金属切削原理与刀具

1. 金属切削原理与刀具 机械科 庄子梦

2. 1.1刀具材料应具备的性能和种类 Ⅰ.导入

3. 导入 • 实习生小王，在某企业做车工，某天小王接到新的生产任务，加工下图小轴（小轴材料为不锈钢1Cr13）500件。师傅因有事请假，小王可以到仓库领取以下几种类型的硬质合金刀头来加工。如果你是小王，你怎样选取合适的刀具呢？

4. 情景1 • 小王领取了YG8牌号的硬质合金刀片，发现加工工件时，刀具容易磨损，工件表面粗糙度达不到要求，加工效率很低。这是为什么呢？

5. 情景2 • 小王领取了YT15牌号的硬质合金刀片，发现加工工件时，刀具容易崩刃，通常加工十几个工件就需要重新更换刀片。这又是什么原因造成的呢？

6. 情景3 小王领取了YW1牌号的硬质合金刀片，发现加工工件时，工件既容易断屑，刀具磨损又比较合理，且不易崩刃，加工效率较高。这是为什么呢？

7. 1.1刀具材料应具备的性能和种类 Ⅱ.新课讲解

8. 一.刀具材料应具备的性能 • 性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。

9. 一.刀具材料应具备的性能 • （一）高硬度和高耐磨性 • 刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。 硬度简介

10. 一.刀具材料应具备的性能 • （二）足够的强度与冲击韧性 • 强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。 • 冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。

11. 一.刀具材料应具备的性能 • （三）高耐热性 • 耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。

12. 一.刀具材料应具备的性能 • （四）良好的工艺性和经济性 • 为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。

13. 二.刀具材料的分类 • （一）普通刀具材料 • 1．高速钢 • （1）概念： • 高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢 • （2）性质： • ①高速钢具有良好的热稳定性 • ②高速钢具有较高强度和韧性 • ③高速钢具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性 钢的分类

14. 二.刀具材料的分类 • （一）普通刀具材料 • 1．高速钢 • （3）高速钢的分类 • ①普通高速钢 • A、钨系高速钢。常用牌号：W18Cr4V • 优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。 • 缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。 • B、钨钼钢常用牌号：W9Mo3Cr4V • 优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀 • 缺点：高温切削性能和W18相比稍差。 • ②高性能高速钢 9W18Cr4V • 优点：具有较强的耐热性 • 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 • 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。 牌号的表示方法

15. 二.刀具材料的分类 • （一）普通刀具材料 • 2．硬质合金 • （1）概念： • 硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。 • （2）硬质合金的性能特点 • 硬质合金优点： • 硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好 ,热硬性好，切削速度高。 • 硬质合金缺点： • 脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，冲击韧性只有高速钢的1/4～1/35。 • 硬质合金力学性能主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。

16. 二.刀具材料的分类 • （一）普通刀具材料 • 2．硬质合金 • （3）普通硬质合金的种类、牌号及适用范围 • 按其化学成分的不同可分为 ： • ①钨钴类（WC+Co）牌号:YG。YG8，表示平均WCo=8% • 合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工，钴含量低，适于精加工。 • ②钨钛钴类（WC+TiC+Co）牌号:YT.YT15，表示平均WTi=15% • 类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。 • ③钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）牌号:YW • 不但适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。 • 又称为万能合金。 • ④碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）牌号:YN 由碳比钛、金属镍和金属鉬或碳化二鉬(Mo2C)组成。镍和鉬的总含量通常为20—30％。 • 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。

17. 二.刀具材料的分类 （一）普通刀具材料 2．硬质合金 （3）普通硬质合金的种类、牌号及适用范围 按其化学成分的不同可分为 ： ⑤ 钨钽钴类（ WC+TaC+Co）牌号:YA 在 YG类硬质合金的基础上添加 TaC(NbC),提高了常温、高 温硬度与强度、抗热冲击性和耐磨性，可用于加工铸铁和不 锈钢。

18. 二.刀具材料的分类 （一）普通刀具材料 2．硬质合金 （4）我国硬质合金刀具的发展以及世界主要生产企业 1）我国的硬质合金从２０世纪５０年代起步， 2）２０世纪８０年代初期，世界硬质合金年产量在２．５万吨时，我国硬质合金年产量约５０００吨； 3）进入２１世纪，世界硬质合金年产量达到了３．８万吨，而我国硬质合金产量已经快速增长到１．５万吨，超过世界硬质合金产量的１／３。 4）占据国际市场份额：     １９８６年，我国硬质合金年出口量只有１００吨； ２００３年，出口量已经达到２５００吨； 2007出口量可超过３０００吨，与产量一样同样占世界硬质合金市场流通量的１／３

19. 二.刀具材料的分类 （一）普通刀具材料 2．硬质合金 （4）我国硬质合金刀具的发展以及世界主要生产企业 德国：克努伯公司维迪阿厂 （鲁尔） 美国：通用电气公司、肯纳金属公司、亚当斯碳化物公司 瑞典：山特维克公司 日本：三菱金属矿业公司、东芝坦嘎络依公司（川崎、名古屋、大阪工厂）、住友电气工业公司 英国：山特维克英国公司、美国肯纳金属英国公司 奥地利：普兰西金属工厂（三年一次普兰西国际会议） 中国：株洲硬质合金有限公司、自贡硬质合金有限公司

20. 二.刀具材料的分类 • （二）特殊材料刀具 • 1．陶瓷刀具 • （1）材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。 • （2）常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷 • （3）优点：有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面光洁度。 • （4）缺点：强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。 • （5）适用范围：高速精细加工硬材料。

21. 二.刀具材料的分类 • （二）特殊材料刀具 • 2．金刚石刀具 • （1）分类：天然金刚石刀具（ND）；人造聚晶金刚石刀具（PCD）；复合聚晶金刚石刀具。 • （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60～80倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。 • （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。

22. 二.刀具材料的分类 • （二）特殊材料刀具 • 3．立方氮化硼刀具 • （1）概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。 • （2）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。 • （3）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2。 • （4）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。

23. 二.刀具材料的分类

24. 二.刀具材料的分类 • （三）涂层刀具 • 1.概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。 • 2.常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al2O3等 • 3.涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层 • 4.优点：涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性 • 5.适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。

25. 1.1刀具材料应具备的性能和种类 Ⅲ.小结

26. 三.小结 • 一． 刀具材料应具备的性能 • （一）高硬度和高耐磨性 • （二）足够的强度与冲击韧性 • （三）高耐热性 • （四）良好的工艺性和经济性 • 二． 刀具材料的分类 • （一）普通刀具材料 • 1．高速钢 • （1）概念： • （2）性质： • （3）高速钢的分类 • 2．硬质合金 • （1）概念： • （2）硬质合金的性能特点 • （3）普通硬质合金的种类、牌号及适用范围

27. 小结 • （二）特殊材料刀具 • 1．陶瓷刀具 • （1）材料组成 • （2）常用种类： • （3）优点： • （4）缺点 • （5）适用范围 • 2．金刚石刀具 • （1）分类： • （2）优点 • （3）缺点 • （4）适用范围 • 3．立方氮化硼刀具 • （1）概念 • （2）优点 • （3）缺点 • （4）适用范围： • （三）涂层刀具 • 1.概念： • 2.常用的涂层 • 3.涂层形式 • 4.优点： • 5.适用范围：

28. 谢谢

29. 硬度简介 一.定义 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。

30. 硬度简介 二.分类 硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。 　　（1）布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示（HBS\HBW）（参照GB/T231－1984），生产中常用布氏硬度法测定经退火、正火和调质的钢件，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛胚或半成品的硬度。 　　 （2）洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄的材料和硬的材料和成品件的硬度。 （3）维氏硬度以HV表示（参照GB/T4340-1999），测量极薄试样。

31. 硬度简介 二.分类 （1）布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示（HBS\HBW）（参照GB/T231－1984），生产中常用布氏硬度法测定经退火、正火和调质的钢件，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛胚或半成品的硬度。布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。 1）实验原理 布氏硬度(HB)是以一定大小的试验载荷，将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持规定时间，然后卸荷，测量被测表面压痕直径。布氏硬度值是载荷除以压痕球形表面积所得的商。一般为：以一定的载荷将一定大小的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。

32. 硬度简介 二.分类 2）实验原理图

33. 硬度简介 二.分类　　 （2）洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄的材料和硬的材料和成品件的硬度。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料，如热处理后的硬度等等。

34. 硬度简介 二.分类　　 （2）洛氏硬度 1）实验原理 是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： 　　HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的 材料(如硬质合金等)。 　　 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用 于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 　　 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高 的材料(如淬火钢等)。

35. 硬度简介 二.分类　　 （2）洛氏硬度 2）实验原理图

36. 硬度简介 二.分类 （3）维氏硬度以HV表示（参照GB/T4340-1999），测量极薄试样。 1）实验原理 维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头是金刚石的正四棱锥体。试验时，在一定载荷的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度，借以计算压痕的表面积，载荷除以表面积的数值就是试样的硬度值，用符号HV表示。

37. 硬度简介 返回 二.分类 （3）维氏硬度 2）实验原理图

38. 钢的分类 低合金钢 合金元素总量 5% 中合金钢 合金元素总量 5~10% 高合金钢 合金元素总量 10% 碳素钢 低碳钢0.25%C 中碳钢 0.25~0.6%C 高碳钢0.6%C 合金钢 1.钢的分类 ①按化学成分分

39. ②按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：

40. 亚共析钢共 析 钢过共析钢 珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢 按退火组织分 按正火组织分 电弧炉炼钢 ③按金相组织分

41. 工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆 渗 碳 钢调 质 钢弹 簧 钢滚动轴承钢耐 磨 钢 不锈钢耐热钢 刃具钢模具钢量具钢 特殊性能钢 工 具 钢 结 构 钢 机器用钢 ④按用途分 返回

42. 材料牌号表示方法 金属材料牌号的表示方法往往是根据其含碳量、合金元素含量 、强度级别、汉语拼音来表示。 汉语拼音一般表示材料的名称、用途、特性和工艺方法。 返回

43. 材料牌号表示方法 1。普通碳素结构钢（Q235A.F） • Q——屈服强度 • A——质量等级（分ABCD 4个等级） • F——代表沸腾钢 • 235——代表屈服强度235MPa 注：包括碳素结构钢及低合金结构钢

44. 材料牌号表示方法 2。低合金结构钢（Q295~Q390） • Q295 (AB) • Q345(ABCDE) • Q390(ABCDE) • Q420(ABCDE) • Q460(CDE) 最低冲击温度可达-40℃（27J） 注：Q345E Q345有ABCDE 5个级别。低合金结构钢分为镇静钢和特殊镇静钢。

45. 材料牌号表示方法 3.专用结构钢 • Q390g 一般用Q表屈服值代最小有以小写符号代表用途 • Q390g 代表锅炉用钢 • Q295HP 代表焊接气瓶用钢 • Q420q 代表桥梁用钢

46. 材料牌号表示方法 4.优质碳素结构钢 优质碳素结构钢用阿拉伯数字（1位或2位）表示，两位阿拉伯数字表示含碳量（以万分之几计） （1）沸腾钢、半镇静钢，沸腾钢和半镇静钢一般加F和b，镇静钢一般不标。如：08F 10b 45 （2）较高含锰量优质碳素钢，在表示平均含碳量的后面加锰元素的符合。如50Mn （3）高级优质碳素钢在牌号后面加A ，如20A 特级优质碳素结构钢牌号后面加E ，如：45E （4）专用优质探索结构钢采用阿拉伯数字（平均含碳量）和特定符合表示。 如：20g 20R

47. 材料牌号表示方法 5.合金结构钢和合金弹簧钢 用两位数字表示含碳量（万分之几），牌号后仅标明元素，一般不标含量，平均含量在1.50～249％、2.5～3.49％、3.5～4.49％、4.5～5.49％时合金元素相应写成2、3、4、5。 如：C 0.30％ Cr 0.95% Mn 0.85% Si 1.05%含量的结构钢表示为30CrMnSi 高级优质合金钢在牌号后加A ，如35CrMoA；特级优质合金钢在牌号后加E 。

48. 材料牌号表示方法 6.工具钢 工具钢采用规定符号和阿拉伯数字，阿拉伯数字表示平均含碳量（以千分之几表示）。工具钢一般分为碳素工具钢和高速工具钢。 • 一般含Mn工具钢 T后为阿拉伯数字T9 （C 0.9％） • 较高含锰量碳素工具钢 T 和阿拉伯数字后面加Mn，如：T8Mn。 • 合金工具钢和高速钢与合金钢相同，但一般不表明含碳量，如Cr12MoV 。若平均含碳量小于1％，可用1位阿拉伯数字表示含碳量（千分之几），如8MnSi。 • 低铬（平均含Cr量小于1％）的合金工具钢在含铬量前（千分之几）加数字0，如 Cr06 。

49. 材料牌号表示方法 7.轴承钢 • 轴承钢分为：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高碳铬不锈轴承钢、高温轴承钢。 • （1）高碳铬轴承钢，不标含碳量 牌号前加G含铬量按千分之几计，其它合金元素按合金结构钢含量表示，如GCr15 平均含Cr量1.5％轴承钢。 • （2）渗碳轴承钢，用合金结构钢表示方法，牌号前加G ，如G20CrNiMo ，高级优质渗碳轴承钢在牌号后加“A”。 • （3）高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，前面不加G。

50. 材料牌号表示方法 8.不锈钢 • 当含碳量上限大于0.1％时，以一位数字表示C含量，其余合金元素按合金结构钢表示方法表示。如1Cr18Ni9Ti • 含碳量上限不超过0.08％时，前面加0 ，如：0Cr18Ni9Ti • 当含碳量上限不超过0.03％时，牌号前加00，如00Cr17Ni14Mo2（316L）。 • 含碳量上限没有规定时，采用阿拉伯数字表示含碳量上限，如2Cr13 。