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        金属切削时,刀具切削部分直接和工件及切屑相接触,承受着很大的切削压力和冲击,并受到工件及切屑的剧烈摩擦,产生很高的切削温度。也就是说,刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此,刀具材料应具备以下基本性能。

1.硬度高刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度,否则在高温高压下,就不能保持刀具锋利的几何形状。目前,切削性能最差的刀具材料——碳素工具钢,其硬度在室温条件下也应在62HRC以上;高速钢的硬库为63〜70HRC;硬质合金的硬度为80〜93HRA。

HRC和HRA都属洛式硬度,HRA硬度一般用于高值范围(大于70)HRC硬度值的有效范围是20〜70之间。60〜65HRC的硬度相当于81〜83.6HRA和维氏硬度687〜830HV。

2.足够的强度和韧性刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力。例如,车削45钢时,当aP=4mm,/=0.5mm/r时,刀片要承受约4000N的切削力。因此,刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的抗弯强度Ab(单位为Pa=N/m2)表示它的强度大小。用冲击韧度(单位为J/m2)表示其韧性的大小,它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。

3.耐磨性和耐热性好刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说,刀具材料硬度越高,耐磨性也越好。此外,刀具材料的耐磨性还和金相组织中化学成分、硬质点的性质、数量、颗粒大小和分布状况有关。金相组织中碳化物越多,颗粒越细,分布越均勻,其耐磨性也越高。

刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系。其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量,或叫热硬性。高温硬度越高,表示耐热性越好,刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。耐热性差的刀具材料,由于高温下硬度显著下降而会很快磨损乃至发生塑性变形,丧失其切削能力。

4.导热性好刀具材料的导热性用热导率[单位为W/(m•K)]来表示。热导率大,表示导热性好,切削时产生的热量容易传导出去,从而降低切削部分的温度,减轻刀具磨损。此外,导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热龟裂的性能增强,这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削,特别在加工导热性能差的工件时尤为重要。

5.工艺性好为了便于制造、要求刀具材料有较好的可加工性,包括锻压、焊接、切削加工、热处理、可磨性等。

6.经济性好经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一,也是正确选用刀具材料、降低产品成本的主要依据之一。

刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料五大类。其主要力学物理性能见表2-1。但目前应用最多的是高速钢和硬质合金。据统计,我国目前高速钢用量约占刀具的60%以上,硬质合金的用量约占30%以上,随着难加工材料应用的增加,陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增长。日本1988年金刚石(主要是人造金刚石)的使用量达7500万克拉(150。预计1995年金刚石、立方氮化硼(CBN)工具的产值将达13.5亿美元。

表2-1各类刀具材料的力学物理性能

材料种类 密度/(g/cm3) 硬度HRC(HRA)[HV] 抗弯强度/GPa① 冲击韧度/(MJ/m2)② 热导率/[W/(m•K)]③ 耐热性/°C 线膨胀系数/X10-6(1/°C)
工具钢 碳素工具钢 7.6~7.8 60~65(81.2~84) 2.16 ~41.87 200~250 11.72
合金工具钢 7.7~7.9 60~65(81.2~84) 2.35 ~41.87 300~400  
高速钢 8.0~8.8 63~70(83~86.6) 2~4.5 0.098~0.588 16.75~25.1 600~700 9~12
硬质合 钨钴类 14.3~15.3 (89~92) 1.08~2.35 0.019~0.059 75.4~87.9 800 3~7.5
钨钛钴类 9.35~13.2 (89~92.5) 0.9~1.4 0.0029—0.0068 20.9~62.8 900  
含有碳化钽、铌类 (~92) ~1.5 1000~1100  
碳化钛基类 5.56~6.3 (92~93.3 0.78~1.08 1100 8.2
陶瓷 氧化铝陶瓷 3.6~4.7 (91~95) 0.44~0.686 0.0049~0.0117 4.19~20.93 1200 6.3~9
氧化物碳化物系陶瓷     0.71~0.88     1100  
氮化硅陶瓷 3.26 [5000] 0.735~0.83 37.68 1300 3.2~3.7
超硬材料 立方氮化硼 3.44~3.49 [8000~9000] ~0.294 75.55 1400~1500 4.8
人造金刚石 3.47~3.56 [10000] 0.21~0.48 146.54 700~800 0.9~1.2

国家法定计量单位与旧单位换算关系如下:

① lkgf/mm2=9.8X106Pa=9.8X10-3GPa

② 1kg•m/cm2=9.8X104J/m2=9.8X10一2MJ/m2

③ lcal=4.1868J

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