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第一章机械制造工艺装备 金属切削原理与刀具的基本知识 金属切削加工的目的 使被加工零件的尺寸精度 形状和位置精度 表面质量达到设计与使用要求 零件的成形原理见书P4 金属切削加工要切除工件上多余的金属 形成已加工表面 必须具备两个基本条件 切削运动 造型运动 和刀具 几何形态 造型运动的复杂程度将影响机床的结构 刀具的复杂程度将影响刀具制造 刃磨的难易程度 同时也会促进刀具材料 刀具制造工艺的发展 一 金属切削加工的基本概念 图2 1外圆车削的切削运动与加工表面 由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动 它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料 使被切削层转变为切屑 从而形成工件的新表面 在切削运动中 主运动速度最高 耗功最大 是切下切屑所必须的基本运动 切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向 切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度 即 单位时间内 刀具和工件在主运动方向上的相对位移 刀具与工件之间附加的相对运动 它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑 从而形成具有所需几何特性的已加工表面 进给运动可由刀具完成 如车削 也可由工件完成 如铣削 可以是间歇的 如刨削 也可以是连续的 如车削 参见下页或书P5 7 切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向 切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度 主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动 图1 1 1 7书P5 7各种切削加工的切削运动 首先 切削刃相对于工件的运动过程 就是表面形成过程 在这个过程中 切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表面和已加工表面 有两个要素 一是切削刃 二是切削运动 不同的切削运动的组合 即可形成各种工件表面 2 切削加工过程中的工件表面 车削加工是一种最常见的 典型的切削加工方法 车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面 上图2 1 工件上待切除的表面 工件上经刀具切削后产生的新表面 工件上切削刃正在切削的表面 它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面 3 切削要素 切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数 对切削运动定量描述的重要指标之一 外圆车削的切削速度为vc dwn 1000 是指刀具在进给运动方向上相对工件的每转或每行程相对位移量 当主运动是回转运动时 进给量指工件或刀具每回转一周 两者沿进给方向的相对位移量 单位为mm r 当主运动是直线运动时 进给量指刀具或工件每往复直线运动一次 两者沿进给方向的相对位移量 单位为mm 双行程 在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸 外圆车削 ap dw dm 2 三要素的乘积作为衡量指标 单位为mm3 min Qz 1000vcfap 切削层是指在切削过程中 由刀具在切削部分的一个单一动作 或指切削部分切过工件的一个单程 或指只产生一圈过渡表面的动作 所切除的工件材料层 如下图2 2 垂直于正在加工的表面 过渡表面 度量的切削层参数 hD fsinKr 平行于正在加工的表面 过渡表面 度量的切削层参数 bD ap sinKr 图2 2车削时的切削层参数 在切削层参数平面内度量的横截面积 AD hDbD apf 上述公式中可看出hD bD均与主偏角有关 切削层公称横截面积AD与hD bD或f ap有关 二 刀具角度 一 刀具的构成 1 刀面 刀具切削部分的基本定义 图2 3 图2 3外圆车刀的构成 2 刀刃 3 刀尖 刀具角度是为刀具设计 制造 刃磨和测量时所使用的几何参数 它们是确定刀具切削部分几何形状 各表面空间位置 的重要参数 用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系 参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系两类 二 定义刀具角度的参考系 1 刀具静止参考系 2 正交平面参考系 由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成 图2 5p17 通过切削刃上选定点 垂直于该点切削速度方向的平面 通常平行于车刀的安装面 底面 通过切削刃上选定点 垂直于基面并与主切削刃相切的平面 通过切削刃上选定点 同时与基面和切削平面垂直的平面 图2 5正交平面参考系 3 其它刀具标注参考系 略 正交平面参考系与法平面参考系 三 刀具的标注角度 说明 以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高 刀杆纵向轴线垂直于进给方向 刀具安装理想位置 以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的 图2 6车刀的主要角度 四 刀具工作角度 刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度 又称实际角度 研究刀具工作角度的变化趋势 对刀具的设计 改进 革新有重要的指导意义 1 刀具工作参考系的建立 刀具工作参考系 通过切削刃上的考查点 垂直于合成切削运动速度方向的平面 通过切削刃上的考查点 与切削刃相切且垂直于工作基面的平面 通过切削刃上的考查点 同时垂直于工作基面 工作切削平面的平面 2 刀具工作角度的分析 图2 11 p19 横向进给运动对工作角度的影响 图2 10纵向进给运动对工作角度的影响 图2 8a 刀尖安装高低对工作角度的影响 图2 9车刀安装偏斜对工作主偏角 副偏角的影响 三 刀具材料 1 刀具材料应具备的性能 2 常用刀具材料 包括碳素工具钢 合金工具钢和高速钢 风 锋钢 有钨钴 YG 类硬质合金 钨钛钴 YT 类硬质合金和钨钛钽 铌 YW 类硬质金 推广使用新型刀具材料如涂层刀具 陶瓷刀具 立方氮化硼等 高速钢和硬质合金的主要物理力学性能见表2 1 p27 1 高速钢 它是一种加入较多钨 钼 铬 钒等合金元素的高合金钢 热处理后硬度可达62 66HRC 抗弯强度高 有较高的热稳定性 耐磨性 耐热性 切削温度在500 650 C时仍能进行切削 由于热处理变形小 能锻造易刃磨 所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具 如成形车刀 铣刀 钻头 切齿刀 螺纹刀具和拉刀等 按用途可分为 通用高速钢和高性能高速钢 按制造工艺可分为 熔炼高速钢 粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢 按基本化学成份可分为 钨系和钼系 1 高速钢的分类 2 常用高速钢的牌号与性能 通用型高速钢W18Cr4V 18 4 1 由于钨价高 热塑性差 碳化物分布不均匀等原因 目前国内外已很少采用 高性能高速钢高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳 钒 钴或铝等合金元素 使其常温硬度可达67 70HRC 耐磨性与热稳定性进一步提高 可以用于加工不锈钢 高温合金 耐热钢和高强度钢等难加工材料 典型牌号有W2Mo9Cr4VCo8 M42 W6Mo5Cr4V2A1 501 粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末 然后再热压锻轧制成 适用于制造精密刀具 大尺寸 滚刀 插齿刀 刀具 复杂成形刀具 拉刀等 高速钢的主要物理力学性能见表2 1 p27 硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料 大多数车刀 端铣刀等均由硬质合金制造 硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物 碳化钨WC 碳化钛TiC 碳化钽TaC 碳化铌NbC等 和金属粘结剂 Co Mo Ni等 用粉末冶金工艺制成 硬质合金刀具常温硬度为74 82HRC 化学稳定性好 热稳定性好 耐磨性好 耐热性达850 1000 C 硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5 10倍 2 硬质合金 钨钴类 YG WC Co 钨钛钴类 YT WC TiC Co 添加稀有金属碳化物类 WC TiC TaC NbC Co 碳化钛基类 TiC WC Ni Mo 1 硬质合金的分类 2 常用硬质合金的牌号及其性能 钨钴类硬质合金代号为YG 属K类 ISO国际标准化组织 合金中含钴量愈高 韧性愈好 适合于粗加工 反之用于精加工 YG K 类硬质合金 有较好的韧性 磨削性 导热性 适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料 钨钛钴类硬质合金代号为YT 属P类 它以WC为基体 添加TiC 用Co作粘结剂烧结而成 合金中TiC含量提高 Co含量就低 其硬度 耐磨性和耐热性进一步提高 但抗弯强度 导热性 特别是冲击韧性明显下降 适合于精加工 钨钛钽 铌 类硬质合金代号为YW 属M类 它在YT P 类硬质合金中加入TaC或NbC 这样可提高抗弯强度 疲劳强度 冲击韧性 抗氧化能力耐磨性和高温硬度等 它既适用于加工脆性材料 又适用于加工塑性材料 常用硬质合金的牌号与性能见表2 1 p27 3 涂层刀具材料 在韧牲较好的刀具基体上 涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物 既能提高刀具材料的耐磨性 又不降低其韧性 常用的涂层材料有TiC TiN Al203及其复合材料等 涂层厚度随刀具材料不同而异 硬度高 耐磨性好 抗氧化性好 切削时能产生氧化钛膜 减小摩擦及刀具磨损 在高温时能产生氧化膜 与铁基材料摩擦系数较小 抗粘结性能好 并能有效降低切削温度 第一层涂TiC 与刀具基体粘牢不易脱落 第二层涂TiN 减少表面层与工件间的摩擦 第一层涂TiC 与刀具基体粘牢不易脱落 第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能 目前单涂层刀片已很少应用 大多采用TiC TiN复合涂层或TiC Al2O3 TiN三复合涂层 4 其它刀具材料 以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属 在高温下烧结而成的一种刀具材料 其优点是硬度高 耐磨性 耐高温性能好 有良好的化学稳定性和抗氧化性 与金属的亲合力小 抗粘结和抗扩散能力强 其缺点是脆性大 抗弯强度低 冲击韧性差 易崩刃 所以使用范围受到限制 可用于钢 铸铁类零件的车削 铣削加工 碳的同素异形体 在高温 高压下由石墨转化而成 是目前人工制造出的最坚硬物质 由于硬度极高 耐磨性好 切削刃口锋利 刃部表面摩擦系数较小 不易产生粘结或积屑瘤 可用于加工硬质合金 陶瓷等硬度达65 70HRC的材料 也可用于加工高硬度的非金属材料 如石材 压缩木材 玻璃等 还可加工有色金属 如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工 缺点是热稳定性差 强度低 脆性大 对振动敏感 只宜微量切削 与铁有强烈的化学亲合力 不能用于加工钢材 立方氮化硼 CBN 是一种人工合成的新型刀具材料 它由六方氮化硼在高温 高压下加入催化剂转化而成 它有很高的硬度及耐磨性 热稳定性好 化学惰性大 与铁系金属在1300 时不易起化学反应 导热性好 摩擦系数低 因此可用于高温合金 冷硬铸铁 淬硬钢等难加工材料的加工 应当指出 加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金 只有在加工难加工材料时 才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢 在加工高硬度材料或精密加工时 才考虑选用超硬材料 四 刀具角度的选择 1 前角 O O 刀刃锋利 切屑变形 切削力和切削功率 刀刃和刀尖强度 散热体积 刀具寿命 o1 Pr o2 图前角的选择 O 前角大小取决于 工件材料 刀具材料及加工要求 工件材料强度 硬度较低时 应取较大前角 反之应取较小的前角 加工塑性材料时 应取较大前角 加工脆性材料时 应取较小的前角 刀具材料韧性好 高速钢 取较大前角 反之 硬质合金 取较小前角 粗加工时 取较小前角 精加工时 取较大前角 2 后角 o o 后刀面与工件的摩擦 后刀面的磨损率 后角大小取决于 切削厚度 工件材料及工艺系统刚度 切削厚度越大 后角越小 工件材料越软 塑性越大 后角越大 工艺系统刚度较差时 适当减小后角 3 主偏角 r和副偏角 r r和 r 刀刃强度 表面粗糙度 背向力Fp 残留面积高度 散热条件 刀具寿命 进给力Ff kr1 Kr kr2 Fp Ff 图主偏角 r和副偏角 r 对切削力的影响 工艺系统刚性较好时 主偏角取较小值 反之取较大值 副偏角大小取决于表面粗糙度 5 15 粗加工时取大值 精加工取小值 4 刃倾角 s 主要影响刀头的强度和切屑的流动方向 加工一般钢料和铸铁 无冲击时 粗车 s 0 5 精车 s 0 5 有冲击时 s 5 15 特别大时 s 30 45 切削加工高强度钢 冷硬钢时 s 30 45 五 常用金属切削刀具与砂轮 一 车刀 结构简单 紧凑 抗振性能好 制造方便 使用灵活 但刀片易产生应力和裂纹 图2 12p19 车刀是金属切削加工中使用最广泛的刀具 它可以在普通车床 转塔车床 立式车床 自动与半自动车床上 完成工件的外圆 端面 切槽或切断等不同的加工工序 图2 12 p19 几种常用的车刀 1 45 弯头车刀 2 90 外圆车刀 3 外螺纹车刀 4 75 外圆车刀 5 成形车刀 6 90 外圆车刀 7 切断刀 8 内圆切槽刀 9 内螺纹车刀 10 盲孔镗刀 11 通孔镗刀 避免了焊接引起的缺陷 提高了刀具耐用度 刀杆可重复使用 利用率较高 但结构复杂 不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹 见书p20图2 13 1 不需刃磨 刀片材料能较好地保持原有力学性能 切削性能 硬度和抗弯强度 2 减少了刃磨 换刀 调刀所需的辅助时间 提高了生产效率 3 可使用涂层刀片 提高刀具耐用度 如下图2 14 图2 14 p20 可转位式车刀的组成 二 孔加工刀具 主要用于孔的粗加工 IT11级以下 表面粗糙度Ra25 m 6 3 m 图2 15p21 1 螺旋角 指钻头最外缘处螺旋线的切线与钻头轴线的夹角 图2 15 p21 麻花钻的组成和切削部分 前角 o 轴向力和扭矩 切削轻快 排屑容易 切削刃强度和散热条件 刀具寿命 螺旋角的大小不仅影响排屑情况 而且它就是钻头的轴向前角 标准麻花钻的螺旋角 18 30 黄铜 软青铜 10 17 轻合金 紫铜 35 40 高强度钢 铸铁 图 10 15 2 13 2 顶角2 指两主切削刃在与它们平行的平面上投影的夹角 见上图2 15 2 主切削刃长度 单位切削刃上的负荷及轴向力 钻尖强度 有利于散热 提高钻头耐用度 3 前角 o 是在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角 见下图 由于钻头的前刀面是螺旋面 且各点处的基面和正交平面位置亦不相同 故主切削刃上各处的前角也是不相同的 由外缘向中心逐渐减小 在图样上 钻头的前角不予标注 而用螺旋角表示 图麻花钻的几何角度 4 后角 f 是在假定工作平面内 轴向剖面 测量的切削平面与主后刀面之间的夹角 见上图 为改善切削条件 并能与切削刃上变化的前角相适应 而使各点的楔角大致相等 麻花钻的后角刃磨时应由外缘向中心逐渐增大 5 横刃角度 横刃角度包括横刃斜角 横刃前角 o 和横刃后角 o 如下图 由于横刃前角为负值 因此横刃的切削条件很差 切削时因产生强烈的挤压而产生很大的轴向力 对于直径较大的麻花钻 一般都需要修磨横刃 图横刃切削角度 用于对已钻孔的进一步加工 IT10 IT11级 表面粗糙度6 3 3 2 m 1 扩孔钻的类型 2 扩孔钻与麻花钻的比较 图2 19p21 1 刀齿数多 3 4个 故导向性好 切削平稳 2 刀体强度和刚性较好 3 没有横刃 改善了切削条件 因此 大大提高了切削效率和加工质量 图2 19扩孔钻a 高速钢整体式b 镶齿套式 用于中 小尺寸孔的半精加工和精加工 IT6 IT8级 表面粗糙度1 6 0 4 m 1 铰刀的类型 2 铰刀与扩孔钻的比较 图2 20p22 1 刀齿数多 6 12个 故导向性好 切削平稳 2 刀体强度和刚性较好 容屑槽浅 芯部直径大 因此 铰孔的加工质量更好 图2 20 p22 铰刀的类型 a 直柄机用铰刀 b 锥柄机用铰刀 c 硬质合金锥柄机用铰刀 d 手用铰刀 e 可调节手用铰刀 f 套式机用铰刀 g 直柄莫式圆锥铰刀 两把一套 h 手用1 50锥度铰刀 图铰刀的结构 三 铣刀 主要用于平面 台阶 沟槽和各种成形面的加工 如下图2 22 1 圆柱铣刀的几何角度 如后图示 为了便于制造 规定圆柱铣刀的前角用法平面前角 n表示 铣削钢件 o 10 20 铣削铸铁件 o 5 15 图2 22 p22 铣刀种类 图圆柱铣刀的几何角度 圆柱铣刀的后角是用正交平面后角 o表示 见上图 粗加工 o 12 精加工 o 16 圆柱铣刀的螺旋角 就是其刃倾角 它能使切削刃逐渐切入和切离工件 而且同时工作齿数较多 故能提高铣削过程的平稳性 粗齿铣刀 40 60 细齿铣刀 30 35 2 端铣刀的几何角度 端铣刀的每个刀齿类似车刀 有主 副切削刃和过渡刃 在正交平面参考系内端铣刀的标注角度有 o o kr k r和 s 如下图 图端铣刀的几何角度 铣削方式是指铣削时铣刀相对于工件的运动和位置关系 不同的铣削方式对刀具的耐用度 工件的加工表面粗糙度 铣削过程的平稳性及切削加工的生产率等都有很大的影响 1 圆周铣削法 周铣法 周铣法有两种铣削方式 逆铣法和顺铣法 逆铣时 刀齿的切削厚度从ac 0至acmax 当ac 0时 刀齿在工件表面上挤压和摩擦 刀齿比较容易磨损 同时 工件表面受到较大的挤压应力 冷硬现象严重 更加剧了刀齿的磨损 并影响已加工表面质量 此外 逆铣时刀齿作用于工件上的垂直进给力FfN朝上有挑起工件的趋势 这就要求工件装夹紧固 但是逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的 当工件表面有硬皮时 对刀齿没有直接影响 同时作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相反 使铣床工作台进给机构中的丝杠螺母始终保持良好的右侧面接触 因此进给速度比较平稳 见后图 铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相反 图1 3a p6 图1 3逆铣与顺铣 a 逆铣 b 顺铣 顺铣时 刀齿的切削厚度从acmax到ac 0 容易切下切削层 刀齿磨损较少 已加工表面质量较高 顺铣法可提高刀具耐用度2 3倍 但在顺铣过程中 作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相同 此时如果铣床工作台下面的传动丝杠与螺母之间的间隙较大 则力Ff有可能使工作台连同丝杠螺母一起沿进给方向移动 导致丝杠与螺母之间的间隙转移到另一侧面上去 引起进给速度时快时慢 影响工件表面粗糙度 有时甚至会因进给量突然增加很多而损坏铣刀刀齿 因此 采用顺铣法加工时 要求铣床的进给机构具有消除丝杠螺母间隙的装置 此外 用顺铣法加工时 要求工件表面没有硬皮 否则铣刀很易磨损 见上图 铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相同 见上图及图1 3b 2 端面铣削法 端铣法 刀齿切入工件与切出工件的切削厚度ac相同者称为对称铣削 如下图a 刀齿切入时的切削厚度小于或大于切出时的切削厚度者称为不对称铣削 如下图b c 图端面铣削方式 四 拉刀 拉削加工质量好 生产率高 拉刀寿命长 并且拉床结构简单 但拉刀结构复杂 制造比较麻烦 价格较高 因而多用于大量和批量生产的精加工 作为孔加工的一种方法 图2 23 25拉刀的类型 头部 与机床连接 传递运动和拉力 颈部 头部和过渡锥连接部分 过渡锥部 使拉刀容易进入工件孔中 起对准中心的作用 前导部 起导向和定心作用 防止拉刀歪斜 并可检查拉削前孔径是否太小 以免拉刀第一刀齿负荷太大而损坏 切削部 切除全部的加工余量 由粗切齿 过渡齿和精切齿组成 校准部 起校准和修光作用 并作为精切齿的后备齿 后导部 保持拉刀最后几个刀齿的正确位置 防止拉刀即将离开工件时 下垂而损坏已加工表面 尾部 防止长而重的拉刀自重下垂 影响加工质量和损坏刀齿 后支撑部位 如下图 图圆孔拉刀的结构1 头部 2 颈部 3 过渡圆锥 4 前导部5 切削部 6 校准部 7 后导部 8 尾部 1 齿升量af 前 后两刀齿半径或高度之差 af 影响拉刀强度及拉床负荷 难以切下很薄的金属层 容易磨损刀齿 加工表面也不光洁 af 粗切齿 af 0 02 0 20mm精切齿 af 0 005 0 015mm 如下图 2 齿距p 相邻两刀齿之间的轴向距离 确定齿距的大小时 应考虑拉削的平稳性及足够的容屑空间 粗切齿的齿距按经验公式计算 过渡齿的齿距 精切齿的齿距 当p 10mm时 当p 10mm时 便于制造 如下图 图拉刀切削部分的主要几何参数 3 前角 o 根据加工工件的材料选择 一般高速钢拉刀为5 20 4 后角 o 为使刀齿前刀面重磨之后 直径变小的速度慢一点 以及延长拉刀的使用寿命 拉刀的后角应取较小值 5