V显著提高(至少12倍),而价格却相差不多,用这种钢做的齿轮滚刀允许l 67ms的切削速度。,(3)钴高速钢M42(W2MO9Cr4VCO8)和W10MO4Cr4V3CO10 高速钢中加入钴可提高钢的热稳定性,促进回火时碳化物的析出,增加弥散硬化效果,提高回火硬度。从而提高常温和高温硬度及抗氧化能力。由于钴的热导率较高,加入钴可以改善高速钢的导热性,并降低摩擦因数,从而提高切削速度。,(4)高钒高速钢 W6Mo5Cr4V3、W12Cr4V4Mo 高钒高速钢质量分数在35,由于形成大量高硬度耐磨的碳化钒弥散在钢中,提高了高速钢的耐磨性,且能细化晶粒和降低钢的过热敏感性。,7)粉末冶金高速钢
13、,是20世纪70年代开发的新型刀具材料,其工艺方法是用高压惰性气体(氩气或氮气)或高压雾化高速钢得到细小的高速钢粉末,再经热压制成刀具毛坯。,与熔炼高速钢相比具有以下优点:,(1)能解决碳化物偏析 普通熔炼高速钢在铸锭时会产生粗大碳化物共晶偏析,碳化物晶粒尺寸大到8020m。而粉末冶金高速钢碳化物晶粒为25 m,且无碳化物偏析,从而提高了钢的强度、韧性和硬度,其硬度可达6 970HRC。,(2)能保证各向同性 由于粉末冶金的工艺特点,保证了粉末冶金高速钢的各向同性,从而减小了热处理内应力和变形,适合制造各种精密和复杂刀具。,(3)磨削加工性好 钒的质量分数5的粉末冶金高速钢的磨削加工性,相当于
14、钒的质量分数为2的普通高速钢。磨削效率比熔炼高速钢高23倍,表面粗糙度值显著减小。,(4)能制造超硬高速钢 粉末冶金高速钢新工艺,为在现有高速钢中加入高碳化物(TiC和NbC)和制造超硬高速钢新材料提供了可能性。,(5)能节约钢材和工时 用粉末冶金直接压制刀坯时,可大大减小加工余量、节约钢材和工时。,3.硬质合金,硬质台金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC,碳化铌NbC等)与金属粘结剂(钴、镍、钼等)在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬度为HRA8 993,能耐8501000的高温,具有良好的耐磨性,允许使用的切削速度可达100300mmin,可加工包括淬
15、硬钢在内的多种材料,因此获得广泛应用。但是,硬质台金的抗弯强度低,冲击韧性差,刃口不锋利,较难加工,不易做成形状较复杂的整体刀具,因此目前还不能完全取代高速钢。常 用的硬质台金有钨钴类(YG类)、钨钛钴类(YT类)和通用硬质合金(YW类)三类。,硬质合金牌号的表示方法,Y,G6,X,硬的汉语拼音第一个字母,G6钨钴类合金及钴含量.T15钨钴钛类合金及TiC含量.W钨钴钛T钽类合金。N钨钛镍钼合金,附加字母分别表示X细晶粒C粗晶粒N加铌元素A加钽元素,1)钨钴类(YG),YG类硬质合金主要由碳化钨(WC)和钴(Co)组成,常用的牌号有YG3、YG6、YG8等。YG类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较
16、好,不易崩刃,很适宜切削切屑呈崩碎状的铸铁等脆性材料。YG类硬质合金的刃磨性较好,刃口可以磨得较锋利,故切削有色金属等合金的效果也较好。由于YG类硬质合金的耐热性和耐磨性较差,因此一般不用于普通钢材的切削加工。但它的韧性好,导热系数较大,可以用来加工不锈钢和高温合金钢等难加工材料。,2)钨钛钴类(YT类),YT类硬质合金主要由碳化钨、碳化钛和钴组成,常用的牌号有YT5、YTl5、YT30等。它里面加入了碳化钛后,增加了硬质合金的硬度、耐热性、抗粘接性和抗氧化能力。但由于YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差,故主要用于切削切屑一般呈带状的普通碳钢及合金钢等塑性材料。,3)通用硬质台金(YW类)
17、,钨钛钽(铌)钴类硬质合金(YW类)它是在普通硬质合金中加入了少量的稀有高熔点金属碳化钽(TaC)或碳化铌(NbC),能阻止WC晶粒在烧结过程中长大,起到细化晶粒的作用。从而提高了硬质合金的韧性和耐热性,使其具有较好的综合切削性能。YW硬质合金主要用于不锈钢、耐热钢、高锰钢的加工,也适用于普通碳钢和铸铁的加工,因此被称为通用型硬质合金,常用的牌号有YWl、YW2等。,不同硬质合金牌号的性能和应用范围见表2 3。,2-3,TiC62%,涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上,采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的工艺方法,涂覆一薄层(约512um)高硬度、耐磨性高、难熔金
18、属化合物(TlC、TiN、AL2O3等)而获得的。这样,可使刀片既保持了普通硬质合金基体的强度和韧性,又使表面有更高的硬度(可达1 5003000HV)和耐磨性。更小的摩擦因数和高的耐热性(达8001200)。实践证明,涂层刀片在高速切削钢件和铸铁时能获得良好效果,比未涂层刀片的刀具寿命提高13倍,高者可达510倍。此外,涂层刀片通用性好,一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片使用,大大简化了刀具管理和降低了刀具成本,获得较好的经济效益。,4.涂层刀具和其他刀具材料1)涂层刀具,碳化钛的硬度比氮化钛高,抗磨损性能好,对于会产生剧烈磨损的刀具,碳化钛涂层较好。氮化钛与金属的亲和力小,润滑性能好,在容易
19、产生粘结的条件下,氮化钛涂层较好。在高速切削产生大量热量的场合,以采用氧化铝涂层为好,因为氧化铝在高温下有良好的热稳定性能。,由表2-3可以看出,由于碳化物的硬度和熔点比粘接剂高得多,因此在硬质合金中,如果碳化物所占比例大,则硬质合金的硬度就高,耐磨性也好;反之,若钴、镍等金属粘结剂的含量多,则硬质合金的硬度降低,而抗弯强度和冲击韧性就有所提高。硬质合金的性能还与其晶粒大小有关。当粘结剂的含量一定时,碳化物的晶粒越细,则硬质合金的硬度越高,而抗弯强度和冲击韧性降低;反之,则硬质合金的硬度降低,而抗弯强度和冲击韧性就会有所提高。,陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3。、Si3N4
20、等氧化物、氮化物,再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂,经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。硬度可达到HRA9195,在1200的切削温度下仍可保持HRA80的硬度。另外,它的化学惰性大,摩擦系数小,耐磨性好,加工钢件时的寿命为硬质合金的101 2倍。最大缺点是脆性大,抗弯强度和冲击韧性低。因此它主要用于半精加工和精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷,复合氧化铝陶瓷以及复合氧化硅陶瓷等。,2)陶瓷材料,3)超硬材料,(1)人造金刚石 金刚石是碳的同素异构体,分天然金刚石和人造金刚石两种。人造金刚石是在高温(约2000C)、高压(59GPa)和金属触媒
21、作用的条件下,由石墨转化而成的。金刚石刀具的性能特点是:,有极高的硬度和耐磨性 人造金刚石的硬度高达10000HV,比硬质合金的硬度(13001800HV)和陶瓷的硬度高几倍,是世界已发现的最硬材料。人造金刚石的耐磨性为硬质合金的6080倍。,有锋利的切削刃 人造金刚石的切削刃钝圆半径很小,能进行超精密微量切削,使已加工表面冷硬层很小,尺寸精度和几何形状精度可达到31m,表面粗糙度值可达到Ra0.020.06 m),可实现镜面加工。,有很高的导热性 人造金刚石有较低的线膨胀系数和摩擦系数。其热导率约为硬质台金的27倍,陶瓷的736倍,而热膨胀系数只有硬质台金的1/1l和陶瓷的18。固此,切削热
22、变形小,尺寸精度稳定。,耐热性较差 人造金刚石的温度超过800C时就会碳化而失去切削能力;且与铁有较强的化学亲和力。高温时金刚石中的碳元素会很快扩散到铁中去,而使刃口“破裂”。因此,金刚石刀具一般不适于加工铁系金属。,强度很低 人造金刚石脆性大,抗冲击能力差,对振动很敏感,要求机床精度高、平稳性好,且只适于切削层面积不大的精细加工。,使用场合:人造金刚石主要用于制作磨具和磨料,用作刀具材料时,多用于在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料。尤其是用它切削加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料时,具有很大的优越性。,金刚石砂轮,激光金刚石切割片,(2)立方氮化硼(CB
23、N)立方氮化硼是由六方氮化硼(俗称白石墨)在高温高压下加入催化剂转变而成的。它是70年代才发展起来的一种新型刀具材料,其特点:硬度很高 可达到HV80009000,热稳定性好 立方氮化硼具有比金刚石更好的热稳定性,其耐热性可达13001400C,其高温硬度高于陶瓷刀具。当温度高达1370 C以上时,才开始由立方晶体转变为六方晶体而软化。因此,CBN适合在高速下加工高温合金。,化学稳定性好 立方氮化硼具有比金刚石更好的化学惰性,在1000 C以下时,不发生氧化现象,与铁系金属在12001300 C时也不易起化学反应。因此,在高速下切削淬火钢,冷硬铸铁时其粘接和扩散磨损较小,但在高温时(1000以
24、上)易与水产生化学反应,有较高的热导率和较小的摩擦系数 立方氮化硼的热导率比金刚石低(约为金刚石的12)但远高于陶瓷刀具,且热导率随温度的升高而增加。这一性能对降低刀尖处的温度大有好处,并且摩擦系数小。,强度及韧性较差 立方氮化硼的抗弯强度约为陶瓷刀具的1512,一般只用于精加工,根据CBN的性能特点,它最适于加工高硬度淬火钢、高温合金等。特别在精镗小直径孔时(635mm),公差等级可达IT6级,表面粗糙度值小于Ra0.2m。CBN一般不适合加工塑性大的钢铁金属和镍基合金,也不适合加工铝合金及铜合金,因容易产生严重的积屑瘤,使已加工表面质量恶化。由于CBN脆性大,不宜低速切削,通常采用负前角高
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