第二3.4_刀具材料.ppt

2 3刀具材料 第二章数控加工基本知识 青龙偃月刀 削铁如泥吹毛断刃 一 对刀具材料的必备性能 较高的硬度和耐磨性 一般要求在HRC60以上 有足够的强度和韧性 有较好的热硬性 较高的导热性 有较好的工艺性 二 常用刀具材料 2 3刀具材料 第二章数控加工基本知识 较高的经济性 刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来一次革命机床与刀具材料交替进展 成为切削技术不断向前发展的历史规律金属切削的发展史 从某种意义上说 可归结为刀具材料的发展史 第二章数控加工基本知识 2 3刀具材料 刀具种类1 刀具分类 1 按加工方式和具体用途 可分为车刀 孔加工刀具 铣刀 拉刀 螺纹刀具 齿轮刀具 自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型 2 按所用材料性质 可分为高速钢刀具 硬质合金刀具 陶瓷刀具 立方氮化硼 CBN 刀具和金刚石刀具等 3 按结构形式 可分为整体刀具 镶片刀具 机夹刀具和复合刀具等 4 按是否标准化 可分为标准刀具和非标准刀具等 为了完成切削 除了要求刀具具有合理的角度和适当的结构外 刀具的材料是切削的重要基础 在切削过程中 刀具在强切削力和高温下工作 同时与切屑和工件表面都产生剧烈的摩擦 因此工作条件极为恶劣 为使刀具具有良好的切削能力 必须选用合适的材料 刀具材料对加工质量 生产率和加工成本影响极大 2 3 1刀具材料应具备的性能 1 高的硬度和耐磨性 2 足够的强度和韧性 3 高的耐热性 4 良好的热物理性能和耐热冲击性能 5 良好的工艺性 6 良好的经济性 刀具材料应具备的性能 上述性能中有些是相互矛盾的 如硬度越高 耐磨性越好的材料的韧性和抗破损能力就越差 耐热性好的材料韧性也较差 实际工作中 应根据具体的切削对象和条件 选择最合适的刀具材料 常用的刀具材料碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 金刚石 立方氮化硼等 刀具材料的分类 工具钢 碳素工具钢 合金工具钢 高速工具钢 硬质合金 普通硬质合金 细颗粒硬质合金 微颗粒硬质合金 有钨钴类硬质合金 钨钛钴类硬质合金和钨钛钽 铌 类硬质合金 陶瓷 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 超硬材料 立方氮化硼 金刚石 1 碳素工具钢 碳素工具钢淬火后具有较高的硬度HRC 61 65 而且价格低廉 但这种材料的耐热性较差250 300 并且淬火时容易产生变形和裂纹 常用于制造手工工具和一些形状较简单的低速刀具 C 0 7 1 4 T8 T10 T10A T12等 2 合金工具钢 在碳素工具钢的基础上 加入适量的合金元素 如Cr Si W Mn等 与碳素工具钢相比 其热处理变形有所减少 耐热性也有所提高350 400 常用于制造手工工具和一些形状较简单的低速刀具 如拉刀 丝锥 扳牙 HRC 61 68 目前 生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多 碳素工具钢 如T10A T12A 合金工具钢 如9SiCr CrWMn 因耐热性差 仅用于一些手工或切削速度较低的刀具 它是一种加入较多钨 钼 铬 钒等合金元素的高合金钢 特点 热处理后硬度可达62 66HRC 抗弯强度约3 3GPa 有较高的热稳定性 耐磨性 耐热性 切削温度在500 650 C时仍能进行切削 应用 由于热处理变形小 能锻易磨 所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具 如成形车刀 铣刀 钻头 切齿刀 螺纹刀具和拉刀等 为了提高高速钢的硬度和耐磨性 常采用如下措施来提高其性能 1 在高速钢中增添新的元素 2 用粉末冶金法消除碳化物的偏析并细化晶粒 2 3 2高速钢 高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢 按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢 一 通用型高速钢 1 钨系高速钢 W18Cr4V 含W18 Cr4 V1 有较好的综合性能 在600 时其高温硬度为HRC48 5 刃磨和热处理工艺控制较方便 可以制造各种复杂刀具 2 钨钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 含W6 Mo5 Cr4 V2 碳化物分布细小 均匀 机械性能良好 抗弯强度比W18Cr4V高10 15 韧性高50 60 可做尺寸较大 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 磨加工性也好 目前各国广为应用 三 立方氮化硼 CBN 立方氮化硼 是一种人工合成的新型刀具材料 它由六方氮化硼在高温 高压下加入催化剂转化而成 特点 属于超硬材料 HV8000 9000 硬度极高但韧性极差 很高的硬度及耐磨性 热稳定性好 化学惰性大 与铁系金属在1300 时不易起化学反应 导热性好 摩擦系数低 应用 因此可胜任高温合金 冷硬铸铁 淬硬钢等多种难加工材料的半精加工和精加工 加工精度高 表面粗糙度低 可以代替磨削加工 立方氮化硼不仅用于磨具 也逐渐用于车 镗 铣 铰等 二 高性能高速钢在通用型高速钢的基础上再增加一些含碳量 含钒量及添加钴 铝等合金元素 按其耐热性 又称高热稳定性高速钢 在630 650 时仍可保持HRC60的硬度 具有更好的切削性能 耐用度较通用型高速钢高1 3 3倍 适合于加工高温合金 钛合金 超高强度钢等难加工材料 典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V 高钒高速钢W6Mo5Cr4V3 钴高速钢W6MoCr4V2Co8 超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8等 三 粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末 然后再热压锻轧制成 特点 有效地解决了一般熔炼高速钢时铸锭产生粗大碳化物共晶偏析的问题 而得到细小均匀的结晶组织 使之具有良好的机械性能 其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2 5 3倍 磨削加工性好 物理 机械性能高度各向同性 淬火变形小 耐磨性提高20 30 适用于制造精密刀具 大尺寸 滚刀 插齿刀 刀具 复杂成形刀具 拉刀等 一 硬质合金的特点硬质合金由难熔金属碳化物 如WC TiC 和金属粘结剂 如Co 经粉末冶金法制成 特点 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 还能承担切削 耐用度较高速钢高几十倍 当耐用度相同时 切削速度可提高4 10倍 强度和韧性小于高速钢 仅为0 9 1 5GPa 90 150kgf mm 工艺性差 切削时不能承受大的振动和冲击负荷 适于制造高速切削刀具 大多数车刀 端铣刀等均由硬质合金制造 2 3 3硬质合金 ISO将切削用的WC基硬质合金分为三类 P K M 1 WC Co类硬质合金 YG K类由WC和Co组成 硬度为HRA89 91 5 抗弯强度为1 1 1 5GPa 110 150kgf mm2 有粗晶粒 中晶粒 细晶粒 超细晶粒之分 一般为中晶粒组织 牌号 YG6 YG8 YG3X YG6X 其中数字是含钴量的百分数 X代表细晶粒 含钴少时硬度高 耐热 耐磨性好 但脆性增加 反之抗弯强度和冲击韧度高 特点 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 应用 较适于加工短切屑的硬 脆铸铁 有色金属和非金属材料 含钴量高的用于粗加工 2 WC TiC Co类硬质合金 YT P类除WC外 还含5 30 的TiC 硬度和耐磨性提高 但抗弯强度 特别是冲击韧性显著降低 其硬度为HRA89 15 92 5 其抗弯强度则为0 9 1 4GPa 90 140kgf mm2 牌号 有YT5 YT14 YT15 YT30等 数字为TiC的含量百分数 其相应的钴含量为10 8 6 4 TiC含量提高 Co含量降低 特点 此类合金有较高的硬度和耐磨性 特别有高的耐热性 抗粘结扩散能力和抗氧化能力好 但抗弯强度 磨削性和导热系数下降 低温脆性大 韧性差 应用 适于加工钢料 不宜用于加工不锈钢和钛合金 因YT中的钛元素和工件中的钛元素之间的亲合力会产生严重粘刀现象 在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具磨损 3 WC TiC TaC Co类硬质合金 YW M类在YT类中加入TaC NbC 可提高其抗弯强度 疲劳强度 冲击韧性 高温硬度和抗氧化能力 耐磨性等 常用的牌号有YW1和YW2 应用 既可用于加工铸铁及有色金属 也可加工钢 因而又有通用硬质合金之称 含钴量高时强度和冲击韧度高 可用于粗加工和断续切削 含钴量低 耐磨性 耐热性好 用于半精加工和精加工 4 TiC基硬质合金 YN 以TiC为主要成分用Ni和Mo作粘结剂的TiC Ni Mo合金特点 硬度高 高耐磨性 较高的耐热性和抗氧化能力 化学稳定性好 抗粘结能力强 刀具耐用度高 应用 可以加工钢和铸铁 主要用于钢连续表面的精加工和半精加工 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体或高速钢刀具基体上 涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而制成的 涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法 沉积温度在1000 左右 涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法 沉积温度在500 左右 常用的涂层材料有TiC TiN Al2O3等 涂层厚度 硬质合金为4 5 m 表层硬度可达HV2500 4200 高速钢为2 m 表层硬度可达HRC80 2 3 4涂层刀具 涂层刀具特点 优点 高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力 有低的摩擦系数 可降低切削时的切削力及切削温度 可提高刀具耐用度 提高硬质合金刀具耐用度1 3倍 高速钢刀具耐用度2 10倍 缺点 锋利性 韧性 抗剥落性 抗崩刃性差及成本昂贵的问题 1 TiC涂层 硬度高 耐磨性好 抗氧化性好 切削时能产生氧化钛膜 减小摩擦及刀具磨损 2 TiN涂层 在高温时能产生氧化膜 与铁基材料摩擦系数较小 抗粘结性能好 并能有效降低切削温度 3 TiC TiN复合涂层 第一层涂TiC 与刀具基体粘牢不易脱落 第二层涂TiN 减少表面层与工件间的摩擦 4 TiC Al203复合涂层 第一层涂TiC 与刀具基体粘牢不易脱落 第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能 目前单涂层刀片已很少应用 大多采用TiC TiN复合涂层或TiC Al2O3 TiN三复合涂层 一 陶瓷 陶瓷 以氧化铝 Al2O3 或以氮化硅 Si3N4 为基体再添加少量金属 在高温下烧结而成的一种刀具材料 特点 优点 硬度高 耐磨性 耐高温性能好 有良好的化学稳定性和抗氧化性 与金属的亲合力小 抗粘结和抗扩散能力强 缺点 是脆性大 抗弯强度低 冲击韧性差 易崩刃 所以使用范围受到限制 应用 可用于钢 铸铁类零件的车削 铣削加工 高速切削加工的精加工阶段 2 3 5其它刀具材料 二 金刚石 金刚石 碳的同素异形体 在高温 高压下由石墨转化而成 是目前人工制造出的最坚硬物质 特点 优点 硬度高 耐磨性好 刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍 切削刃口锋利 刃部表面摩擦系数较小 不易产生粘结或积屑瘤 加工冷硬现象较少 很适于精密加工 缺点 热稳定性差 切削温度不宜超过700 800 强度低 脆性大 对振动敏感 只宜微量切削 与铁有强烈的化学亲合力 不能用于加工钢铁材料 二 金刚石 C 应用 目前主要用于磨具及磨料 可用于加工硬质合金 陶瓷 高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度 高耐磨的材料 可用于加工硬质合金 陶瓷等硬度达65 70HRC的材料 也可用于加工高硬度的非金属材料 如石材 压缩木材 玻璃等 还可加工有色金属 如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工 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 加工铝合金 铜合金时 切速可达800 3800m min 1 带状切屑 2 节状切屑 一 切屑的形态 第二章数控加工基础知识 一 切削过程及切屑的种类 1 4切削过程中的物理现象 3 崩碎状切屑 带状切屑录像 4 单元切屑 较粗糙 较光洁 表面质量Ra 波动大 振动 有波动 平稳波动小 切削力 脆性材料铸铁 黄铜 中等硬度 中碳钢 塑性好 工件材料 较大 小 f ap 小 大 o 较低 高 Vc 崩碎切屑 节状切屑 带状切屑 1 4金属切削过程 二 切屑的产生 二 积屑瘤 在一定的切削速度下切削塑性材料时 常在刀具前刀面上靠近刀刃部位粘附着的一小块很硬的金属 称为积屑瘤 1 积屑瘤的形成 1 4金属切削过程 积屑瘤录像 2 积屑瘤对加工过程的影响 有利 使 0增大 使切削过程变得轻快 可代替主刀刃和前刀面进行切削 保护刀具 所以 粗加工时可以利用 1 4金属切削过程 不利 积屑瘤不稳定 易引起振动 使Ra增大 会引起ap的变化 使加工精度降低 所以 精加工时应尽量避免 三 加工硬化 定义 经切削加工后工件表面的硬度有所增加的现象称为加工硬化 产生加工硬化的原因 四 鳞刺 定义 切削塑性金属零件表面的一种鳞片状毛刺 影响 加工表面粗糙度 产生的四个阶段 抹试导裂层积刮成 一 切削力的产生及切削分力 1 切削力的构成 材料的弹性变形和塑性抗力 切屑 工件表面与刀具的摩擦力 刀具切削工件时作用在刀具或工件上的力 F弹 塑 F摩1 F摩2 二 切削力和切削功率 2 切削力的分解 将Fr沿速度方向 轴向和径向三个相互垂直的方向分解为Fc Ff Fp 1 切削力的产生及切削分力 二 切削热和切削温度 1 切削热的来源与传散 1 切削热的来源 a 切屑变形所产生的热 b 切屑与前刀面之间的摩擦 c 工件与后刀面之间的摩擦 切屑 介质 工件 刀具 50 80 1 40 10 9 3