【導(dǎo)讀】及刀具設(shè)計(jì)的一般過(guò)程和步驟?；崽幚?、質(zhì)量保證等。合理選擇刀具材料是刀具制造的第一步，也是決定刀。具使用性能的先決條件。根據(jù)具體的刀具品種，結(jié)合具體的加工對(duì)象來(lái)選擇合適。得最佳的切削效果。于硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料的論述，便于設(shè)計(jì)人員參考、選用。本文以車刀為代表，介紹了一般可轉(zhuǎn)位刀具的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)原則。

　　

【正文】 與含鈷高速鋼相當(dāng)，可加工高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鈦合金等。 1898 年，美國(guó)機(jī)械與管理工程師泰勒 (Taylor .)和冶金學(xué)家懷特 (White M.)研制發(fā)明了高速鋼， 并作了系統(tǒng)切削試驗(yàn) 。當(dāng)時(shí)他們確定的高速鋼成分為%， %， %， %， %， F余量，與后來(lái)的 W18Cr4V成分很接近。高速鋼刀具可用 30m/min 的速度切削鋼材， 其效率比過(guò)去用的碳素工具鋼和合金工具鋼提高了好幾倍，為美國(guó)當(dāng)時(shí)的機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)贏得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 W18Cr4V 高速鋼的熱塑性不好，由于麻花鉆熱軋工藝的需要，后來(lái)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 研制成功了 W6Mo5Cr4V2 高速鋼，此外，還有 W9Mo3Cr4V。這三種高速鋼的切削性能和力學(xué)性能近似，稱為通用型。 在硬質(zhì)合金未作為主要刀具材料之前 ，高速鋼承擔(dān)主要切削加工任務(wù)。在現(xiàn)代切削加工中，它的使用范圍正在不斷縮小。高速鋼的特點(diǎn)是性能穩(wěn)定，可成形加工，韌性好，各類被加工材料均可以較低的速度、進(jìn)給量、背吃刀量用高速鋼刀具加工，目前高速鋼材料 尚在各類刀具中使用，齒輪刀具與拉刀的材料仍以高速鋼為主。 高速鋼主要缺點(diǎn)是紅硬性低 ，耐磨性差，剛性不足，在現(xiàn)代高速、高效、高精度加工中而略嫌不足。故當(dāng)前在數(shù)控車床、加工中心這類機(jī)床上很少看見應(yīng)用它，但在齒輪加工機(jī)床上、拉床上高速鋼刀具仍占主流。某些優(yōu)質(zhì)高速鋼滾刀由于能在較高進(jìn)給速度下工作，每小時(shí)加工齒輪數(shù)可高于硬質(zhì)合金滾刀。世界上一些大高速鋼公司仍在努力開發(fā)新合金成分的高速鋼，使其性能接近硬質(zhì)合金，新型高速鋼甚至可用干式切削，竭力試圖把硬質(zhì)合金占領(lǐng)的部分市場(chǎng)奪回來(lái)粉末高速鋼的主要工藝是將合金元素的預(yù)煉高速鋼用 感應(yīng)爐熔化，用氣體噴霧造粒，噴后迅速固化成均勻固體顆粒，然后將顆粒裝入一大型可壓縮圓筒，對(duì)它進(jìn)行熱等靜壓，形成了致密毛坯， 然后進(jìn)行鍛造或軋制此法優(yōu)點(diǎn)是可熔入更多合金元素 ，并防止偏析，提高材料均勻性，制成又硬又韌的優(yōu)質(zhì)粉末高速鋼。 [14] 20 世紀(jì)中葉以后，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，各種難加工材料不斷涌現(xiàn)，通用高速鋼的性能已不復(fù)使用， 于是高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼相繼出現(xiàn) ，使高速鋼刀具材料的性能得到了很大提高。因?yàn)楦咚黉摰毒叩木C合性能好，可加工性優(yōu)于其他刀具材料，各種刀具都可用高速鋼制作，加上它的性能不斷提高，故至 今仍是用得最多的刀具材料之一 。 近年，全世界高速鋼年產(chǎn)量約為 16 萬(wàn) ~22 萬(wàn)噸，中國(guó)高速鋼年產(chǎn)量已達(dá) 5萬(wàn) ~6 萬(wàn)噸。 河冶科技公司和江蘇天工工具公司是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高速鋼的大戶 ，他們占有全國(guó)高速鋼產(chǎn)量中的極大份額 。 與硬質(zhì)合金相比，高速鋼最大的 特點(diǎn) 就是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展應(yīng)用， 型號(hào)齊全，應(yīng)用廣泛， 從被發(fā)明起到現(xiàn)在依然有著旺盛的生命力 。雖然現(xiàn)在硬質(zhì)合金是研究發(fā)展的主流，但高速鋼這個(gè)大家族在其應(yīng)用領(lǐng)域中依然不可代替。所以對(duì)它進(jìn)行研究也是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 高速鋼刀具材料的分類 從上一章中的概述我們可以了解到 ,高速鋼刀具材 料大概可分為通用高性能高速鋼 ，粉末冶金高速鋼，低合金高速鋼，涂層高速鋼等幾大類。 高性能高速鋼 在通用型高速鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整基本化學(xué)成分并添加其他合金元素， 使其常溫與高溫力學(xué)性能得到顯著提高 ，便可得到 高性能高速鋼。 1) 高碳高速鋼 在 W18Cr4V 基礎(chǔ)上增加 %含碳量，形成 95W18Cr4V，根據(jù)化學(xué)平衡碳理論，可在淬火加熱時(shí)增加 高速鋼 奧氏體中的含碳量，加強(qiáng)回火時(shí)的彌散硬化作用， 從而提高了常溫和高溫硬度 。與 W18Cr4V 相比 95W18Cr4V 的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相當(dāng)。這個(gè)鋼 種的切削性能雖不及高鈷、釩高速鋼，但價(jià)格便宜，切削刃可以刃磨得很鋒利，故有應(yīng)用價(jià)值。同樣，還有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速鋼 ,但這種高性能高速鋼用得不多。 2) 高鈷高速鋼 在高速鋼中加鈷，可以促進(jìn)回火時(shí)從馬氏體中析出鎢、鉬碳化鎢，提高彌散硬化效果，并提高熱穩(wěn)定性，故能提高常溫、 高溫 硬度及耐磨性。增加鈷含量還可改善鋼的導(dǎo)熱性，降低刀具、工件間的摩擦系數(shù)， M42 是美國(guó)在這方面的代表性鋼種，其綜合性能甚為優(yōu)越。瑞典的 HSP15 也是這一類的鋼種，但其含釩量為 3%，刃磨加工性不如 M42。鈷含量高、價(jià)格昂 貴，不適合中國(guó)國(guó)情。我國(guó)研制成功的低鈷含硅高速鋼 Co5Si，性能優(yōu)越，價(jià)格低于 M42 和 HSP15，但 Co5Si 含釩量亦達(dá) 3%，刃磨加工性亦較差，故不宜用其制造刃形復(fù)雜的刀具。 3) 高釩高速鋼 高釩高速鋼的釩含量為 3%～ 5%，同時(shí)加大含碳量，形成 VC 與 V4C3，使高速鋼得到高的硬度和耐磨性。高釩高速鋼的耐熱性也好，但高釩高速鋼的刃磨加工性差，導(dǎo)熱性也不好， 沖擊韌性較低 ，故不宜用于復(fù)雜刀具。在高釩高速鋼中也可加入適當(dāng)?shù)拟?，成為高釩含鈷高速鋼。我國(guó)研制的高釩含氮高速鋼本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 V3N，價(jià)格便宜，切削性能也好，惟刃磨較難。后來(lái) 又研制出低鈷含氮高速鋼Co3N(W12Mo3Cr4Co3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但價(jià)格高于 V3N。 4) 含鋁高速鋼 我國(guó)研制出無(wú)鈷、廉價(jià)的含鋁高性能高速鋼 501(M2Al)，其中鋁含量約為1%。鋁能夠提高鎢、鉬在鋼中的溶解度，從而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，由于鋁化合物在鋼中能起 扎釘 作用，故鋼的常溫、 高溫硬度和耐磨性均得以提高 ，強(qiáng)度和韌性也都比較高，切削性能與 M42 相當(dāng)。 501 的釩含量為 2%，刃磨性能稍遜于M42。含鋁高速鋼是中國(guó)的一個(gè)獨(dú)創(chuàng)。 501 在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在國(guó)外也得到應(yīng)用。 20 世紀(jì)后期，中國(guó)在熔煉 高性能高速鋼的研制和應(yīng)用方面已有很大進(jìn)展，不僅仿制了國(guó)外的優(yōu)秀鋼種，如 M4 M35 等，還研制開發(fā)了具有中國(guó)特色的無(wú)鈷含鋁、少鈷含硅、 無(wú)鈷高釩含氮等高性能高速鋼種 ，性能很好。由于當(dāng)時(shí)的客觀狀況，產(chǎn)量和應(yīng)用都受到限制。近年，河冶和天工兩家公司大批量的生產(chǎn)各類高性能高速鋼，兩家的鋼號(hào)基本相同，為推廣應(yīng)用高性能高速鋼刀具創(chuàng)造了有利條件。 粉末冶金高速鋼 近幾年來(lái)高速鋼的最大變革就是發(fā)展了粉末冶金高速鋼，它的能優(yōu)于熔煉高速鋼。 與普通高速鋼的冶煉相比， 粉末冶金高速鋼的冶煉更具有其特殊性和先進(jìn)性 。普通高速鋼 通過(guò)電弧爐或感應(yīng)熔煉爐熔煉后，直接將鋼液澆注成鋼錠，然后再通過(guò)鍛造、軋制加工成鋼材，但由于鋼液澆注冷凝成鋼錠時(shí)，凝固速度十分緩慢，從鋼液中析出大量的金屬碳化物，形成魚骨狀的萊氏體和團(tuán)塊狀的粗大共晶碳化物，并產(chǎn)生碳化物偏析，直接影響到鋼的各種力學(xué)性能，特別是鋼的韌性 。用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融高速鋼水，得到細(xì)小高速鋼粉末，篩選后為 以下的顆粒；在真空 ()狀態(tài)下，密閉燒結(jié)達(dá)到密度 65%；再在 1100℃ 高溫、 300MPa 高壓下制成密度 100%的鋼坯，然后鍛軋成鋼材，這樣有效地解決了熔煉高速鋼在鑄 錠時(shí)要產(chǎn)生粗大碳化物偏析的問(wèn)題，而它無(wú)論截面多大，其碳化物級(jí)別均為一級(jí)。碳化物晶粒極細(xì)，小于 ，而熔煉高速鋼碳化物晶粒為 。 [15] 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 31 牌號(hào)為 CPM T15 的粉末冶金高速鋼 ，它的強(qiáng)度、韌性分別是同化學(xué)成分的熔煉高速鋼的 2 倍及 倍。盡管含釩量達(dá) 5%，但由于碳化物晶粒細(xì)，可磨性依然很好。高溫?zé)嵊捕纫脖热蹮捀咚黉撎岣?。又由于其物理機(jī)械性能高度各向同性，淬火變形小。碳化物 顆粒均勻分布的表面較大，不易從刀具的切削刃上剝落，小尺寸刀具耐磨性提高 倍，大尺寸刀具提高 2030%。 經(jīng)過(guò)對(duì) T42 粉末合金高速鋼在三種不同燒結(jié)環(huán)境和熱處理環(huán)節(jié)后的質(zhì)地研究，研究者們發(fā)現(xiàn) T42能實(shí)現(xiàn)最大硬度的環(huán)境是 1100?C奧氏體化后在 7001100?C燒結(jié)， 500550?C油料淬火。 [16] 粉末冶金高速鋼具有良好的力學(xué)性能，適合制造：間斷切削條件下易崩刃的刀具、 強(qiáng)度高而切削刃又必須鋒利的刀具 ，如插齒刀、滾刀、銑刀，高壓動(dòng)載荷下使用的刀具。 它的碳化物偏析小，晶粒細(xì)，可磨性好，適合制造：大 尺寸刀具、精密刀具、復(fù)雜刀具。這類材料的高溫?zé)嵊捕雀?，又適合制造難加工材料所用的刀具，確實(shí)是面面俱到。 粉末冶金高速鋼生產(chǎn)過(guò)程較復(fù)雜，造價(jià)較高。中國(guó)鋼廠提供的品種較少，市場(chǎng)用量也很少。 國(guó)際上著名鋼廠如美國(guó) Crucible 公司已可提供近二十種粉末冶金高速鋼，日本神戶制鋼所、日立金屬公司均可提供近十種粉末冶金高速鋼，供應(yīng)量也在迅速增長(zhǎng)。日本著名的 OSG 公司用粉末冶金高速鋼制造了鉆頭、銑刀、絲錐， NACHI 公司制造了滾刀、插齒刀、剃齒刀。 這是高速鋼真正的新發(fā)展 ，是在共同應(yīng)用領(lǐng)域可與硬質(zhì)合金刀具材料一較長(zhǎng)短的新型 刀具材料 。 我們有 理由相信技術(shù)性能高的粉末冶金高速鋼將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用 ，為金屬加工業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展。 但其高造價(jià)是個(gè)阻礙其大量推廣使用的桎梏。希望隨著技術(shù)的改進(jìn)，這種技術(shù)能變的更加經(jīng)濟(jì)。 低合金高速鋼的發(fā)展及其不足 根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，高速鋼的主要元素 (W、 Mo)的資源在世界范圍內(nèi)勘定和可取的儲(chǔ)量只夠 40～ 60 年使用，加上潛藏的儲(chǔ)量也只夠 100 年。因此節(jié)約本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 合金元素既有重要的戰(zhàn)略意義，又可節(jié)約鋼材成本。于是各國(guó)都在研制一些低合金高速鋼。 70 年代以后，由于合金資源短缺日趨嚴(yán)重，低合金高性能高速鋼的發(fā)展引起了 全世界的普遍貢視。 世界各國(guó)己相繼發(fā)展了 SW3S2(波蘭 )，D950(瑞典 )， VaeoDyne(美國(guó) )， 30 Dlol、 Dlo6(中國(guó) )等低合金高速鋼。低合金高速鋼的成分設(shè)計(jì)一般以高速鋼的基體成分為基礎(chǔ)，其 W、 M。合金元素總量只占高速鋼的 1/2 一 1/3。新型低合金高速鋼的性能特點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度和韌性一般高于傳統(tǒng)高速鋼，二次硬化和 600℃ 以下的紅硬性略高于或接近于傳統(tǒng)高速鋼，但 600℃ 以上的紅硬性和高溫硬度低于傳統(tǒng)高速鋼，這是因?yàn)?W、 Mo含量大幅度降低引起的。 近幾年出現(xiàn)了利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)制備等離子復(fù) 合滲表面冶金高速鋼。其形成機(jī)理是通過(guò)在廉價(jià)的金屬材料表面，滲入合金元素 W、 M。、 Cr、 V、 Ti、 Co 等，然后再進(jìn)行滲碳，使表面成分達(dá)到高速鋼的基本要求。通過(guò)后續(xù)高溫淬火和高溫回火，使表面達(dá)到高速鋼的性能。由于僅是在材料表面滲入合金元素，占整體材料的極少部分，從而大大節(jié)約了合金元素。該工藝技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是 : 形成的表面高速鋼層與基體是冶金結(jié)合，不存在著滲層與基體的剝落問(wèn)題 。滲層碳化物是在較低的溫度下固態(tài)形成，屬二次碳化物 (相對(duì)于從結(jié)晶中析出的碳化物而言 )，較易溶入奧氏體中，可充分的發(fā)揮合金元素的作用 。形成的碳 化物均勻、細(xì)小、彌散、一般呈粒狀分布，沒(méi)有粗大共晶萊氏體組織。該工藝技術(shù)的發(fā)明，引起了各方面的極大關(guān)注。 但是，該工藝技術(shù)由于采用先滲 W、 Mo，再固溶處理，最后滲碳的多步形成表面高速鋼的方法。高溫加熱次數(shù)多，工件和卡具嚴(yán)重變形，且工藝復(fù)雜。還存在多次高溫加熱后粗大組織的遺傳，使最后的淬火組織不正常，易出現(xiàn)過(guò)熱或欠熱現(xiàn)象。另外有些沿晶析出的粗大呈網(wǎng)狀的碳化物或金屬間化合物，造成滲層成分的不均勻，嚴(yán)重的影響了 機(jī)械 性能。 我認(rèn)為 標(biāo)準(zhǔn)高速鋼和低合金高速鋼都有其各自的用途 ，在很多場(chǎng)合低合金高速鋼都因其自身缺憾代替不了 標(biāo)準(zhǔn)高速鋼的作用， 目前一些廠家虛假鼓吹低合金高速鋼的性能是不正確的，應(yīng)該引起重視，可也不能因此就把它一棍子打死。 涂層高速鋼 優(yōu)勢(shì)及發(fā)展 在高速鋼 刀具 的基體上，用物理氣相沉積方法 (PVD)，涂覆耐磨材料薄層，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 33 可以大幅度地提高高速 鋼刀具 的使用性能 。 — 般，涂層材料用 TiN、 TiC 等，但多采用 TiN。涂層后， 刀具 表面呈金黃色。涂層厚度為 5～ 10181。m。 涂層高速鋼 刀具 約在 1980 年出現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)。發(fā)展極為迅速， 20 年來(lái)，它已在高速鋼 刀具 中占有一定比重。在美國(guó)、日本、德國(guó)，近一半的齒輪加工 刀具及立銑刀、鉆頭 等采用涂層， 提高了切削效率 ，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)對(duì)涂層高速鋼 刀具 的研究從 80 年代開始。近十年中， 刀具 制造行業(yè)已從美國(guó)、日本引進(jìn)了近 10 套 PVD 涂層設(shè)備，已出售各種涂層高速鋼 刀具 產(chǎn)品。在各地區(qū)和各部門，擁有數(shù)量眾多的國(guó)內(nèi)制造的涂層設(shè)備，所用的物理氣相沉積方法不同，有電弧發(fā)生等離子體氣相沉積法、等離子槍發(fā)射電子束離子鍍法、中空陰極槍發(fā)射電子束離子鍍法、 e 形槍發(fā)射電子束離子鍍法等，各有特色和優(yōu)缺點(diǎn)，涂層產(chǎn)品質(zhì)量亦有差異，電弧發(fā)生等離子體氣相沉積法用得最多。 TiN 的硬度為 HV1800 ～ 2021 ，密度為 ，熱導(dǎo)率為(m℃ )，線膨脹系數(shù)為 (～ )106/℃ 。而高速鋼基體的硬度僅為HV800～ 850。故涂層后的高速鋼 刀具 ，表面有硬層，耐磨性好，與被加工材料之間的摩擦系數(shù)小， 基體材料的韌性不降 低。實(shí)用情況表明，與未涂層的高速鋼刀具 相比，涂層后高速鋼 刀具 的切削力可降低 5～ 10％，由于涂層材料有熱屏障作用， 刀具 基體切削部分的切削溫度也有所降低；工件已加工表面粗糙度減??；刀具 使用壽命顯著提高。 TiN涂層只是目前技術(shù)發(fā)展最完善的涂層技術(shù) 。 涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學(xué) 性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的涂層材料很難滿足上述各項(xiàng)要求。所以硬質(zhì)涂