金属切削原理及刀具材料分类,重庆力劲 王力伟,培训资料,一、金属切削原理,、基本概念 、刀具种类 、金属切削的变形过程,一、金属切削原理,、基本概念 、三类切削：车、铣、钻 、三大要素：切削速度c、进给量f、切深ap 、三种参考系：正交平面、法平面、背平面 、三个角度：前角、后角、刃倾角,一、金属切削原理,、刀具种类,一、金属切削原理,、刀具种类 、车削系列 、铣削系列 、钻削系列,车削主要公式,切削速度V,进给量f,V = 切削速度 (m/min) D = 工件直径 (mm) N = 回转速度 (rpm) = 圆周率 (3.14) f = 每转进给量 (mm/rev) F = 每分钟进给量 (mm/min),一、金属切削原理,、金属切削的变形过程,金属切削层的变形可用金属切削过程中的滑移线和流线示意图来表示。流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹，可大致划分为三个变形区：,1、第一变形区，从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成（剪切滑移面）。这一变形决定了切削的进行，使被切削工件的切削层转变成切屑 。 2、第二变形区：切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的切屑底层金属纤维化，基本上和前刀面相平行，这个区域的切屑与前刀面的接触状况，对摩擦力、切削力有较大的影响，同时也决定切屑卷曲，流向、折断方式，因此是设计三维槽型的核心部分。 3、第三变形区：已加工表面受到切削刃钝化圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形回弹，造成纤维与加工硬化。 这个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件本体材料与离，变成切屑。,一、金属切削原理,、切削力及检测,车削系列,铣削系列,钻削系列,二.刀具材料的介绍,目前在市场激烈竞争的严峻形势面前，高的生产效率、高质量、低成本已成为现代机械制造业角逐的总目标。与之相适应的工具材料要求具有高效、耐久、可靠和经济的特点，尤其是在自动化生产中更为突出。因此，超硬工具材料将越来越显示出其优越性。,2.1刀具材料的发展简史,从人类使用工具开始，便开始了人类发展的历史。在远古时代所谓的切削是指“去除加工”，以石头为工具。随后发展了铁制工具。 现代的切削工具材料经历了从碳素工具钢到高速工具、硬质合金、陶瓷刀具和超硬刀具材料的一百多年的发展历史。,2.2刀具材料的分类-高速钢,高速钢也称为锋钢，是在1898年由美国的F.W.泰勒和M.怀特研制的。由于其中加入了硬质的碳化钨，使之在高温条件下硬度也不降低，可以高速加工（切钢6-10m/min、切铸铁3- 10m/min）。故为高速钢。 高速钢的出现引起了切削加工的革命，大大提高了金属切削的生产率，并要求完全改变机床的结构，以适应这种新刀具材料的切削性能要求。,硬质合金,硬质合金是1925年德国人K.史律太尔发明的。1929年由德国克虏伯公司商品化推向市场。最初研制的WC-Co合金耐热性达到800 ，切削速度提高到40 m/min以上。但存在冲击强度低、性脆易破损等缺点。1931年出现了添加TIC的合金，耐热达900 ，切削速度达到220 m/min（是高速钢铁的40倍）。 硬质合金的出现与发展，进一步完成了从高速钢开始的金属切削革命。,陶瓷材料,随着现代的制造技术的发展各种新型的难加工材料在产品中大量应用,传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要,而陶瓷刀具由于其优良的切削性能和高的性/价比而受到人们的青睐。 利用陶瓷刀具加工钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢和镍基高温合金时，刀具寿命可比硬质合金长几倍、甚至十几倍。是一种公认的最有潜质的刀具材料。,陶瓷材料是未来要发展的一个重要领域。这类工具材料的主要优点是可提高加工生产率和加工质量。目前这类工具材料在日本和西欧已占工具材料总量的7%，前苏联约占5%，美国为2-5%。 陶瓷工具在高速加工以及某些难加工材料时，具有无比的优越性。例如用氧化物系陶瓷工具可顺利地加工而硬质合金显得无能为力。氮化硅系陶瓷在加工铸铁、耐热合金等时具有突出的优点。,当前陶瓷的刀具材料进展集中在提高传统刀具陶瓷材料的性能和开发新产品等方面，以期获得耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能兼优且能适应高速精密切削加工的需求。陶瓷刀具材料进入20世纪90年代以来得以迅速发展。性能得到得到很大的改进。目前已形成了氧化铝系、氮化硅系、碳化硅系等几种系列产品。,超硬刀具材料,随着现代空间技术的发展现代工程材料的使用日益繁多,如有色金属及其合金、碳化硅增强铝基复合材料、玻璃钢、碳纤维增强塑料、高密度复合纤维等。当切削上述材料时，需要更锋利更耐磨的刀具材料。另一方面，随着现代机械制造与加工工业的迅猛发展，自动机床、数控加工中心、无人加工车间的广泛应用，为了进一步提高加工精度，减少换刀时间，提高加工效率，越来越迫切要求有耐用度更高、性能更稳定的刀具材料。在这种情况下，超硬刀具迅速发展。,超硬材料的概念及种类,聚晶金刚石(Poly-Crystalline Diamond-PCD)和聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride-PCBN)统称为超硬材料。 1954年美国通用电气公司采用高温高压的方法成功地合成了人造金刚石。我国从 1961年开始设计制造超高压高温装置，1963年合成出第一颗人造金刚石，1965年投入工业生产。,超硬材料的性质-金刚石,众所周知，金刚石是目前地球上最硬的物质，莫氏硬度为10。金刚石与其他某些物质硬度对比列于表1中： 金刚石被加热到某温度所发生的状态及力学性能取决于金刚石的品质及其加热介质。表2为金刚石在不同介质条件下受热升温时所发生的状态。,表1：金刚石与某些材料的硬度,各种金刚石及其制品，所加工对象的硬度相当高，在加工过程中往往要产生大量的热。也就是说，工作环境温度往往是比较高的，有时瞬时温度会高。如果金刚石制品的使用温度超过其热稳定温度其强度就会急剧的下降。因此 ，工作温度必须控制在金刚石的热稳定温度以下。金刚石的热稳定性是评价质量、性能优劣的重要指标之一。,表2：金刚石在不同介质下受热时的状态,金刚石与金属之间的作用,金刚石与几乎所有的金属之间都有较高的界面能，因而难以实现有效的浸润与粘结。 金刚石在700以上与纯铁接触，就很容易被氧化或石墨化，被石墨化的碳原子几乎全部扩散到铁中，在它们之间可以产生比较强的结合力。,金刚石的合成,广义上讲，金刚石的合成就是用人工的方法在高温高压下使非金刚石结构的碳转变为金刚石结构的碳。,聚晶金刚石/硬质合金复合材料,人造金刚石聚晶的发展始60年代初期，1964年美国GE公司首次申请了以某些金属添加剂使金刚石之间产生结合的美国专利。1966年，英联邦De Beers公司用金属作粘结剂制成了金刚石聚晶。但一般认为，GE公司1970年公布，1972-1973年正式商品生产的Compax具有划时代的意义。自此以后，得到快速的发展。,金刚石/硬质合金复合片,金刚石/硬质合金复合片（Polycrystalline Diamond Composite PCD）是将金刚石聚晶复合 到硬质合金上的一种超硬材料，它集金刚石的高硬度与硬质合金的高强度于一体，同时具有易焊接及聚晶金刚石的特点。 人造金刚石聚晶及复合片一出现就显示出强大的生命力，这是由它的下列特点所决定的；,金刚石/硬质合金复合片的特点,金刚石晶粒呈无序排列状态，因而其性能，特别是硬度及解理面各向同性。 具有较高的强度，特别是抗冲击强度及耐磨性。 可以制成特定的形状。可以设计或预测产品的性能，赋予产品必要的特点，从而适应它的特殊用途。,金刚石/硬质合金复合片的生产,金刚石聚晶及复合片有以下几种生产方法：一种是生长法，在高温高压条件下，以石墨及触媒为原料，与完成石墨向金刚石转变的同时合成出聚晶或复合片。另一种是烧结法，它是以金刚石微粉和粘结剂为原料，在金刚石稳定区的高温高压条件下合成聚晶或复合片。,超硬材料的性质-立方氮化硼,氮化硼有三种结构：六方氮化硼（HBN），其结构类似于石墨；密排六方氮化硼（WBN），其结构类似于六方金刚石；立方氮化硼（CBN），立方晶系，类似于立方金刚石。不同的BN结构决定了它们具有不同的性质，用于切削刀具的通常是指立方氮化硼（CBN）。,立方氮化硼（CBN）的性能,一、基本性能 CBN最具特色的性质是其高的硬度及高的导热性，这与金刚石是相似的，人们常常把CBN和金刚石的性质进行比较，表3为CBN与金刚石的性质。与金刚石相比，CBN的硬度、导热系数都低，这一方面是因为B-N之间的结合具有离子性（约22%）；另一方面是由于该离子在热激发时产生稍微大的晶格自由度，提高了向HBN逆转变的温度，使CBN有较高的耐热性和大的冲击热阻。,二、CBN的稳定性 与金刚石相比，CBN的稳定性要好得多，这是由材料本身的性质所决定的。CBN的稳定性还与其它许多条件有关。甚至在高于1300 C 的温度下与铁接触仍然是稳定的。,CBN的合成,高密度的BN相（CBN）在自然界中还没有发现，它主要是靠人工合成。通常，在CBN稳定的高温高压条件下进行，也有的是在CBN亚稳定区进行。主要有触媒法、直接转化法以及气相沉积法等。,CBN/YG复合片,CBN具有一系列的优异性能，首先受到机加工界的极大关注。CBN的重要用途包括用作刀具和磨具材料。CBN刀具机加工难加工的材料效果良好，用于高精度加工硬度高（如淬火钢HRC60) 、粘性大（如镍基高温合金）、高温强度高、热传导率低的铁族金属及合金时具有如下特点：,CBN/YG复合片的特点,高的金属切削去除率； 单位消耗量小，有利于实现加工自动化； 加工表面质量高，无烧伤和裂纹，光洁度高，从而使工件耐用度提高30-50%； 与普通刀具比较，切削速度大大提高，提高了生产效率； 加工时可不用冷却液； 实际的加工成本大大降低。,PCD超硬材料刀具的应用,主要用于加工有色金属和非金属。对于铝、高硅铝合金、铜、锰、镁、铅、钛等有色金属都有很好的切削能力。广泛用于汽车、摩托车发动机的活塞、轮毂、轴瓦、连杆、光学仪器、电动机行业。是加工耐磨非金属材料如：硬纸板、木材、陶瓷、玻璃、玻璃纤维花岗岩、石墨、尼纶、强化塑料的理想刀具。,选择PCD刀具考虑的因素,加工后的表面光洁度； 尺寸精度； 刀具寿命； 生产效率； 生产总成本。,PCD刀具应用举例（1）,PCD刀具应用举例（2）,PCBN超硬材料刀具的应用,主要用于加工黑色金属。最适合于各种硬度HRC45以上的淬硬钢(碳素钢、轴承钢、模具钢、高速钢等）；珠光体灰口铸铁（钒钛铸铁）；冷硬铸铁；高温合金（镍、钴基合金）；表面喷涂及堆焊的加工。可以车代磨、干式切削，利于环境保护。,PCBN刀具应用举例（1）,PCBN刀具应用举例（2）,这些新型工具材料尽管不属于硬质合金范畴,但是这些材料具有极其优异的性能,尤其是在某些方面明显优于硬质合金并正在取代硬质合金,而且其生产方法与硬质合金极其相似,因此引起了硬质合金领域广大研究人员极大的兴趣,吸引了一些名牌大学和科研院所积极开展这方面的研究,并取得极大的成功,研究出许多优良的牌号.世界上许多硬质合金厂家都纷纷涉足于这一领域,如瑞典山特维克、美国肯纳金属、日本东芝钨、三菱金属、住友电气、德国赫尔特、维迪阿、奥地利普兰西等均研制出自己的这类产品投放市场，甚至已形成产品系列化。,谢谢!,