現(xiàn)代機(jī)械制造基礎(chǔ)2

第二章

金屬切削原理與刀具

金屬材料的切削過程的兩個要素①刀具②切削運動

第一節(jié)

金屬切削的基本概念

一、機(jī)械加工中的切削運動切削運動由機(jī)床來實現(xiàn),機(jī)床運動可分為:①切削成形運動②非切削成形運動切削成形運動切削成形運動：①主切削運動①進(jìn)給運動普通車床車削加工的運動

機(jī)床切削成形運動①簡單的成形運動單個運動方向的成形運動。②復(fù)合的成形運動由兩個（或兩個以上）的簡單的成形運動合成的運動。按某種嚴(yán)格的運動關(guān)系合成的成形運動，稱為“多軸聯(lián)動”。立式銑床中的X、Y、Z運動軸

數(shù)控龍門機(jī)床的運動軸數(shù)控龍門機(jī)床的運動軸機(jī)床非切削成形運動①分度運動②切入運動③快進(jìn)、快退、回程、轉(zhuǎn)位④起動、停止、變速、變向、夾緊、松開二、切削用量三要素及切削層1、切削用量切削速度v進(jìn)給量f切削深度ap2、切削層參數(shù)公稱厚度aw

公稱寬度ac

公稱橫截面積Ac切削速度v的發(fā)展①切削速度是切削加工水平的標(biāo)志之一；②

12m/min提高到7500m/min;③每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速和超音速切削加工將變?yōu)楝F(xiàn)實。第二節(jié)

刀具切削部分幾何角度

一、金屬切削加工的基本概念刀具切削表面二、刀具角度基面：pr切削平面：ps正交平面：p0車刀的主要角度前角：后角：主偏角：副偏角：刃傾角：刀刃圓弧半徑車刀的主要角度前角：后角：主偏角：副偏角：刃傾角：刀刃圓弧半徑當(dāng)λs＝0°時，切屑沿主切削刃方向流出；

當(dāng)λs＞0°時，切屑流向待加工表面；

當(dāng)λs＜0°時，切屑流向已加工表面，容易劃傷工件表面。刃刃傾角影響切屑的流出方向傳統(tǒng)切削微量切削切削層厚度

(10–1000μm)切削層厚度.

(0.1–10μm)切屑切屑刀刃半徑工件刀刃半徑刀刃半徑與切削厚度的關(guān)系世界最高水平的刃口圓弧半徑

日本大阪大學(xué)島田尚一博士研究金剛石車刀的刃口圓弧半徑達(dá)到2～4nm，就可切削下小于1nm厚度的切屑，這為更高精度的加工創(chuàng)造了前提。光學(xué)鏡面的反射率與加工表面的粗糙度直接有關(guān)，而今反射率要求越來越高，如激光陀螺反射鏡的反射率已提出了99.99%，必然要求金剛石刀具更加鋒利。第三節(jié)

刀具材料

一、刀具材料應(yīng)具備的基本性能要求

①足夠硬度、耐磨性和耐熱性②足夠的強(qiáng)度和韌性

③導(dǎo)熱性好

導(dǎo)熱性好，切削時產(chǎn)生的熱量容易傳導(dǎo)出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。④工藝性好

刀具材料有較好的可加工性，便于刀具加工，包括鍛壓、焊接、切削加工、熱處理和可磨性等。⑥

經(jīng)濟(jì)性好

（性價比）經(jīng)濟(jì)性是評價刀具材料的重要指標(biāo)之一。刀具技術(shù)提高對制造業(yè)的影響

美國每年消耗刀具費用約30億美元，多花費10億美元改進(jìn)刀具性能，切削速度普遍提高20%，可節(jié)省加工費用150億美元效益。刀具材料主要類型

刀具技術(shù)是機(jī)械制造技術(shù)的重要組成部分。刀具材料可分為：

①工具鋼②高速鋼③硬質(zhì)合金④陶瓷⑤超硬材料

切削中普遍存在需求1、切削速度高。2、工件材料強(qiáng)度、硬度和粘性高。刀具材料發(fā)展重要階段1、1850年主要切削刀具為碳素鋼刀具，它只能在約12m／min以下的切削速度下工作。2、1868年R．穆舍特發(fā)明含有鎢和釩的錳鋼(合金工具鋼)使切削速度提高到18.3m／min。3、1898年F．W．泰勒等人用含鉻的工具鋼把切削速度提高到36.6m／min，稱為“高速鋼”。4、1923年德國施勒特爾用粉末冶金法制成硬質(zhì)合金刀具，又一次提高了切削速度。5、20世紀(jì)70年代化學(xué)氣相沉積CVD法和物理氣相沉積PVD法的出現(xiàn)，產(chǎn)生了涂層刀具，成為刀具材料發(fā)展的一次重大變革。

高速鋼

高速鋼是一種含鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等合金元素較多的工具鋼。合金元素與碳化合形成結(jié)合力很強(qiáng)的高硬度碳化物，如碳化釩，硬度高達(dá)63～70HRC，且晶粒細(xì)小，分布均勻。在550～6000C時仍能保持高硬度，切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼成倍提高，可以承受較大的切削力和沖擊，故得名“高速鋼”?？准庸さ毒?---孔拉刀高速鋼有良好的制造工藝性，特別適合于制造各種小型及結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的刀具?？准庸さ毒?---麻花鉆頭齒輪加工刀具---滾齒刀硬質(zhì)合金

隨著生產(chǎn)水平的提高，高速鋼刀具已不能滿足高效率加工、高質(zhì)量加工以及難加工材料切削的要求。在1923年，德國的施勒特爾發(fā)明了硬質(zhì)合金（鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金）。

硬質(zhì)合金是用粉末冶金工藝制成的。用硬度和熔點都很高的金屬碳化物(碳化鎢WC，碳化鈦TiC、碳化鉭TaC和碳化鈮NbC等)作硬質(zhì)相，用金屬鈷、鉬或鎳等作粘結(jié)相，研制成粉末，按一定比例混合后壓制成型，在高溫高壓下燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金的制造工藝硬質(zhì)合金特性

1、常溫硬度很高(78～82HRC)。

2、熱硬溫度可達(dá)800～10000C以上，允許的切削速度是高速鋼的4～7倍。目前切削加工中用量僅次于高速鋼的主要刀具材料。

細(xì)化碳化物顆粒，提高硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和抗彎強(qiáng)度。①平均晶粒尺寸為0.5~lμm者稱亞微細(xì)晶粒合金；②平均尺寸在0.5μm以下者稱超細(xì)晶粒合金。當(dāng)WC晶粒的平均尺寸由5μm減小到1μm時，可使硬質(zhì)合金的耐磨性提高10倍。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金

涂層硬質(zhì)合金是在普通硬質(zhì)合金刀片或硬質(zhì)合金表面，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)的工藝方法，涂覆一薄層(約5～12μm)高硬度難熔金屬化合物(如TiC、TiN、Al203、金剛石等)。刀片既保持了普通硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度和韌性，表面具有更高的硬度(可達(dá)1500～3000HV)和耐磨性，更小的摩擦因數(shù)和高的耐熱性(達(dá)800～12000C)。

涂層刀具涂層硬質(zhì)合金刀片

涂層刀片在高速切削鋼件和鑄鐵時能獲得良好效果，比未涂層刀片的刀具壽命提高1～3倍，高者可達(dá)5～10倍。

涂層高速鋼刀具可直接切削調(diào)質(zhì)后的中硬(小于等于42HRC)毛坯材料。

例如:M8X1.25普通高速鋼涂層絲錐加工45調(diào)質(zhì)鋼(240—290HBS)時，比未涂層絲錐的平均壽命提高4.3倍。涂層刀具性能特點TiCN涂層波形刃銑刀TiN/TiC涂層刀具刀具復(fù)合涂層微觀結(jié)構(gòu)

①工件材料硬度的不斷增加。

②鎢資源的日漸缺乏。

蘇聯(lián)硬質(zhì)合金用鎢量約占該國鎢總耗量的35%～40%；美國硬質(zhì)合金用鎢量約占該國鎢總耗量的68%；機(jī)械加工導(dǎo)致國際市場精鎢礦石價格不斷上漲。

③地球含量豐富的元素Si和Al，促進(jìn)了陶瓷刀具的發(fā)展。目前在國外的汽車生產(chǎn)線上大量使用陶瓷刀具。陶瓷刀具陶瓷刀具制造工藝

陶瓷刀具主要是由硬度和熔點都很高的Al2O3

（德國）

、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金屬碳化物、氧化物或純金屬等添加劑，采用粉末冶金工藝方法經(jīng)制粉，壓制燒結(jié)而成。陶瓷可轉(zhuǎn)位刀片主要優(yōu)點1、有很高的硬度硬度超過硬質(zhì)合金，加工鋼材時，壽命可高達(dá)硬質(zhì)合金的10～20倍?？梢约庸RC65鋼和硬化鑄鐵。2、高溫性能切削溫度達(dá)到在12000C以上。切削速度比硬質(zhì)合金提高2~6，適合于高速切削。主要優(yōu)點3、化學(xué)穩(wěn)定性和抗粘接性能陶瓷與金屬的親和力較小，即使在熔化溫度與鋼也互不作用，不易氧化，適合高速切削和加熱切削。4、摩擦系數(shù)低摩擦系數(shù)為0.32～0.77，減小了刀具磨損，提高了刀具壽命，而且使已加工表面的表面粗糙度值減小。在高速精車和精密銑削時，被加工工件可獲得鏡面效果，切削力也比硬質(zhì)合金刀具要小。5、切削時不需使用切削液。主要缺點①熱導(dǎo)率僅是硬質(zhì)合金的1/2～l/5；②熱膨脹系數(shù)卻比硬質(zhì)合金高10%～30%；③熱沖擊性能很差、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度比硬質(zhì)合金低。當(dāng)溫度發(fā)生顯著變化時，容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致刀片破損。④切削時，一般也不宜使用切削液。超硬類刀具材料

金剛石1、金剛石是世界已發(fā)現(xiàn)的最硬材料（10000HV

）2、金剛石是碳的同素異構(gòu)體，刀具中使用的金剛石分天然金剛石和人造金剛石兩種；3、1955年美國GE公司的科學(xué)家成功地人工合成了重量約合1克拉的珠寶級金剛石（C-12）；4、C-12導(dǎo)熱性能比天然金剛石好50%，比銅快850倍。5、目前世界上最堅硬的人工金剛石-----媛石，比普通金剛石堅硬很多。

人造金剛石及其聚晶體（PCD）

1、人造金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的60～80倍。

2、人造金剛石的切削刃鈍圓半徑很小，能進(jìn)行超精密微量切削，精度可達(dá)到3～1μm，表面粗糙度值可達(dá)到Ra0.02～0.006μm，可實現(xiàn)鏡面加工。

3、金剛石刀具一般不適于加工鐵系金屬。溫度超過8000C時就會碳化而失去切削能力，與鐵有較強(qiáng)的化學(xué)親和力。

4、人造金剛石脆性大，抗沖擊能力差，對振動很敏感，要求機(jī)床精度高、平穩(wěn)性好，且只適于精細(xì)加工。聚晶金剛石（PCD）的誕生1972年美國公司采用特殊工藝，成功的生產(chǎn)出了由微米級大小的金剛石晶體組成的聚晶金剛石（PCD）

PCD性能特點1、金剛石層的硬度和抗磨性在所有方向上都均勻分布，和單晶體天然金剛石形成鮮明對比的是，聚晶體材料沒弱鍵層，各鍵層的硬度也不會參差不齊。2、聚晶金剛石刀具比傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具，它能提供更快的切削速度，更高的加工精度和更高的刀具使用壽命從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。上海工具有限公司制造PCD刀具全球PCD刀具的年銷售量將超過3.5億美元。其中52％的PCD刀具應(yīng)用在汽車生產(chǎn)。金剛石涂層整體硬質(zhì)合金立銑刀

“薄膜”CVD金剛石涂層

納米結(jié)構(gòu)金剛石涂層

同位素C-13的金剛石1、美國GE公司已研制出同位素C-13的金剛石，其硬度、強(qiáng)度等均高于現(xiàn)有的金剛石。2、在太空中對碳分子試驗的結(jié)果，又發(fā)現(xiàn)了由60個碳原子組成的巴基球，即C-60，它比金剛石更堅硬。3、C-13、C-60在未來能成為新的刀具材料，使刀具的使用壽命大為提高。

金剛石涂層硬質(zhì)合金銑刀

主要應(yīng)用領(lǐng)域

1、模具工業(yè)的石墨電極加工；2、鋁合金加工。加工效果1、用金剛石涂層鉆頭在高硅鋁合金(20%Si)的剎車盤上鉆69個12.5mm的通孔，鉆完所有孔之后，該鉆頭完好無損；2、用通常未涂層的鉆頭，鉆完9個孔之后即失效。立方氮化硼CBN

繼人造金剛石之后，利用超高溫高壓技術(shù)人工合成的又一種新型無機(jī)超硬材料。立方氮化硼CBN發(fā)展1、20世紀(jì)80年代以來，美國科學(xué)家就開始了合成氮化硼(CBN)的研究工作；2、近年日本已合成氮化硼的維氏硬度達(dá)6380HV(638Gpa)；3、硬度有希望達(dá)到或超過金剛石10000HV的水平(1000Gpa)。（1）、硬度高僅次于金剛石的硬度(8000～9000HV)和耐磨性，比硬質(zhì)合金和陶瓷高得多，能在較高切削速度下保持加工精度。加工淬火鋼時，刀具壽命比硬質(zhì)合金提高3～15倍。最適于加工高硬度淬火鋼、高溫合金等難加工材料的切削。（2）、熱穩(wěn)定性好立方氮化硼具有比金剛石更好的熱穩(wěn)定性，可達(dá)1300～14000C，它在攝氏1000度的高溫下仍能保持硬質(zhì)合金25攝氏度時的硬度。其高溫硬度高于陶瓷刀具。當(dāng)溫度高達(dá)1370℃以上時，才開始由立方晶體