簡(jiǎn)析材料學(xué)在金屬切削加工中的應(yīng)用
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論文導(dǎo)讀：故合理選擇刀具材料對(duì)金屬切削加工至關(guān)重要。常用刀具材料主要有工具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料四大料，其中應(yīng)用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金是由硬度很高的難熔金屬碳化物和金屬粘接劑用粉冶金工藝燒結(jié)而成。在金屬切削加工中，了解加工工件材料的性能也極其重要。
關(guān)鍵詞：刀具材料，工件材料，高速鋼，硬質(zhì)合金，切削加工
材料學(xué)是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間相互關(guān)系的科學(xué)。材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起著關(guān)鍵性作用。刀具材料的發(fā)展反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史。而工件材料的性能直接影響刀具的壽命.
1.刀具材料的性能對(duì)切削方式的影響
刀具材料是指刀具切削部分的材料。合理選擇刀具材料影響到：
�。�1）切削加工生產(chǎn)率
�。�2）刀具耐用度
�。�3）刀具消耗和加工成本
（4）加工精度和表面質(zhì)量
故合理選擇刀具材料對(duì)金屬切削加工至關(guān)重要。常用刀具材料主要有工具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料四大料，其中應(yīng)用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。
1.1高速鋼性能及應(yīng)用
高速鋼是含有較多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。其抗彎強(qiáng)度較高，韌性較好，常溫硬度在62~66HRC，其耐熱性約為600~660℃。刃磨時(shí)切削刃易鋒利，故在生產(chǎn)中常稱為“鋒鋼”，磨光的高速鋼亦稱白鋼。
高速鋼綜合性能較好，故廣泛用于制作刀具。其具有高的強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度為3～3.4GPa）和高的韌性（180～320kJ/㎡）,具有一定的硬度、良好的耐磨性和熱處理變形小的特點(diǎn)，適用于制造各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的成形刀具、孔加工刀具等。
高速鋼按化學(xué)成分可分為鎢系高速鋼和鉬系高速鋼（含Mo2％以上）；高速鋼按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝方法不同，又可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。
高速鋼刀具制造工藝較簡(jiǎn)單，刀刃鋒利，適用于制造各種形狀復(fù)雜刀具(如鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等) 。常用的通用型高速鋼牌號(hào)——W6Mo5Cr4V2 、W18Cr4V ，高性能高速鋼——如9W6MoSCr4V2 、W6MoSCr4V3，比通用型高速鋼具有更好的切削性能，適合于加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、釷合金和高強(qiáng)度鍘等難加工材料，粉末冶金高速鋼，其性能優(yōu)于上述的高速鋼 ，540℃時(shí)HRA82~87，760℃時(shí)RA77~85，800--1000℃時(shí)，尚能進(jìn)行切削，刀具耐用度提高幾~幾十倍，同時(shí)切削速度提高4~10倍。但比高速鋼強(qiáng)度低，沖擊韌性差，不能承受切削振動(dòng)和沖擊負(fù)荷。
1.2硬質(zhì)合金性能及應(yīng)用
硬質(zhì)合金是由硬度很高的難熔金屬碳化物和金屬粘接劑用粉冶金工藝燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金的常溫硬度達(dá)71~76HRC，耐磨性很好，能耐800~1000度的高溫。科技論文。硬質(zhì)合金刀具允許的切削速度切削速度可達(dá)100~300m／min，比高速鋼高5~10倍，但抗彎強(qiáng)度低，怕沖擊振動(dòng)，制造工藝性差。硬質(zhì)合金中：碳化物含量高，則硬度高，抗彎強(qiáng)度低。粘結(jié)劑含量高，則硬度低，抗彎強(qiáng)度高。
硬度合金按其化學(xué)成分與使用性能為分K、P、M三個(gè)主要類別�？萍颊撐�。
�。�1）K類硬質(zhì)合金(舊牌號(hào)YG類)，適宜加工短切屑的脆性金屬和有色金屬材料，如灰鑄鐵、耐熱合金、銅鋁合金等，其牌號(hào)有K01、K10、K20、K30、K40等，精加工可用K01 ，半精加工選用K10 ，粗加工宜用K30
（2）P類硬質(zhì)臺(tái)金(舊牌號(hào)YT類)，適宜加工長(zhǎng)切屑的塑性金屬材料，如普通碳鋼、合金鋼等，其牌號(hào)有P01、P10、P20、P30、P50等，精加工可用P01 ，半精加工選用Pl0、P20 ，粗加工宜用P30
（3）M類硬質(zhì)合金(舊牌號(hào)YW類)，具有較好的綜合切削性能，適宜加工K切屑或短切屑的金屬材料，如普通碳鋼、鑄鋼、冷硬鑄鐵、耐熱鋼、高錳鋼、有色金屬等，其牌號(hào)有M10、M20、M30、M40，精加工可用M10，半精加工選用M20 ，粗加工宜用M30
1.3涂層刀具材料
在硬質(zhì)合金或高速鋼基體上，涂敷一層幾微米厚的高硬度、高耐磨性的金屬化合物(如碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等)而制成的。涂層硬質(zhì)合金的刀具壽命至少可提高l～3倍，涂層高速鋼的刀具壽命可提高2～10倍
2.工件材料的性能對(duì)切削加工的影響
在金屬切削加工中，了解加工工件材料的性能也極其重要。工件材料的強(qiáng)度、硬度提高，平均正壓力增大，因此，摩擦系數(shù)μ下降，剪切角φ增大，切削變形減小。塑性較高的材料，則變形較大。工件材料的塑性或韌性越高，切屑越不易折斷，使切屑與前刀面間摩擦增加，故切削力增大。材料硬化能力越高，則力越大。奧氏體不銹鋼，強(qiáng)度低、硬度低，但強(qiáng)化系數(shù)大，較小的變形就會(huì)引起材料硬度提高，所以切削力大。銅、鉛等塑性大，但變形時(shí)，加工硬化小，則切削力小。工件材料是通過強(qiáng)度、硬度和導(dǎo)熱系數(shù)等性能的不同對(duì)切削溫度產(chǎn)生影響的。以45鋼工件為參照，低碳鋼強(qiáng)度硬度低，導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度低。高碳鋼，強(qiáng)度硬度高，導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度高。40Cr硬度相等，強(qiáng)度略高，導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度高。合金鋼強(qiáng)度硬度高，導(dǎo)熱性能差，切削溫度高。不銹鋼強(qiáng)度硬度低，導(dǎo)熱系數(shù)較45鋼低3倍，切削溫度高.脆性材料摩擦小、產(chǎn)生熱量少、溫度比45鋼低。
3.刀具與工件材料須合理匹配
刀具、工件兩方面材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能必須得到合理的匹配，切削過程方能正常進(jìn)行，并獲得正常的刀具壽命；否則，刀具就可能會(huì)急劇磨損，刀具壽命很短。例如，硬度高的工件材料，就必須用更硬的刀具來加工；高速鋼刀具硬度不夠，不能用來切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵，硬質(zhì)合金則能勝任。加工硬脆材料，不僅要求刀具有很高的硬度，還要求有高的彈性模量，否則刃部難以支撐�？萍颊撐摹Ｓ糜操|(zhì)合金刀具加工淬硬鋼及其它硬脆材料，必須采用彈性模量較高（WC成分較多）的K類或M類牌號(hào)。以上是力學(xué)性能的匹配。不僅考慮刀具材料的常溫力學(xué)性能，還應(yīng)考慮其高溫性能。在加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱性較好的工具，以使切削熱得以傳出。從而降低切削溫度。
綜上所述，只有對(duì)材料學(xué)深入研究，在了解工件與刀具材料特性的基礎(chǔ)上，使被選用的刀具材料與工件材料相互“匹配”。既做到充分發(fā)揮刀具特性，又能較經(jīng)濟(jì)的滿足加工要求。值得說明的是，加工一般材料大量使用的仍是普通高速鋼與硬質(zhì)合金。只有加工難加工材料才有必要選用新牌號(hào)合金或高性能高速鋼，加工高硬度材料或精密加工時(shí)才需選用超硬材料。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]宮成立等． 金屬工藝學(xué). 機(jī)械工業(yè)出版社,2007
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