材料研究学报
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材料学在金属切削加工中的应用

  论文导读:故合理选择刀具材料对金属切削加工至关重要。常用刀具材料主要有工具钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料四大料,其中应用最多的是高速钢和硬质合金。硬质合金是由硬度很高的难熔金属碳化物和金属粘接剂用粉冶金工艺烧结而成。在金属切削加工中,了解加工工件材料的性能也极其重要。

  关键词:刀具材料,工件材料,高速钢,硬质合金,切削加工

  材料学是研究材料组成、结构、工艺、性质和使用性能之间相互关系的科学。材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。刀具材料的发展反映了切削加工技术的发展史。而工件材料的性能直接影响刀具的寿命。

  1.刀具材料的性能对切削方式的影响

  刀具材料是指刀具切削部分的材料。合理选择刀具材料影响到:

  (1)切削加工生产率

  (2)刀具耐用度

  (3)刀具消耗和加工成本

  (4)加工精度和表面质量

  故合理选择刀具材料对金属切削加工至关重要。常用刀具材料主要有工具钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料四大料,其中应用最多的是高速钢和硬质合金。

  1.1高速钢性能及应用

  高速钢是含有较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。其抗弯强度较高,韧性较好,常温硬度在62~66HRC,其耐热性约为600~660℃。刃磨时切削刃易锋利,故在生产中常称为“锋钢”,磨光的高速钢亦称白钢。

  高速钢综合性能较好,故广泛用于制作刀具。其具有高的强度(抗弯强度为3~3.4GPa)和高的韧性(180~320kJ/㎡),具有一定的硬度、良好的耐磨性和热处理变形小的特点,适用于制造各种结构复杂的成形刀具、孔加工刀具等。

  高速钢按化学成分可分为钨系高速钢和钼系高速钢(含Mo2%以上);高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢;按制造工艺方法不同,又可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

  高速钢刀具制造工艺较简单,刀刃锋利,适用于制造各种形状复杂刀具(如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等) 。常用的通用型高速钢牌号——W6Mo5Cr4V2 、W18Cr4V ,高性能高速钢——如9W6MoSCr4V2 、W6MoSCr4V3,比通用型高速钢具有更好的切削性能,适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钍合金和高强度铡等难加工材料,粉末冶金高速钢,其性能优于上述的高速钢 ,540℃时HRA82~87,760℃时RA77~85,800--1000℃时,尚能进行切削,刀具耐用度提高几~几十倍,同时切削速度提高4~10倍。但比高速钢强度低,冲击韧性差,不能承受切削振动和冲击负荷。

  1.2硬质合金性能及应用

  硬质合金是由硬度很高的难熔金属碳化物和金属粘接剂用粉冶金工艺烧结而成。硬质合金的常温硬度达71~76HRC,耐磨性很好,能耐800~1000度的高温。科技论文。硬质合金刀具允许的切削速度切削速度可达100~300m/min,比高速钢高5~10倍,但抗弯强度低,怕冲击振动,制造工艺性差。硬质合金中:碳化物含量高,则硬度高,抗弯强度低。粘结剂含量高,则硬度低,抗弯强度高。

  硬度合金按其化学成分与使用性能为分K、P、M三个主要类别。科技论文。

  (1)K类硬质合金(旧牌号YG类),适宜加工短切屑的脆性金属和有色金属材料,如灰铸铁、耐热合金、铜铝合金等,其牌号有K01、K10、K20、K30、K40等,精加工可用K01 ,半精加工选用K10 ,粗加工宜用K30

  (2)P类硬质台金(旧牌号YT类),适宜加工长切屑的塑性金属材料,如普通碳钢、合金钢等,其牌号有P01、P10、P20、P30、P50等,精加工可用P01 ,半精加工选用Pl0、P20 ,粗加工宜用P30

  (3)M类硬质合金(旧牌号YW类),具有较好的综合切削性能,适宜加工K切屑或短切屑的金属材料,如普通碳钢、铸钢、冷硬铸铁、耐热钢、高锰钢、有色金属等,其牌号有M10、M20、M30、M40,精加工可用M10,半精加工选用M20 ,粗加工宜用M30

  1.3涂层刀具材料

  在硬质合金或高速钢基体上,涂敷一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物(如碳化钛、氮化钛、氧化铝等)而制成的。涂层硬质合金的刀具寿命至少可提高l~3倍,涂层高速钢的刀具寿命可提高2~10倍

  2.工件材料的性能对切削加工的影响

  在金属切削加工中,了解加工工件材料的性能也极其重要。工件材料的强度、硬度提高,平均正压力增大,因此,摩擦系数μ下降,剪切角φ增大,切削变形减小。塑性较高的材料,则变形较大。工件材料的塑性或韧性越高,切屑越不易折断,使切屑与前刀面间摩擦增加,故切削力增大。材料硬化能力越高,则力越大。奥氏体不锈钢,强度低、硬度低,但强化系数大,较小的变形就会引起材料硬度提高,所以切削力大。铜、铅等塑性大,但变形时,加工硬化小,则切削力小。工件材料是通过强度、硬度和导热系数等性能的不同对切削温度产生影响的。以45钢工件为参照,低碳钢强度硬度低,导热系数小,切削温度低。高碳钢,强度硬度高,导热系数小,切削温度高。40Cr硬度相等,强度略高,导热系数小,切削温度高。合金钢强度硬度高,导热性能差,切削温度高。不锈钢强度硬度低,导热系数较45钢低3倍,切削温度高。脆性材料摩擦小、产生热量少、温度比45钢低。

  3.刀具与工件材料须合理匹配

  刀具、工件两方面材料的力学、物理和化学性能必须得到合理的匹配,切削过程方能正常进行,并获得正常的刀具寿命;否则,刀具就可能会急剧磨损,刀具寿命很短。例如,硬度高的工件材料,就必须用更硬的刀具来加工;高速钢刀具硬度不够,不能用来切削淬硬钢和冷硬铸铁,硬质合金则能胜任。加工硬脆材料,不仅要求刀具有很高的硬度,还要求有高的弹性模量,否则刃部难以支撑。科技论文。用硬质合金刀具加工淬硬钢及其它硬脆材料,必须采用弹性模量较高(WC成分较多)的K类或M类牌号。以上是力学性能的匹配。不仅考虑刀具材料的常温力学性能,还应考虑其高温性能。在加工导热性差的工件时,应采用导热性较好的工具,以使切削热得以传出。从而降低切削温度。

  综上所述,只有对材料学深入研究,在了解工件与刀具材料特性的基础上,使被选用的刀具材料与工件材料相互“匹配”。既做到充分发挥刀具特性,又能较经济的满足加工要求。值得说明的是,加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢与硬质合金。只有加工难加工材料才有必要选用新牌号合金或高性能高速钢,加工高硬度材料或精密加工时才需选用超硬材料。

  参 考 文 献

  [1]宫成立等。 金属工艺学。 机械工业出版社,2007

  [2]聂建武,兰建设等。金属切削与机床 西安电子科技大学出版社,2006.2

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