[工学]机械制造基础三.ppt

第三章 切削条件合理选择及刀具的选择,主要内容,第一节 工件材料的切削加工性 第二节 刀具材料 第三节 切削液 第五节 切削用量的选择,第一节 工件材料的切削加工性,工件材料的切削加工性：是指对某种材料进行切削加工的难易程度 。 良好的切削加工性一般包括： （1） 在相同的切削条件下刀具有较高的使用寿命；或在一定的刀具使用寿命下，能够采用较高的切削速度。 （2）相同切削条件下，切削力或切削功率小，切削温度低。 （3）容易获得良好的表面加工质量。 （4）容易控制切屑的形状或容易断屑。,第一节 工件材料的切削加工性,工件材料的切削加工性是指材料在一定条件下被切削加工成合格零件的难易程度。,考虑生产率和耐用度的表示方法 1）一定生产率条件下，加工这种材料时刀具耐用度； 2）一定刀具耐用度前提下，加工这种材料所允许的切削速度； 3）相同的切削条件下，刀具达到磨钝标准时所能切除工件材料的体积。 考虑已加工表面质量的表示方法 考虑切削力或切削功率的表示方法 考虑是否易于断屑的表示方法,1 切削加工性的概念和衡量指标,1）刀具耐用度指标 在切削普通金属材料时，用刀具耐用度达到60min时允许的切削速度v60的高低来评定材料的加工性。难加工材料用v20来评定。此外，经常使用相对加工性指标，即以45号钢（HB170229，b0.637GPa）的v60为基准，记作v060。其它材料的v60与v20之比值称为相对加工性，即：,式中,v60 某种材料其刀具使用寿命为60min时的切削速度； (v60) j 切削45钢，刀具使用寿命为60min时的切削速度。,材料切削加工性指标通常用vT表示，vT是指耐用度为T秒（或分）时，切削某种材料所允许的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。,通常取T3600秒（60分），vT写作v3600（v60）；对于一些特别难加工的材料，也可取T1800秒（30分），vT写作v1800（v30）。,如果以45钢的v3600（v60）作为基准，写作（v3600）j ；而把其它各种材料的v3600（v60）同它相比，这个比值Kr称为材料的相对加工性。即：,（2-10）,一、工件材料的切削加工性,1.切削加工性的概念和衡量指标 标准一 用刀具寿命来衡量 在相同的切削条件下，使用同一型号（最好是同一把）刀具，在同一磨钝标准（例如VB = 0.3 mm）下，切削两种不同的工件材料，刀具寿命高的比寿命低的切削加工性好。,一、工件材料的切削加工性,1.切削加工性的概念和衡量指标 标准二 用切削速度来衡量 在刀具寿命相同的条件下，允许切削速度高的工件材料，其切削加工性能好。,一、工件材料的切削加工性,标准二 用切削速度来衡量 为统一标准起见，取正火状态下的45钢作基准材料，刀具寿命为60 min，这时的切削速度为基准（写作 (vc 60) j ），而将其它材料的 (vc 60)与其相比，这个比值Kr称为相对加工性：,一、工件材料的切削加工性,标准三 用已加工表面的表面质量来衡量 精加工时，常以已加工表面质量作为衡量切削加工性的指标，容易获得良好已加工表面质量的，其加工性就好，反之就差。,二、影响材料切削加工性的主要因素,1材料的物理力学性能 （1）硬度和强度 （2）塑性和韧性 （3）导热系数 （4）其它物理力学性能：如线性膨胀系数,二、影响材料切削加工性的主要因素,2 材料的化学成分 主要是通过其对材料物理力学性能的影响来影响切削加工性(见下图)。钢中碳的质量分数在0.4%左右的中碳钢，加工性最好。而碳的质量分数低或较高的低、高碳钢均不如中碳钢。 另外，钢中含的合金元素Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等虽能提高钢的强度和硬度，但却使钢的切削加工性降低。而钢中添加少量的S、P、Pb、Ca等能改善其加工性。,图3-1 各种元素对钢加工性的影向 + 表示加工性改善； - 表示加工性变差,二、影响材料切削加工性的主要因素,3材料的金相组织 铁素体塑性和韧性很高、硬度低，故切削时粘结严重，加工性不好。珠光体呈片状分布时硬度较高，刀具磨损较严重，而呈球状分布时硬度较低切削加工性较好奥氏体硬度不高但塑性和韧性很高切削时变形及加工硬化严重，切削加工性较差。马氏体、索氏体及托氏体的硬度较高切削加工性差。,三、难加工材料的切削加工性,（一）高锰钢的切削加工性 加工硬化严重，塑性变形使奥氏体组织变为细晶粒的马氏体组织。 导热率低，切削温度高；韧性大，约为45钢的8倍。伸长率大，变形严重，切削力增加。 （二）不锈钢的切削加工性 铬、镍含量大。增加加工硬化，易粘刀。切屑与前刀面接触长度较短，刀尖附近应力大。容易塑变或崩刃。导热性差，锯齿形切削引起切削波动大，易产生振动，使刀具破损。,四、改善材料切削加工性的基本方法,（1）调整化学成分 （2）材料加工前进行合适的热处理 （3）选择加工性好的材料状态 （4）采用新的切削技术, 碳素钢,普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。 低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。 高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。 相对而言，中碳钢的切削加工性较好。,，,在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。, 合金工具钢, 有色金属,有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。, 铸铁,铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。,，,第二节 刀具材料,一、刀具材料应具备的性能,（1）高的硬度 （2）高的耐磨性 （3）足够的强度和韧性 （4）高的耐热性（指高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能） （5）良好的导热性和工艺性（良好的冷加工工艺性、热加工热处理、表面处理、锻造、铸造等工艺性） （6）经济性。,1）高的硬度和耐磨性 2）足够的强度和韧性 3）较好的热硬性 4）良好的工艺性 5）经济性,刀具材料,刀具材料,常用的刀具材料有,碳素工具钢 切削金属的性能较差，切削刃 合金工具钢 锋利，可加工木材、橡胶、塑料。 高速钢 生产中用的最多、 硬质合金 最广。 陶瓷 强度低、脆性大，成本高， 金刚石 仅用于某些有限的场合。 立方氮化硼,二、高速钢,高速钢是一种合金工具钢，具有一定的硬度（63 HRC 70 HRC）和耐磨性，有较高的耐热性，在切削温度高达500600时尚能切削。 加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性； 制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。 高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢； 按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢。,二、高速钢,高速钢是强度和韧性最好的刀具材料，适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材料。 高速钢的冷加工工艺性特别好，在热处理前，高速钢可以象一般中碳钢一样的进行各种加工；热处理后，高速钢刀具可以磨出锋利的切削刃。,二、高速钢,正是由于高速钢具有足够的强度、硬度、耐热性和耐磨性，具有特别好的冷加工工艺性、磨削加工工艺性和较好的热加工工艺性，所以，在钻头、丝锥、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等复杂刀具制造中，高速钢仍占主导地位。,二、高速钢,图3-2 各种高速钢刀具,（1）普通高速钢,钨钢 W18Cr4V（简称W18）。含W18、Cr4%、V1。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小；磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具（如热轧钻头）。 钨钼钢 将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为W6Mo5Cr4V2（简称M2）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性也好，目前各国广为应用。,（二）高性能高速钢,高性能高速钢是在通用高速钢的成分中，增加碳含量形成高碳高速钢、增加碳化钒含量形成高钒高速钢、或者添加钴、铝等元素形成钴高速钢、铝高速钢，目的是为了提高高速钢的耐热性和耐磨性 。,（二）高性能高速钢,钴高速钢（W2Mo9Cr4VCo8） 具有良好的综合性能，加入钴可提高它的高温硬度， 在600时硬度为HRC55，故允许的切削速度较高，有一定韧性，可磨削性好，加工耐磨合金钢、不锈钢时，刀具耐用度明显提高。但钴含量较多成本较贵。 铝高速钢（W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3Al）加入了少量的铝不但提高了钢的耐热性和耐磨性，而且还能防止含碳量高引起的强度和韧性下降。加工HRC3040的调质钢时，刀具耐用度提高34倍，但磨削性能差，热处理温度控制困难。 高钒高速钢 W18Cr4V 提高了钢的耐磨性，用于切削高强度钢，刃磨性比普通高速钢差。,选用高速钢的原则,（1）切削一般材料可以用普通高速钢，以W18Cr4V用的最多。W6Mo5Cr4V2主要用于热轧刀具，W14Cr4VMnRE其韧性最高，可作热轧刀具。 （2）如工艺系统刚性好，切削难加工材料时，简单刀具可用高钒、高钴高速钢，复杂刀具可用钨钼系低钴高速钢。,（三）涂层高速钢,表面采用PVD（物理气相沉积法）技术，在真空、工艺处理温度500度的环境下，在刀具表面涂覆TiN、TiC、TiCN等硬膜，以提高刀具性能的新工艺。使用寿命提高37倍，切削效率提高30。 已在形状复杂的钻头、丝锥、成形铣刀及齿轮刀具上广泛应用,刀具材料,三 硬质合金,硬质合金是由高硬度的难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金属粘结剂（如Co、Ni等）用粉末冶金方法制成的一种刀具材料。,三 硬质合金,硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。 常用硬质合金的硬度为89 HRA 93 HRA，比高速钢（83 HRA 86.6 HRA）高得多，在8001000时还能切削， 所以硬质合金的耐热性能比高速钢好。,三 硬质合金,硬质合金由于切削性能优良，已成为主要的刀具材料 绝大部分车刀采用硬质合金，端铣刀和一些形状复杂的刀具如麻花钻、齿轮滚刀、铰刀、拉刀等也日益广泛采用此材料。 刀具使用寿命可提高十倍，切削速度可提高410倍。 抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。,三 硬质合金,硬质合金的冷加工性和热加工性都很差 。硬质合金由于具有高硬度、高耐热性和高耐磨性，加工性能优良，而且生产成本较低，所以，使用极其广泛。 主要用于制造如车刀、刨刀、铣刀、深孔钻、铰刀等简单刀具。,三 硬质合金,(1) 钨钴类硬质合金 YG类具有较高的抗弯强度和韧性，所以适用于加工铸铁，也适用于加工有色金属和非金属材料。此外，YG类硬质合金还适用于加工钛合金和不锈钢。 常用牌号有YG3、YG6、YG8,三 硬质合金,2）钨钛钴类硬质合金： 钨钛钴类硬质合金的代号为YT，相当于ISO标准的P类。 （WCTiC+Co） YT类硬质合金适用于在中高切削速度下加工钢料。 常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30,(3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金： 钨钛钽（铌）钴类硬质合金的代号为YW，相当于ISO标准的M类。 WCTiC+TaC(NbC)+Co。 YW类硬质合金兼有YG类和YT类的优点，具有硬度高、耐热性好和强度高、韧性好的特点，既可加工钢材，也可加工铸铁和有色金属，故被称为通用硬质合金。 YW类硬质合金主要用于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。YW1适用于精加工，YW2 适用于粗加工。YW类硬质合金成本高，使用受限。,（4）钨钽（铌）钴类（WO+TaC(NbC)+Co）YA 硬质合金具有较高的硬度和耐磨性，同时能细化晶粒，可提高高温硬度、高温强度和抗氧化能力。 适于切削冷硬铸铁、有色金属及其合金。,刀具材料,硬质合金新旧牌号的对照,GB/T18376.1-2001 P类硬质合金:YT类 M类硬质合金:YW类 K类硬质合金:YG类,4.其他刀具材料,陶瓷 金刚石 立方氮化硼,（一）陶瓷,纯Al2O3陶瓷及Al2O3TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷 陶瓷刀具有很高的硬度（HRA9195）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高25倍； 有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的能力好。 可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。 但脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途的。,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。 用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。, 陶瓷刀具材料,陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA9195）和耐热性，在1200的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。,（二）金刚石,是目前人工制造出的最硬的物质，硬度高达HV10000 耐磨性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。 切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少； 有较低的摩擦系数，其切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。 热稳定性差，切削温度不宜超过700800； 强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削； 与铁有极强的化学亲合力，不适于加工黑金属。 目前主要用于磨具和磨料，对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔；加工铝合金、铜合金时，切削速度可达8003800m/min。,（三）立方氮化硼,由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。 有很高的硬度（HV80009000）及耐磨性；其比金刚石高得多的热稳定性（1400），可用来加工高温合金； 化学惰性大，与铁族金属直至1300时也不易起化学反应，可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁； 有良好的导热性、较低的摩擦系数。 它目前不仅用于磨具，也逐渐用于车、镗、铣、铰。 它有两种类型：整体聚晶立方氮化硼，能像硬质合金一样焊接，并可多次重磨；立方氮化硼复合片，即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0.5mm的立方氮化硼而成。,第三节 切削液,一、切削液的作用,冷却作用 润滑作用 清洗作用 防锈作用,二、切削液的种类及选用,1、水溶液 2、乳化液 3、切削油 4、其他,第四节 刀具合理几何参数的选择,一、前角的功用及选择,前角o的功用 影响切屑变形和切削力及功率； 影响刀头强度、受力性质及散热条件； 影响切屑形态和断屑； 影响加工表面质量。,一、前角的功用及选择,前角的选择原则 1、工件材料方面 2、刀具材料方面 3、粗加工方面,二、后角的功用及选择,后角功用：增大后角能减少后刀面与过渡表面间的摩擦，还可以减小切削刃圆弧半径，使刃口锋利。同时减小刀刃强度和散热能力。 选择原则： 粗切可取小值；精切应取大值。工艺系统刚性差取小值；工件材料硬度、强度大，取小值。,三、斜角切削与刃顷角的选择,刃顷角度不为零，即主切削刃与切削速度方向不垂直，称斜角切削。 刃顷角的功用： 影响切屑流出方向 影响切削刃的锋利性，因实际前角较大，可进行薄切削。 影响刀刃强度。 影响背向力Fp与进给力Ff的比值。,图3-3 刃倾角对切屑流向的影响,四、主副偏角的功用及其选择,主副偏角r、r的功用 影响切削层形状和刀尖角； 影响刀尖的散热条件及刀尖强度； 影响切削力的比值； 影响残留面积高度； 影响断屑效果及排屑方向。,四、主副偏角的功用及其选择,主偏角的选择原则 粗、半精加工的刀具，因为其切削力大、振动大，对于抗冲击性差的刀具材料（如硬质合金），应选大的主偏角以减小振动； 系统刚性不足时，为减小切削的振动，应选大一些的主偏角； 加工强度大、硬度高的材料时，为求减小切削刃上的单位负荷、改善切削刃区的散热条件，应选小一些的主偏角； 对用于单件小批量生产的刀具，为求一刀多用，一般r=45或90。,第五节 切削用量的合理选择,1 选择切削用量的原则,选择合理的切削用量是切削加工中十分重要的环节 选择合理切削用量时，必须考虑合理的刀具寿命。 所谓合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下，充分利用刀具切削性能和机床性能，获得高生产率和低加工成本的切削用量。 切削速度对刀具使用寿命得影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。,生产率可用单位时间内的金属切除量Qz表示。 切削用量三要素同生产率均保持线性关系，即提高切削速度、增大进给量和背吃刀量，都能“同样地”提高生产率。,粗车时，ap和f 较大，故选择较低的vc；反之精车时选择较高的vc。 工件材料强度、硬度高时，应选较低的vc；加工奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的vc。 切削合金钢比切削中碳钢切削速度降低20%30%；切削调质状态的钢比切削正火、退火状态钢要降低切削速度20%30%；切削有色金属比切削中碳钢的切削速度可提高100%300%。 刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高，如硬质合金钢的切削速度比高速钢刀具可高几倍，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石和CBN刀具可采用更高的切削速度。 精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。 断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低切削速度。 在易发生振动情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。 加工大型工件、细长件和薄壁工件或带外皮的工件，应适当降低切削速度。,在生产中选择切削速度的一般原则,选择切削用量的原则,在机床、工件、刀具强度和工艺系统刚性允许的条件下 首先选择尽可能大的背吃刀量ap， 其次根据加工条件和要求选用所允许的最大进给量f， 最后再根据刀具的使用寿命要求选择或计算合理的切削速度。,背吃刀量的选择,背吃刀量根据加工余量来确定。切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。 粗加工（Ra8020mm）时应尽量