金属切削加工的基本知识.doc

第一章 金属切削加工的基本知识金属切削刀具切除工件上多余的金属材料，以获得所需要的形状、精度及表面质量，称为金属切削加工。它是机械制造工业中一种基本加工方法。11切削运动与切削用量一、切削运动 切削运动：刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动），切削运动可分为主运动和进给运动 主运动（切削运动）：在机床上形成切削速度并消耗大部分切削力的运动。它是必不可少的。进给运动（走刀运动）：机床上维持切削加工过程连续不断进行的运动。当表面成形运动只有一个时，则只有主运动，无进给运动；当表面成形运动有两个或两个以上时，其中一个为主运动，其余为进给运动。进给运动根据刀具相对工件被加工表面运动方向的不同，可分为纵向进给、横向进给、圆周进给、径向进给和切向进给等。车削：主运动：工件的旋转 进给运动：车刀沿工件轴线运动（纵向进给运动）垂直与工件轴线运动（横向进给运动）钻削：主运动：钻头的旋转 进给运动：钻头沿工件轴向运动刨削：牛头刨：主运动：刨刀的往复直线运动 进给运动：垂直于主运动方向间歇运动龙门刨：主运动：工件的往复直线运动 进给运动：垂直于主运动方向间歇运动磨削：主运动：砂轮的旋转 进给运动：工件的旋转，工件的轴向移动，砂轮沿工件径向进给拉削：主运动：拉刀运动 无进给运动二、 切削时产生的工件表面在切削加工时，工件上通常存在三个表面：待加工表面：工件上即将被切除的表面已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面过渡表面(加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间 三、 切削用量1切削速度：刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的速度，单位为m/s。刀具切削刃上各点切削速度可能是不同的，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。外圆车刀车削外圆时的切削速度计算公式为 dw 工件待加工表面的直径，(mm)； n 工件的转速，(r/s)内孔车削时的切削速度计算公式为 dm工件已加工表面的直径，(mm)；n 工件的转速，(r/s) 2进给量f：在主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，单位是mm/r(用于车削、镗削等)或mm/行程(用于刨削、磨削等)。进给量表示进给运动的速度。进给运动速度还可以用进给速度Vf（单位mm/s)或每齿进给量fz(用于铣刀、铰刀等多刃刀具，单位是mm/齿)表示。其中： n 主运动的转速，(mm/s)； z 刀齿齿数。3背吃刀量（切削深度）ap：工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 即对于外圆车削， 其中： dw工件待加工表面的直径，(mm)； dm工件已加工表面的直径，(mm) 对于钻孔工作512刀具的几何角度一、刀具切削部分的组成1.前刀面：切屑流过的刀面2.（主）后刀面：与工件过渡表面相对的刀面 3.副后刀面：与已加工表面相对的刀面4.主切削刃：前刀面与后刀面的交线，它完成主要的切削工作 5.副切削刃：前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面 6.刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃，它可以是小的直线段或圆弧 其它各类刀具，都可以看作是车刀的演变和组合二、定义刀具角度的参考系1.切削平面Ps（紫）：通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面2.基面Pr（黄）：通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面(车刀基面一般是平行于刀具底面平面)3.主剖面P0：（正交平面）（绿）通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面切削平面、基面和正交平面共同组成标注刀具角度的正交平面参考系。常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系三、车刀的标注角度刀具制造和刃磨所需要的角度，并且在刀具设计图上予以标注的角度，共有五个。正交平面测量角度：（绿）前角：在正交平面内测量的前刀面与基面（黄）之间的夹角前角表示前刀面的倾斜程度前角的正负后角：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面（紫）之间的夹角 后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值基面内测量：（黄）主偏角：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角主偏角一般为正值副偏角：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角 副偏角一般为正值切削平面内测量：刃倾角：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角 当主切削刃呈水平时，s=0，刀尖为主切削刃上最低点时，s 0。13切削层参数在切削过程中，工件每转一转或刀具每转一齿，刀具主切削刃相邻两位置间的一层金属，称为切削层。1.切削厚度hD：垂直于过渡表面测量的切削层尺寸，反映了切削刃单位长度上的切削负荷 hD=fsinr 2.切削宽度bD：沿工件过渡表面测量的切削层尺寸， 反映了切削刃参加切削的工作长度 bD=ap/sinr 3.切削面积AD：切削层在基面内的面积AD=bDhD=fap14金属切削刀具的常用材料 刀具切削部分的材料，刀具切削性能的好坏，主要取决于刀具材料、刀具的几何形状和刀具的结构，其中刀具的材料居于首位，它对于刀具的寿命、加工质量加工的成本都有很大的影响。一、刀具材料应具备的性能刀具在高温下进行切削加工，同时还要承受强烈的摩擦、冲击和振动，因此，对他要有一些特殊要求：1.硬度：刀具要对工件材料进行切削，要切入工件，他的硬度必须要高于工件材料的硬度，刀具材料常温硬度一般要求在HRC60以上2.耐磨性 表示刀具的抗磨损能力，一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好，还与化学稳定性有关。3.强度和韧性 承受切削力，冲击和振动，防止刀具发生脆性断裂和崩刃 强度：抗弯强度 韧性：冲击值来表示4.耐热性（高热稳定性）刀具在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力5.工艺性：为便于制造，具有良好的可加工性，锻造性能、焊接性能、磨削加工性能、热处理性能6.导热性：（良好的热物理性能和耐热冲击性能），导热系数越大，刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度，提高刀具的耐用度。不会因受到大的热冲击，产生到局内部裂纹，而使刀具断裂上述要求有些是相互矛盾的，例如硬度越高，耐磨性越好的材料，韧性和抗破损能力往往越差，而耐热性好的材料韧性也往往较差，实际工作重要根据具体的切削条件，选择合适的材料。二、常用刀具材料1碳素工具钢：含碳量在0.651.35%优质高碳钢（T12(读作碳12，制造冲头、锉刀)合金工具钢：加入Cr、W、Mn、Si等合金元素，总含量不超过35%耐热性较差（250300），仅用于手工工具及切削速度较低的刀具（铰刀、拉刀、丝锥、板牙、搓丝板等）2高速钢（HSS）高速钢全称高速合金工具钢，也称白钢、锋钢，是19世纪末研制成功的。高速钢是在高碳钢中加入较多合金元素W、Cr、V、Mo等与C生成碳化物制成的，加入合金元素后。细化了晶粒。提向了合金的硬度。一般高速钢的淬火硬度可达HRC6367。在切削温度高达500650C,仍能进行切削。允许的切削速度可比合金工具钢提高13倍，高速钢因此而得名。高速钢具有较高的强度。在所有刀具材料中它的抗弯强度和冲击值最高。(抗弯强度是硬质合金的23倍，为陶瓷的56倍)，制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，是制造各种刃形复杂刀具的主要材料按用途 通用型高速钢 钨系 W18Cr4V W是重要的战略物资，有些性能不能满足切削加工性能，其用量逐渐减小。（国外已经淘汰）钼系 W6Mo5Cr4V2 用1%的Mo代替2%W 减少碳化物的不均匀性，细化颗粒，提高韧性（制造麻花钻）满足一般材料的常规加工高性能高速钢W6Mo5Cr4VCo8（M42） Co高速钢 Co储量小，价格高（HRC70）W6Mo5Cr4V2Al(501) Al高速钢 我国独创材料与M42性能相当，可磨削性能略低切削性能好，适合加工难加工材料（高温合金、钛合金、不锈钢等）按制造工艺方法 熔炼高速钢粉末冶金高速钢：将高频感应炉熔炼的钢液用高压惰性气体（氩气）雾化成粉末，再经过冷压和热压，制成钢坯，再轧制或锻造成材塑性、韧性可磨削性能改善，材质均匀，热处理变形小，刀具耐用度高。3硬质合金以高硬度、高耐热性的高温碳化物（WC、TiC）粉末（微米级）为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结成的粉末冶金制品。它的耐热性比高速钢高得多，约在8501000C，允许的切削速度约是高速钢的4l0倍。硬度很高，可达HRA8993；但它的抗弯强度只为高速钢的一半，冲击韧性不足高速钢的125110。因而很少用于制造整体刀具，一般制成各种形状刀片，焊接或直接夹固在刀体上使用（1）分类：钨钴类（YG类或K类） WC+CoYG3 Y:硬质合金 G:钴 3：Co含量3%YG3X X:细晶粒钨钛钴类（YT类或P类） WC+TiC+CoYT30 Y:硬质合金 T:碳化钛 30:TiC含量30%添加稀有金属碳化物类（TaC或NbC，提高合金的综合切削性能）YA类 WC+TaC（NbC）+CoYA6: A:含TaC(NbC)的钨钴类硬质合金YW类（或M类） WC+TiC+TaC（NbC）+Co 硬度和耐磨性能介于YG和YT之间YW1: W:通用合金镍钼钛类（YN类）TiC+WC+Ni、MoYN10 N:Ni、Mo 作粘结剂的合金 10:Ni含量10%（2）不同牌号硬质合金比较TiC，硬度Co，韧性精加工选用含Co少的合金，粗加工或有冲击载荷时，选用含Co多的合金（3）YG和YT比较（含Co量相同）硬度 YTYG抗弯强度和韧性 YTYG*YG：韧性好，但耐磨性差，适于加工铸铁、青铜等脆性材料*YT：硬度高，耐热性好，适宜加工钢件4陶瓷材料用Al2O3和Si3N4为主要成分，经压制成形后烧结而成的刀具材料硬度高（HRA9195）化学性能稳定耐氧化强度低、韧性差 用于（高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等材料）精加工，但近年来，采取了一些新工艺方法（控制原料的纯度和晶粒尺寸，添加碳化物或金属，采用热压和热静压等工艺），强度和冲击性能有了很大的提高，适用范围不断扩大。与硬质合金相比加工材料的硬度更高 HRC（布氏硬度）65的高硬度材料切削效率提高310倍刀具耐用度提高几倍至几十倍有很高的高温硬度 1200C HRA（洛氏硬度）80Al2O3资源丰富、价格低是很有发展前途的刀具材料5立方氮化硼（CBN）是上世纪70年代才发展起来的人工合成刀具材料。它是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成硬度仅次于金刚石 HV（维氏硬度）=8000有很好的热稳定性和化学惰性金刚石 700800 C 即碳化而CBN在1000C以上甚至1500C也不发生相变，12001300C也不与铁族金属起反应，既能加工非铁族难加工材料又能加工铁族难加工材料6人造金刚石通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成极高硬度