机械设计制造及其自动化专业毕业设计刀具材料分析以及新型高效刀具设计参考模板.docx

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机械设计制造及其自动化专业毕业设计刀具材料分析以及新型高效刀具设计参考模板

摘要

制造业是国民经济的支柱，机械制造是发展先进制造技术的前提和基础，而金属切削技术及刀具是机械制造的主要工艺,本论文主要论述金属的切削加工性及刀具设计的一般过程和步骤。

机夹可转位刀具的切削性能首先取决于刀具材料，其次是几何形状、表面强化、热处理、质量保证等。

合理选择刀具材料是刀具制造的第一步，也是决定刀具使用性能的先决条件。

根据具体的刀具品种，结合具体的加工对象来选择合适的刀具材料，同时又根据已知刀具材料的性能选择合适的切削参数，这样才能获得最佳的切削效果。

本文综合了现今主要切削材料的加工性，以资料分析形式有针对性地做了关于硬质合金刀具材料和高速钢刀具材料的论述，便于设计人员参考、选用。

本文以车刀为代表，介绍了一般可转位刀具的设计过程和设计原则。

因为刀片是构成刀具的功能元件，刀具的切削性能都取决于所设计刀片的性能，所以文中详细介绍了刀片的设计，包括结构设计和各种几何参数的设计，并附有参考资料。

关键词：

刀具，设计，材料

ABSTRACT

Themanufacturingindustryisthepillarofanationaleconomy,themechanicalmanufacturingisthepremiseandfoundationstodeveloptheadvancedmanufacturingtechnology,technologyofmetal-cuttingandcuttingtoolaremaincraftofthemechanicalmanufacturing.Thisthesismainlytreatoftheperformanceofmetalsmachiningandthegeneralprocessandstepsthathowtodesignthecuttingtool.

Performanceofthecuttingtoolthatisclampedinmachineandcanbeturnedisdeterminedbythematerialfirst,thenextaretheshapeofgeometry、surfacesstrengthende、heattreatmentect..Thefirststeptomanufacturecuttingtoolistochoicematerialreasonablely,itisalsothepreconditiontodeterminetheperformance.Tochooseappropriatematerialsaccordingtotheconcretestyleofcuttingtoolandcombiningtotheobject,atthesametimetochooseappropriatecuttingparameteraccordingtotheperformanceofthetoolmaterial,inthisway,wecangetthebestcuttingeffect.

Inthistext,Isynthesizemainlyperformanceofthecuttingmaterialnowadaysandhigh-speedsteelbladematerialwithanalysisofdata,aimtomakeiteasytoreference,choosetousefordesigner.

Inthistreatise,Itaketheturningtoolastherepresentative,andintroducingtheprocessandprincipleswhenwedesigncuttingtool.Performanceofthecuttingtoolisdeterminedbyperformanceofthebladewedesign,becausethebladeisafunctioncomponent,sointhistreatiseIintroducedbladedesigning,includingthedesignofthestructureandvariousseveralparameterofgeometryandsomereferences.

Keywords:

cuttingtool,design,material

第一章前言

1.1研究背景、意义及问题的提出

在人类社会开始迈入21世纪的时候，在科学技术领域以及制造技术为先导的先进制造技术（AdvancedManufacturingTechnology）正以前所未有的速度向前发展。

20世纪后半叶微电子、计算机技术、信息工程、材料工程以及生物工的技术和产业即先进制造技术，并显示出对社会经济发展的巨大推动作用。

因而首先被世界上发达国家列为重点支持发展的领域，并把制造科学与信息科学，材料科学，生命科学一起列为当今四大支柱科学。

在制造业的整个体系中，机械制造业是向所有制造业提供技术装备的行业，因此发展机械制造技术是发展先进制造技术的前提和基础，被放在优先发展的地位。

正是在以上科技发展的大背景中，作为机械制造业最为重要的刀具的材料得到了迅速的发展。

得制造业者得天下。

我国的制造业还算不上非常发达，特别是在机械制造业最为重要的刀具的材料方面，还存在着许许多多的问题。

这就给我们提出了一个新的挑战：

在新的发展形势下，我国刀具材料的发展的大方向该是什么？

具体又该重点发展哪些技术？

本文将与大家逐步探讨这些问题。

1.2研究现状及存在的问题

切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一。

据统计，国外切削加工在整个制造加工中所占比例约为80%~85%，而在国内这一比例则高达90%。

刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，无论是普通机床，还是先进的数控机床（NC），加工中心（MC）和柔性制造系统（FMC），都必须依靠刀具才能完成切削加工。

刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。

国际生产工程学会（CIRP）在一项研究报告中指出：

“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍

”。

刀具材料已从20世纪初的高速钢，硬质合金发展到现在的高性能陶瓷，超硬材料等，耐热温度已由500~600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m/min，使切削加工生产率在不到100年时间提高了100多倍。

因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。

以上材料说明两点：

1、刀具材料在制造业中占有非常非常重要的位置，可以说刀具材料的发展已经成为制造业发展的第一大推动力。

2、切削加工在我国制造业中多达90%的比重更加凸显了刀具材料对我国制造业乃至国民经济的重要性。

我国的刀具材料在过去的时间里已经取得了长足的发展，在某些领域甚至达到了国际先进水准，可在总体发面依然落后于世界顶尖水平。

要振兴我国制造业，刀具材料的改进发展乃是基础的基础。

1.3研究手段、方式、方法

刀具材料正处在一个发展迅速，日新月异的时期。

各种新的刀具材料如雨后春笋，层出不穷。

那以哪种为标准来进行衡量测评才更具有代表性意义呢？

我查阅了大量资料后决定以硬质合金刀具材料和高速钢刀具材料这两种应用广泛的“刀具材料主力部队”作为主要的研究对象，希望能通过对它们的发展历史和现状的研究分析来得出我国刀具材料以后可能的发展路线。

由于目前我搜集到的关于这两种刀具材料的资料不少，我决定选出其中具有前沿性和代表性的资料，以资料分析的方式来进行研究，得出自己的看法和结论。

1.4研究取得的成果及意义

由上述材料可见刀具材料正处在一个发展迅速，日新月异的时期。

相对于开发全新的刀具材料，对现有材料进行改进，使其在性能上去芜存菁无疑是更为实际和经济的做法。

对新材料的开发不能放松，而发展和改进现有的有着悠久使用历史和大量使用经验的刀具材料更具有现实意义。

有鉴于此，本文通过分析对硬质合金刀具材料和高速钢刀具材料的改进提出了一些切实的建议，并对其未来发展方向做了合理的推测，这对我国在刀具材料方面的进步具有一定的理论指导意义。

第二章刀具材料以及刀具结构的发展

2.1刀具材料的新发展及实用前景

实践证明，在影响金属切削技术发展的诸多因素中，刀具材料的发展起着

决定性的作用。

近些年来各种刀具材料的性能都有明显的改善，并在实际应用中显示出很好的效果。

当今刀具材料发展的特点可以归纳为以下几方面：

1、硬质合金刀具材料仍然是应用最广的刀具材料，也是各国工具制造厂商着力发展的刀具材料，因而应用的广度和深度都有显著进展。

硬质合金可转位刀具几乎覆盖了所有的刀具品种，进一步取代高速钢刀具，并且由于材料性能和制造技术的提高，其切削性能得到了很大改善。

2、冶金粉末高速钢逐步得到发展，整体水平迅速提高，应用范围迅速扩大，特别是制造大尺寸的复杂刀具。

但高速钢整体的市场占有率呈下滑趋势。

高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥，麻花钻，齿轮刀具，拉刀，小直径铣刀等。

但是，高速钢也存在耐磨性，耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素（如钨）的储藏资源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只能够再开采使用40~60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危机。

3、氮化硅陶瓷和涂层氮化硅陶瓷的开发。

由于微粉技术、热等静压技术、气体加压烧结技术等新技术的发展，开发了氮化硅陶瓷和晶须增强陶瓷及涂层氮化硅陶瓷等材料，改善了陶瓷的脆性和抗热振能力，也提高了耐磨性和韧性，扩大了陶瓷刀在铸铁、淬火钢等加工领域的应用。

与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度，红硬性和耐磨性。

因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10~20倍，其红硬制比硬质合金高2~6倍，且化学稳定性，抗氧化能力等均优于硬质合金。

陶瓷材料的缺点是脆性达，横向断裂强度低，承受冲击载荷能力差，这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。

新型陶瓷刀具的应用分析由于陶瓷刀具具有耐用性、高硬度、化学稳定性好的性能,因此,适用于干切削加工铸铁和悴火钢,以及适于现代高速切削工艺的要求。

制造业是产生环境污染的主要根源,而利用现有刀具材料的优势探索干切削新工艺,是未来金属切削发展的趋势之一。

近年来,特别是工业发达国家,非常重视干式切削,为了贯彻环保政策,更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。

长期以来,应用切削液一直是提高刀具寿命和加工质量的重要工艺因素,但也导致了生态环境的恶化,而且也增加了制造成本。

根据美国企业的统计,在冷却加工系统中,切削液占总成本的14%～16%,刀具成本占2%～4%。

因此,美国、德国、日本等经济发达国家都非常重视干式加工的研究。

据测,一般情况下,如减少切削液的使用可以节省10%～15%的加工成本。

因此,未来切削加工的发展方向是尽量少用切削液。

干式切削刀具设计时,应该考虑刀具的几何角度、刀具材料、刀片涂层等,而陶瓷和金属陶瓷刀具具有耐热性、高温硬度、化学稳性好的特点,因此,适合于干式切削铸铁和淬硬钢。

[1]

赛隆陶瓷以Si3N4为硬质相,A12O3为耐磨相,是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物,在1800℃进行热压烧结而成的一种单相陶瓷材料,具有很高的强度,抗弯强度达到1050～1450MPa,比Al2O3陶瓷刀具都高,其断裂韧性也是几种陶瓷刀具中最高,其冲击强度远胜于一般陶瓷刀具而接近涂层硬质合金刀具。

Sialon陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能。

Si3N4相比,Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高,耐热温度高达1300℃以上,具有较好的抗塑性变形能力,其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具。

Sialon陶瓷可成功地用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的高速切削、强力切削、断续切削加工,是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。

[2]

4、钛基硬质合金（原称金属陶瓷）性能的改善以及涂层钛基硬质合金的开发。

它使高速精加工领域和淬火钢等难加工领域的切削速度和切削效率提高。

而涂层钛基硬质合金的开发将是继涂层硬质合金、涂层高速钢之后，刀具材料领域的又一新发展，将成为在高速精加工和半精加工领域一种通用的刀具材料，使这一加工领域的效率和质量又上一个台阶。

以纳米Al2O3为添加相，以Ti（C0.7N0.3）为基体的金属陶瓷刀具材料，材料的体系为：

Ti（C0.7N0.3）-（Ni-Mo）-Cr2C3-Al2O3-MgO，实验证明由于Ti（C0.7N0.3）和Al2O3具有良好的物理和化学的匹配性，所以材料的力学性能较好，特别是硬度和断裂韧性有明显的提高，硬度最大为21GPa，断裂韧性最大为9.95MPa·m1/2，克服了Ti（C0.7N0.3为基体的金属陶瓷的硬度和断裂韧性低的缺点，使材料适合做刀具。

晶粒的细化和断裂模式的改变是材料力学性能提高的主要原因。

比较而言，Al2O3的含量为8%~12%（质量分数），材料的综合力学性能比较好Al2O3的含量12%时的力学性能：

强度900MPa，硬度17.4GPa。

[3][4]

5、超硬材料

金刚石是碳的同素异构体,它是自然界已经发现的最硬的一种材料。

金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能,在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。

尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中,诸如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中,金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。

近年来,随着数控机床的普遍应用和数控加工技术的迅速发展,可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及,金刚石刀具已成为现代数控加工中不可缺少的重要工具。

金刚石刀具有两种,单晶金刚石刀具和多晶金刚石刀具,多晶金刚石刀具包括聚晶金刚石（PCD）刀具和化学气相沉积（CVD）金刚石刀具。

单晶金刚石可分为天然单晶金刚石和人工合成单晶金刚石。

天然单晶金刚石刀具是将经研磨加工成一定几何形状和尺寸的单颗粒大型金刚石,用焊接式、粘接式、机夹式或粉末冶金方法固定在刀杆或刀体上,然后装在精密机床上使用。

天然单晶金刚石刀具经过精细研磨,刃口能磨得极其锋利,刃口半径可达0.002μm,能实现超薄切削。

再加上它与被加工材料之间的摩擦系数小,抗粘接性好,与非铁金属无亲和力,热膨胀系数小及导热系数高等特点,天然金刚石刀具可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度。

因此,天然金刚石刀具切削也称镜面切削,天然金刚石刀具是一致公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。

主要用于铜及铜合金、铝及铝合金以及金、银等贵重金属特殊工件的超精加工。

单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒,由于人工合成大颗粒单晶金刚石制造技术复杂,生产率低,制造成本高。

目前,单晶金刚石刀具绝大部分为天然单晶金刚石制成。

设计和制造单晶金刚石刀具时,必须正确选择晶体方向,对金刚石原料必须进行晶体定向。

金刚石刀具的前、后刀面的选择是设计单晶金刚石刀具的一个重要问题。

20世纪70年代初,美国GE公司研制成功聚晶金刚石（PCD）刀片以后,在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。

虽然PCD的硬度低于单晶金刚石,但PCD属各向同性材料,使得刀具制造中不需择优定向;由于POD结合剂具有导电性,使得PCD便于切割成型,且成本远低于天然金刚石;PCD原料来源丰富,其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。

因此,PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。

PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口,刃口半径很难达到1

μm以下,加工的工件表面质量也不如天然金刚石,现在工业中还不能方便地制造带有断屑槽的PCD刀片。

因此,PCD只能用于有色金属和非金属的精切,很难达到超精密镜面切削。

[5][6]

由上述材料可见刀具材料正处在一个发展迅速，日新月异的时期。

相对于开发全新的刀具材料，对现有材料进行改进，使其在性能上去芜存菁无疑是更为实际和经济的做法。

对新材料的开发不能放松，而发展和改进现有的有着悠久使用历史和大量使用经验的刀具材料更具有现实意义。

尤其需要注重的就是硬质合金刀具材料和高速钢刀具材料这两种使用非常广泛的材料。

2.2高速切削的发展

高速切削加工要求刀具材学亲合力要小,并具有优异的机冲击和耐磨损。

目前国内外适用料主要有:

陶瓷刀具、金刚石刀刀具、涂层刀具等。

[7]

在高速切削的发展历程中,切削刀具技术已发生很大变化,高速切削对刀具性能不断提出更高的要求。

新材料新工艺不断出现,要求刀具综合性能不断提高,以保证加工质量,降低生产成本,提高生产效率。

目前国内高速切削所使用的陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具以及涂层刀具各有优点,适用于不同的材料和速度范围。

高性能、高可靠性、高强度以及高耐热、抗震性能的刀具是高速切削刀具发展的重点,纳米复合与涂层、剃度功能和多种增韧增强协同作用的刀具材料将是高速刀具研究的发展方向

[8]。

2.3我国金属切削刀具的发展

我国工具行业从“六五”开始结合技术引进进行技术改造，后又经过“七五”“八五”引进和改造取得了显著的技术进步，开发出一批具有八、九十年代的技术水平的新产品。

在硬质合金刀具方面引进了具有八十年代水平的硬质合金材料牌号、可转位刀具和整体硬质合金刀具制造技术，初步建立了数控刀具及工具系统生产点。

此外，钛基硬质合金、

、CBN、PCD等超硬材料刀具已经推广应用，可转位刀具的推广工作也取得了显著成绩。

与此同时，我国在刀具CVD、PVD涂层工艺及装备的研究开发工作方面取得了较大的进展，多元复合的CVD工艺和国产装备已进入实用阶段。

硬质合金刀具的PVD涂层和TiCN涂层工艺的科研工作也取得阶段性成绩。

设计方面，刀具的CAD/CAM科研工作结合技术引进已应用在数控刀具的开发生产中；可转位刀片断屑槽形和模具的CAD/CAM技术精“八五”攻关在基础理论和实用技术两方面均有所突破，开发了我国自己的通用槽形系列。

在配套的刀具使用方面，我国已初步建立了金属切削数据库，开发了刀具磨损、破损监控技术和使用仪器。

此外，随着经济体制改革，一些工具企业面向用户开发“量体裁衣”的非标产品，承接生产线成套刀具开发项目，朝着与市场结合、为用户服务的方向积极转换经营机制。

我国工具工业的发展和切削技术的进步，提高了我国切削加工的水平，但是与国外先进水平相比，我国的金属切削技术和刀具产品的水品还很低，存在着很大的差距，我国切削加工的效率只相当于国外七十年代的水平，我国的金属切削技术和刀具的现状已经不能适应现代化经济建设发展的需要，并将直接影响机械、汽车工业振兴规划的实现。

我们必须加快发展金属切削技术，提高刀具产品的水平。

可以这么说，我国金属切削的水平距离德国这类机械加工强国还是有一定差距的，我有两个去德国留学的同学，据他们所说（都是咱西工大的学生，应该有些可信度吧），撇开刀具材料，光是刀具的热处理这一项上，我们就处在了需要努力追赶的位置。

正是因为这样，我们才更应该加紧加快在这方面的研究，迎头赶上，通过我们的努力，让中国真正成为一个制造业方面的强国。

第三章硬质合金刀具材料分析研究

3.1刀具材料的大致分类

刀具的切削性能首先取决于刀具材料，其次是几何形状、表面强化、热处理、质量保证等。

合理选择刀具材料是刀具制造的第一步，也是决定刀具使用性能的先决条件。

根据具体的刀具品种，结合具体的加工对象来选择合适的刀具材料，同时又根据已知刀具材料的性能选择合适的切削参数，这样才能获得最佳的切削效果。

3.1.1刀具材料的分类

刀具材料通常分为六大类，包括若干系列。

具体如下：

（1）工具钢：

碳素工具钢

合金工具钢

高速工具钢：

通用高速钢

高性能高速钢

粉末高速钢

低合金高速钢

涂层高速钢

（2）硬质合金：

W基硬质合金：

普通硬质合金

超微粒硬质合金

涂层硬质合金：

单涂层

多涂层

Ti基硬质合金

（3）陶瓷刀具材料：

纯氧化铝陶瓷

混合陶瓷：

氧化铝-金属系陶瓷

氧化铝-碳化物系陶瓷

氧化铝-碳化物-金属系陶瓷

氮化硅陶瓷

（4）多晶复合立方氮化硼

（5）金刚石：

　　　　　　天然单晶金刚石

　　　　　　多晶复合人造金刚石

（6）其他：

铸造合金、难熔硬化物等

现今刀具材料的发展势头异常迅猛，以上粗浅的分类方法只是个大概，并不能涵盖所有已经出现的刀具材料。

我们先弄清大致的分类，心中对刀具材料有个笼统的了解，对主要研究方向的确立业有一定的帮助。

（另：

上述分类并不是按照同一种标准，比如高速钢的分类，就是好几种分类标准，现在也都罗列了出来）

3.1.2硬质合金分类及标志

按GB2075—87（参照采用190标准）可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，K类主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，用红色作标志。

P、M、K（后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。

数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。

P类相当于我国原钨钛钻类，主要成分为WC十TiC十Co，代号为YT。

K类相当于我国原钨钻类，主要成分为WC十Co，代号为YG。

M类相当于我国原钨钛钽钴类通用合金，主要成分为WC+TiC+TaC（NbC）十Co，代号为YW。

YG类（≈ISO的K类）：

数字越大韧性越好；切铸铁、有色金属、非金属、高温合金

YT类（≈ISO的P类）：

数字越小韧性越好；切碳素钢、合金钢

YW类（≈ISO的M类）：

数字越大韧性越好；切耐热钢、不锈钢、普通钢和铸铁

YN类：

数字越大韧性越好；切钢和铸铁

粗加工：

选韧性好、耐冲击的材料

精加工：

选硬度高、耐高温、细晶粒的材料

牌号与选择：

表3-1几种常用的硬质合金牌号、性能及使用范围

3.2硬质合金刀具材料的几种改良方向

硬质合金刀具材料在现代刀具材料中占有重要地位。

比高速钢有更高的硬度、耐磨性、耐高温性及抗腐蚀性等。

可以比高速钢成数倍的提高切削速度、生产效率及使用寿命。

应用范围极广。

硬质合金刀具材料的研究现状

由于硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，因此使用者只能根据具体加工对象和加工条件在众多硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，这给硬质合金刀具的选用和管理带来诸多不便。

为进一步改善硬质合金刀具材料的综合切削性能，目前的研究热点主要包括以下几个方面：

（1）细化晶粒

通过细化硬制相晶粒度，增大硬制相晶间表面积，增强晶粒间结合力，可使硬质合金刀具材料的强度和耐磨性均得到提高。

当WC晶粒尺寸减小到亚微米以下时，材料的硬度，韧性，强度，耐磨性等均可提高，达到完全致密化所需温度也可降低。

普通硬质合金晶粒度为3～5µm，细晶粒硬质合金晶粒度为１～１.５µm（微米级），超细晶粒硬质合金晶粒度可达０.５µm以下（亚微米，纳微米）。

超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质合金相比，硬度可提高２ＨＲＡ以上，抗弯强度可提高６００～８００ＭPa。

常用的晶粒细