金属切削刀具的设计.docx

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金属切削刀具的设计

毕业设计（论文）内容与要求：

1.本课题是《金属切削刀具的设计》，根据我国金属切削加工的实际情况，为适应压刀具向多样化、专一化发展的要求而设计出的耐用，经济，实用的金属切削刀具。

2．该金属切削刀具的设计是在参考，吸收国外先进经验结构基础上研发设计的。

通过对新型材料的利用避开了以前金属切削刀具存在的多种不足之处。

保证了刀具工作的稳定并大大节省了制造成本。

3．本设计从几种金属切削刀具的性能进行全面的比较，并从实践中得到证明，同时为开发新一代的金属切削刀具理清了思路。

毕业设计领导小组负责人：

（签字）

2010年月日

毕业设计（论文）

成绩考核表

过程评分

评阅成绩

答辩成绩

总成绩

百分制

等级制

1、指导教师评语

手写

建议成绩指导教师签字：

2010年月日

2、论文评阅教师评语

建议成绩评阅教师签字：

2010年月日

3、毕业答辩专家组评语

建议成绩答辩组长签字：

年月日

4、毕业设计领导小组推优评语

组长签字：

年月日

摘要

在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术；随着现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工材料，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。

刀具的性能是影响切削加工效率、精度、表面质量等的决定性因素之一。

而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。

新型陶瓷刀具更由于有很高的硬度（HRA93～95），从而可加工硬度高达HRC65的各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时问；可提高工件硬度，延长机器设备的使用寿命。

陶瓷刀具的主要原料AlO和Si是地壳中最丰富的成分，可以说是取之不尽，用之不竭的，因此新型陶瓷刀具的应用前景十分广阔。

关键词刀具基础刀具角度新型刀具材料陶瓷道具

ABSTRACT

Inmodernprocessing,improveprocessingefficiencyofthemosteffectivewaytousehigh-speedmachiningtechnology;Withmodernscienceandtechnologyandproductiondevelopment,moreandmoredifficulttomachinematerialswithsuper-hardtoimprovethemachineryoflifeandperformance.

Affecttheperformanceofthetoolcuttingefficiency,accuracy,surfacequalityofthedecisivefactors.Theceramictoolisitsexcellentheatresistance,wearresistanceandchemicalstability,high-speedcuttingandhardtomachinematerialsinthefieldshowsthetraditionaltoolscannotmatchadvantage.Newceramiccuttingtoolsismoreduetoahighhardness（HRA93~95）,whichcanprocessuptoHRC65hardnessofvariousrefractorymaterials,removetheannealingprocessingpowerandtimeconsumedinquestion;canincreasethehardnessoftheworkpiecetoextendtheuseofmachineryandequipmentlife.CeramicToolsAlOandSiisthemainrawmaterialinthemostabundantcrustalelements,canbesaidtobeinexhaustible,andthereforetheapplicationofnewceramiccuttingtoolsabrightfuture.

KeywordsBasictoolCutting-toolangleNewcuttingtoolmaterialCeramicprops

引言

刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。

广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。

绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。

由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般了解金属切削刀具。

刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。

中国早在公元前28～前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。

战国后期（公元前三世纪），由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。

当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。

如今陶瓷刀具是现代金属切削加工中的一种新型材料刀具。

它不仅提高生产效率，加工某些普通刀片所不能加工的超硬材料，而且是现有各类刀具的补充，是刀具家族中一支新生力量，在加工行业中占有十分重要的地位。

陶瓷刀具是特种陶瓷粉末材料，采用科学配方，通过特殊生产工艺，使用现代化设备生产制造出来的。

起特点为高硬度、高强度、高红硬性、高耐磨性及优良的化学稳定性和低摩擦系数等，起切削加工效率为普通硬质合金的3~9倍。

普遍适用于机械加工中的车、铣、镗、刨等机床的粗、半精及精加工，更加适合各类CNC数控床，铣床及加工中心等现代化机床的使用。

第一章刀具基础知识

1.1刀具分类

一、刀具按工件加工表面的形式可分为五类：

加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等。

孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等。

螺纹加工刀具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀　　

等。

齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等 ；

切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。

此外，还有组合刀具。

二、按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类：

通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀（不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀）、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等。

成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。

1.2刀具的结构

刀具结构要素（图1.1）：

待加工表面----工件上有待切除的表面。

已加工表面----工件上经刀具切削后产生的表面。

过渡表面（同义词：

加工表面）----工件上由切削刃形成的那部分表面，它将在下一个行程，刀具或工件的下一转里被切除 或者由下一个切削刃切除。

图1.1

刀具切削部分的组成（图1.2、图1.3）：

前面（同义词：

前刀面）----刀具上切屑流过的表面，它直接作用于被切削的金属层并控制切屑沿其排出的刀面。

后面（同义词：

后刀面）----与工件上切削中产生的表面相对的表面。

主后面（同义词：

主后刀面）----刀具上同前面相交形成主切削刃的后面它对着过渡表面。

副后面（同义词：

副后刀面）----刀具上同前面相交形成副切削刃的后面它对着已加工表面。

主切削刃----起始于切削刃上主偏角为零的点，并至少有一段切削刃拟用来在工件上切出过渡表面的那个整段切削刃。

副切削刃----切削刃上除主切削刃以外的刃，亦起始于切削刃上主偏角为零的点，但它向背离主切削刃的方向延伸。

各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分（刀齿或刀片）则镶装在刀体上。

图1.2

图1.3

刀具角度参考系（图1.4、图1.5）：

切削平面----通过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面

主切削平面Ps----通过切削刃选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面它切于过渡表面，也就是说它是由切削速度与切削刃切线组成的平面

副切削平面----通过切削刃选定点与副切削刃相切并垂直于基面的平面

基面Pr----通过切削刃选定点垂直于合成切削速度方向的平面在刀具静止参考系中，它是过切削刃选定点的平面，平行或垂直于刀具在制造、刃磨和测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线

    一般说来其方位要垂直于假定的主运动方向

假定工作平面----在刀具静止参考系中，它是过切削刃选定点并垂直于基面，平行或垂直于刀具在制造、刃磨和测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线

    一般说来其方位要平行于假定的主运动方向法平面Pn----通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面

图1.4

图1.5

刀具角度

前角----前面与基面间的夹角

后角----后面与切削平面间的夹角

楔角----前面与后面间的夹角

主偏角----主切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面中测量

副偏角----副切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面中测量

刀尖角----主切削平面与副切削平面间的夹角，在基面中测量

刃倾角----主切削刃与基面间的夹角，在主切削平面中测量

第二章新型刀具材料简介

2.1新型刀具材料介绍

20世纪中，高速钢和硬质合金是应用最广泛的刀具材料。

高速钢的主要化学成分是铁、碳和其他合金元素（如W，Mo，Cr，V等），形成碳化铁与复合碳化物，而具备切削刀具所需的性能。

硬质合金的主要化学成分是碳化钨、碳化钛、碳氮化钛及钴等。

硬质合金硬度达HRA89～93.5，抗弯强度达0.9～1.6GPa以上，其切削性能高于高速钢。

在20世纪中，又出现了以氧化物、氮化物为主要成分的刀具材料――陶瓷（Ceramics）。

早在古代，陶瓷在人类生活中已得到广泛应用。

20世纪前期，人们已开始研制作为刀具材料的陶瓷，其硬度尚可，但太脆，难以真正付诸应用。

20世纪50年代，前苏联和中国掀起了应用陶瓷刀具的热潮，当时用“冷压法”制造，硬度达HRA91～92，抗弯强度仅为0.40-0.45GPa，用作刀具进行切削加工时，“打刀”与“崩刃”严重。

不久，这个热潮便宜告停止，只在极少数场合坚持应用。

经过长期的努力，陶瓷刀具材料的制造技术不断改进，机械性能大幅度提高。

到20世纪80年代，硬度达HRA91～95，抗弯强度达0.70～0.95GPa。

虽然陶瓷的抗弯强度和断裂韧性仍不如硬质合金，但已能满足某些切削加工的要求，于是应用范围又逐渐广泛起来。

   目前，陶瓷刀片的制造主要用热压法，即将粉末状原料在高温高压下压制成饼状，然后切割成刀片。

另一种方法是冷压法，即将原材料粉末在常温下压制成坯，经烧结成为刀片。

热压法制品质量好，因此是目前陶瓷刀片的主要制造方法。

2.2陶瓷刀具材料的种类

陶瓷刀具是现代金属切削加工中的一种新型材料刀具，其特点为高硬度、高强度、高红硬性、高耐磨性及优良的化学稳定性和低摩擦系数，不仅能加工某些普通刀片所不能加工的超硬材料，而且能提高生产效率。

按化学成分，陶瓷刀具材料约可以分为氧化铝系、氮化硅系、复合氮化硅一氧化铝系三大类。

2.2.1氧化铝系陶瓷

    最早的这类陶瓷是纯氧化铝陶瓷，其成分几乎全是A12O3，只是添加了很少量（0.1～0.5％）的MgO或Cr2O3，TiO2等，经冷压制成刀片。

这种陶瓷刀片的硬度为HRA91～92，但抗弯强度很低，只及0.40～0.45GPa左右。

20世纪50年代曾用过这种刀片，但难以推广。

   后来，采用氧化铝―碳化物复合陶瓷，即以A12O3基加入TiC、WC、SiC、TaC等成分，经热压成复合陶瓷。

其中以A12O3-TiC复合陶瓷用得最多，加入的TiC在30～50％之间，有的还在A12O3-TiC中再添加少良的Mo、Ni、Cr、W、Cr等金属。

Al2O3-TiC复合陶瓷的硬度达HRA93～95，抗弯强度达0.7～0.9GPa。

若添加金属后，抗弯强度有所提高，但硬度下降。

氧化铝亦可与氧化锆组合成为Al2O3-ZrO2复合陶瓷。

与A12O3-TiC复合陶瓷相比，Al2O3-ZrO2的硬度较低（HRA91～92），抗弯强度仅及O.7GPa，仅断裂韧性提高，它的应用不如Al2O3-Tic广泛。

还有Al2O3-Zr复合陶瓷，硬度达HRA93.2，抗弯强度达0.8GPa。

此外，还有Al2O3-TiC-ZrO2与Al2O3-TiB2等复合陶瓷。

2.2.2氮化硅系陶瓷

   仅添加少量其他成分的纯氮化硅陶瓷用得很少。

Si3N4-TiC-Co复合陶瓷的性能好，其韧性和抗弯强度高于Al2O3基陶瓷，而硬度不下降；导热系数亦高于Al2O3陶瓷。

Si3N4-TiC-Co及Al2O3-TiC复合陶瓷在生产中用得都比较广泛。

2.2.3复合氮化硅―氧化铝系陶瓷

   Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷叫赛阿龙（Sialon），是后来研制成功的一种新型复合陶瓷。

例如，美国Kennametal公司的Sialon牌号KY3000，其成分为Si3N477％，A12O313％，Y2O310％，硬度达HVl800，抗弯强度达1.2GPa，韧性高于其他陶瓷。

美国Greeleaf公司研制的Gem4B和瑞典Sandvik公司研制的CC680都是Sialon陶瓷。

表2.1列出了国内外主要厂家所生产的陶瓷刀片的牌号、成分及主要性能。

在Al2O3或Si3N4基体中，加入SiC品须形成“晶须增韧陶瓷”。

在表1中列入了“晶须增韧陶瓷”的国内外牌号。

这种陶瓷刀片的断裂韧性有显著提高。

第三章 陶瓷刀具材料的应用

不同种类的陶瓷刀具材料有着不同的应用范围。

氧化铝系的陶瓷主要加工各种铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等）和各种钢料（碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等）；也可以加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。

不宜加工铝合金、钛合金，这是由于化学性质的原因。

氮化硅系陶瓷不能加工出长屑的钢料（如正火、热轧状态），其余加工范围与氧化铝系陶瓷近似。

Sialon陶瓷主要加工各种铸铁（含冷硬铸铁）与高温合金，不宜切削钢料。

目前，陶瓷刀具材料主要应用于车削、镗削和面铣等精加工和半精加工工序。

最适宜加工淬硬钢、高强度钢与高硬度铸铁，切削效果比之硬质合金刀具有显著提高；加工一般硬度的钢材和铸铁，效果常不如上述显著。

陶瓷刀具的良好切削效果将在以下的切削试验中得到证实。

3.1 切削试验

切削速度v/m.min-1

刀具使用寿命T/min

1.用Si3N4基复合陶瓷刀片HDM-3车削冷硬铸铁（HRC52～55），并与亚微细粒硬质合金刀片YS10作对比。

切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r，刀具几何参数γ0=-8°，α0=8°，κr=45°，λs=-4°，rE=0.8mm，br=0.5mm，γ01=-15°～-20°。

图3.1HDM-3和YS10车削冷硬铸铁的T-v曲线

   得到T-ν曲线图如图1所示。

Talyor方程如下：

   ν=290/T0.20   （m/min）   （HDM-3）

   ν=240/T0.27   （m/min）   （YS10）

   HDM-3的使用寿命显著提高。

2.用Si3N4基添加SiC晶须的复合陶瓷HDM-2车削CrMnB淬硬钢（HRC60～64），并与亚微细粒硬质合金刀片YS8作对比。

切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r，刀具几何参数γ0=-8°，α0=8°，κr=45°，λs=-4°，rE=0.5mm，br=0.2～0.3mm，γ01=-20°。

切削速度v/m.min-1

刀具使用寿命T/min

图3.2HDM-2和YS8车削淬硬钢GrMnB的T-v曲线

   取VB=O.3mm，得到T-ν曲线图如图2所示。

Talyor方程如下：

   ν=318/T0.42   （m/min）   （HDM-2）

   ν=102/T0.27   （m/min）    （YS8）

   HDM-2使用寿命显著提高。

3.又用Al2O3基复合陶瓷刀片HDM-4车削高强度钢38CrNi3MOVA（中温调质，HRC36～40），并与碳氮化钛基硬质合金刀片YN20作对比。

   切削用量αp=0.5mm，f=0.1mm/r，刀具几何参数，各自选用合适的数值，本文从略。

切削速度v/m.min-1

刀具使用寿命T/min

图3.3HDM-4和TN20车削高强度钢38GrNi3MoVA的T-v曲线

取VB=O.3mm，得到T-ν，曲线图如图3所示。

Talyor方程如下：

ν=42.5/T0.30    （m/min）   （HDM-4）;ν=270/T0.19     （m/min）   （TN20）

HDM-4使用寿命显著提高。

4.再用HDM-4复合陶瓷刀片车削超高强度钢35CrMnSi（中温调质，HRC44～49），并与涂层硬质合金刀片YB415作对比。

  切削用量αp=0.5mm，f=0.21mm/r，刀具几何参数γ0=-8°，α0=8°，κr=45°，λs=-40°，rE=0.5mm。

切削速度v/m.min-1

刀具使用寿命T/min

图3.4HDM-4和YS415车削超高强度钢35GrMnSi的T-v曲线

   取VB=0.15mm，得到T-ν曲线图如图4所示。

Talyor方程如下：

   ν=270/T0.17   （M/min）   （HDM-4）

   ν=190/T0.26   （m/min）   （YB415）

   HDM-4使用寿命显著提高。

4.5用HDM-1、HDM-2、HDM-3陶瓷刀片（都是Si3N4基）车削合金钢花键轴（HRC47～50），进行冲击试验。

冲击次数N*104

切削时间t/min

图3.5不同陶瓷刀片抗冲击次数

   切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r，ν=80m／min，其抗冲击次数与破损情况如图5所示。

   由图5可见，Si3N4基添加SiC晶须的复合陶瓷HDM-2的抗冲击性能最好，破损前冲击次数达30000次。

一般Si3N4基复合陶瓷HDM-3次之，达12000次；纯Si3N4陶瓷HDM-1只达5000次。

3.2切削机理

陶瓷的常温硬度和高温硬度高于硬质合金，陶瓷的常温硬度略高于硬质合金。

Al2O3基或Si3N4基陶瓷的硬度常为HRA92.5～94；而YG类与YT类硬质合金的硬度则分别为HRA89～91与HRCHRA90～93。

高温硬度与硬质合金差别较大，例如，在800℃时，硬质合金YT15的硬度仅为HRA78；而陶瓷尚保持HRA89。

故陶瓷刀具抗磨料磨损及切削硬材料的性能明显优于硬质合金。

陶瓷的高温弹性模量高于硬质合金，在高温下，陶瓷的弹性模量为420～520GPa，约与YT类硬质合金相当，但低于YG类硬质合金；在高温下，A12O3基与Si3N4基陶瓷的弹性模量降低较少，而硬质合金降低较多。

故陶瓷刀具切削硬材料时显示出它的优越性。

 Al2O3基陶瓷在高温下化学性能稳定，刀具材料形成自由能越低，则化学性能越稳定。

在1000℃时Al2O3、TiC、WC的形成自由能分别为-65、-45、-10kcal/mol，故Al2O3的化学稳定性和抗扩散磨损的能力，不仅远高于WC，而且高于TiC，故Al2O3基陶瓷切削出长切屑的钢材时，具有良好的切削性能。

作者曾用HDM-4（Al2O3基）与HDM-3（Si3N4基）陶瓷车削高强度钢38CrNi3MoVA（HRC36～40），切削用量为αp=0.5mm,f=O.1mm/r，ν=170m/min。

HDM-4切削20min后，前刀面上形成月牙洼的宽度仅为0.3mm；而HDM-3切削6.8min后，月牙洼宽度就已达到0.6mm。

在扫描电镜上对两种陶瓷刀具的月牙洼中部表面进行能谱分析，结果见表2。

表3.1月牙洼中部分的化学成分

陶瓷刀片

Al

Si

TiC

Fe

HDM-3

1.53

76.62

0.10

19.20

HDM-4

33.37

0.30

58.73

3.91

由表2可见，工件材料中的Fe元素大量扩散到HDM-3刀具的表面，与刀具中的成分化合形成新的物质；而Fe元素进人HDM-4刀具表面甚少，故Al2O3基陶瓷适合切削出长切屑的钢材，而Si3N4基陶瓷对此不能胜任。

第四章陶瓷刀具材料的研究思路和展望

根据Hall-petch关系，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和强度越高。

当晶粒尺寸小到100nm左右时，强度和硬度会有很大突破。

但是纳米粉的活性很大，界面反应激活能较低，在烧结过程中极易长大，尽管加入抑制剂，效果仍不理想，因此目前还没有纳米级陶瓷刀具材料研制成功的报道。

纳米改性、纳米复合成功解决了晶粒的异常长大问题，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，导致基体晶粒细化。

纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料的研究与开发将是今后刀具材料发展的主要方向。

陶瓷刀具材料是一种最有前途的高速切削刀具材料，在生产中有广泛的应用前景。

目前，它已引起世界各国的重视。

在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～10%。

我国陶瓷刀具的发展也十分迅速，研究与开发水平与国际相当。

陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并持续较长时问，比用硬质合金刀具平均提高效率3～10倍。

它实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。

实现干式切削，对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。

结论

新型陶瓷刀具材料具有其它刀具材料无法比拟的优势，其发展空问非常大。

通过对陶瓷刀具材料组分、制备工艺与材料设计的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的基础上，极大的提高刀具材料的韧性和抗冲击性能，制备符合现代切削技术使用要求的适宜材料。

可以预料，随着各种新型陶瓷刀具材料的使用。

必将促进高效机床及高速切削技术的发展，而高效机床及高速切削技术的推广与应用，又进一步推动新型陶瓷刀具材料的使用。

致谢

本论文是在导师林成老师的悉心指导下完成的。

导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。

本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。

在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。

在此感谢实验室的谢清明、唐曙等老师的指导和帮助；感谢科创职业学院的领导关心、支持和帮助；在三年的学习期间，得到师兄和师弟妹的关心和帮助，在此表示深深的感谢。

没有他们的帮助和支持