3节 金属切削过程.ppt

第三节金属切削基本理论 金属切削过程是指 切削过程中产生一系列现象 如 形成切屑 切削力 切削热与切削温度 刀具磨损 等 一 切削变形 压缩 弹性变形 塑性变性 滑移 断裂 第 变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区 第 变形区与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区 第 变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区 二 切屑的形成过程中变形特点 1 切屑的形成过程 第 变形区就是形成切屑的变形区 2 切屑的类型 通常将切屑分为以下四类 1 带状切屑外形连续不断呈带状 切削塑性金属材料 例如碳素钢 合金钢 铜和铝合金时常出现这类切屑 2 节状切屑外形也呈带状 但在切屑上与前刀接触的一面较光洁 其背面局部开裂成节状 切削黄铜或低速 较大走刀切钢易得到这类切屑 切削形状 3 粒状切屑切下切屑断裂成均匀的颗粒状 切削铅或用很低速度 大走刀切削钢可得到这类切屑 4 崩碎切屑在切削脆性金属时 例如铸铁 黄铜等材料 得到的是呈不规则的细粒状切屑 思考 哪一种比较好 如何控制 三 已加工表面变形和加工硬化 1 已加工表面变形第 变形区 2 加工硬化加工硬化 冷硬 表面层组织硬度增高的现象 后果 表面上 细微的裂纹 残余应力 降低疲劳强度 增加下道工序加工困难 加速刀具磨损 在切削时应设法避免或减轻硬化现象 减轻硬化程度的措施 提高刀具刃磨质量 减小刃圆孤半径 增大前角 减小切削变形 增大后角 减少摩擦 提高切削速度 使表层来不及硬化 不采用很小的进给量f 以减小挤压作用 四 影响切削变形的方法 影响切削变形的因素切削变形大小对于积屑瘤 加工硬化 切削力 切削温度和加工表面质量起着重要影响 改变加工条件 就能使切削变形减小 前角 增大前角 o 切削变形减小 工件材料 材料的强度 硬度提高 切削变形减小塑性较高的材料 则变形较大 进给量 切削速度 中低速时 积屑瘤影响较大 积屑瘤高度越高 刀具实际前角增大 变形减小 高速时 积屑瘤逐渐消失 增大 进给量f增大 切削厚度ac增加 变形减小 五 切削力 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力 1 切削力的来源 合力及其分力 切削时作用在刀具上的力 由下列两个方面组成 1 三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力 2 切屑 工件与刀具间的摩擦力 直角坐标轴z y x上分解成三个分力 它们是 1 主切削力FZFC主运动切削速度方向的分力 也称切向力 它消耗了切削总功率的95 左右 是设计与使用刀具的主要依据 并用于验算机床 夹具主要零 部件的强度和刚性以及确定机床电动机功率 2 切深抗力FyFP 切深方向的分力 也称径向力 吃刀力 不消耗功率 但在机床一工件 夹角 刀具工艺系统刚性不足时 是造成振动的主要因素 3 进给抗力FxFf进给方向的分力 也称轴向力 走刀力 消耗了总功率5 左右 它是验算机床进给系统主要零 部件强度和刚性的依据 2 切削力测定和车削力实验公式 见书 1 测力仪 2 车削力实验公式和切削功率的计算经验公式来计算 经验公式是建立在实验基础上的 并综合了影响切削力的各个因素 例如 车削外圆时 计算Fc的经验公式如下 Fc CFc apxFc fyFc KFcN 3 单位切削力和单位切削功率 4 修正系数切削用量手册 3 影响切削力的因素 影响切削力变化主要有三个方面因素 工件材料的硬度或强度越高 切削力越大 工件材料的塑性或韧性越高 故切削力增大 奥氏体不锈钢 强度低 硬度低 但强化系数大 较小的变形就会引起材料硬度提高 所以切削力大 铜 铅等塑性大 但变形时 加工硬化小 则切削力小 2 切削用量的影响 切削深度ap和进给量f增大 而引起切削力增大 为了提高生产效率 采用大进给切削比大切深切削较省力又节省功率 切削速度低 中速 5 20m min 提高 Fz逐渐减小 积屑瘤渐成 中速时 20m min左右 Fz减至最小值 积屑瘤最高 大前角作用 超过中速 提高 切削变形增大 故Fz逐渐增大 积屑瘤消失 高速 60m min Fz逐渐减小而后达到稳定 切削脆性金属 切削力变化不大 注意点 V提高 生产率提高 F下降 但功率上升 V提高50 F下降4 功率上升40 3 刀具几何角度的影响 前角 前角 o增大 切削力减小当主偏角 r增大时 切削厚度ac增加 切削变形减小 故主切削力Fz减小 刃倾角 s刃倾角 s的绝对值增大时 Fz变化很小 4 其它因素的影响 1 刀具的棱面刀具棱面宽度b 1上升 切削时挤压和摩擦增大 切削力增大 前角 O1负值增大 变形加大 切削力增大 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径越大 切削力越大 由于圆弧刀刃上主偏角是变化的 易引起振动 刀具磨损 使刀刃变钝 后刀面与加工表面间挤压和摩擦加剧 切削力增大 振动加大 六 切削热与切削温度 1 切削热的来源与传导 传导途径 Qch 传入切屑中Qe 传入刀具中Qw 传入工件中Qfe 传入周围介质中 切削热传至各部分比例 Qch50 86 Qw40 10 QC9 3 Qf1 2 切削温度及测定 切削区域内温度最高一点是在前刀面上近刀刃处 测定方法 自然热电偶法人工热电偶法 3 影响切削温度的因素 切削温度与变形功 摩擦功和热传导有关 1 切削用量实验公式 与实验条件有关的影响系数 切削条件改变后的修正系数 车削中碳钢时 公式中系数 指数为 c y z 高速钢刀具140 1700 08 10 2 0 30 35 0 45硬质合金刀具3200 050 150 26 0 41 切削速度 对切削温度影响最大 进给量f次之 切削深度ap影响最小 ap f和 增大时 变形和摩擦加剧 切削功增大 故切削温度升高 V提高 F下降 产生热量少 但摩擦严重 热量增多 切屑与前面接触长度减短 散热差 所以温度上升 进给量f增大 变形减小 产生热量下降 但切屑与前面接触长度有所提高 故散热较好 但切削深度ap增大后 切屑与刀具接触面积以相同比例增大 散热条件显著改善 2 刀具几何参数 前角前角 o增大 切削温度下降 但前角 o继续增至150左右 由于楔角 o减小后使刀具散热变差 切削温度略有上升 主偏角主偏角 r减小 切削温度升高 故随着主偏角 r减小切削温度 下降 用小的主偏角切削 能降低削温度 提高刀具耐用度 尤其是在切削难加工材料时效果更明显 前角增大 使切削温度降低 但刀具强度和散热效果差 主偏角 r减小后 既能使切削温度降低幅度较大 又能提高刀具强度 3 工件材料影响 工件材料是通过强度 硬度和导热系数等性能的不同对切削温度产生影响的 4 刀具磨损 刀具磨损后 会使摩擦加剧 变形严重 切削温度上升 切削液是降低切削温度的一个有效措施 四刀具分类 1 切刀包括各种车刀 刨刀 插刀 镗刀 成形车刀等 2 孔加工刀具包括各种钻头 扩孔钻 铰刀 复合孔加工刀具 如钻 铰复合刀具 等 3 拉刀包括圆拉刀 平面拉刀 成形拉刀 如花键拉刀 等 4 铣刀包括加工平面的圆柱铣刀 面铣刀等 加工沟槽的立铣刀 键槽铣刀 三面刃铣刀 锯片钝刀等 加工特形面的模数铣刀 凸 凹 圆弧铣刀 成形铣刀等 5 螺纹刀具包括螺纹车刀 丝锥 板牙 螺纹切头 搓丝板等 6 齿轮刀具包括齿轮滚刀 蜗轮滚刀 插齿刀 剃齿刀 花键滚刀等 7 磨具包括砂轮 砂带 砂瓦 油石和抛光轮等 8 其它刀具包括数控机床专用刀具 自动线专用刀具等 单刃 单齿 刀具和多刃 多齿 刀具 标准刀具 如麻花钻 铣刀 丝锥等 和非标准刀具 如拉刀 成形刀具等 定尺寸刀具 如扩孔钻 铰刀等 和非定尺寸刀具 如外圆车刀 直刨刀等 整体式刀具 装配式刀具和复合式刀具等 形状 结构和功能各不相同的各种刀具都有功能相同的组成部分工作部分和夹持部分工作部分承担切削加工夹持部分将工作部分与机床连接在一起 传递切削运动和动力 并保证刀具正确的工作位置 3 4刀具磨损与刀具耐用度 切削过程中刀具在切除工件上的金属层 同时工件与切屑也对刀具起作用 使刀具磨损 刀具严重磨损 会缩短刀具使用时间 恶化加工表面质量 增加刀具材料损耗 增大切削力 增大切削温度 产生振动 因此 刀具磨损是影响生产效率 加工质量和成本的一个重要因素 一 刀具磨损形式 一 正常磨损形式正常磨损是指在刀具设计与使用合理 制造与刃磨质量符合要求的情况下 刀具在切削过程中逐渐产生的磨损 1 后刀面磨损C区 在近刀尖处是磨损较大的区域 这是由于温度高 散热差而造成的 其磨损量用高度VC表示 N区 近待加工表面 约占全长1 4的区域 在它的边界处磨出较长沟痕 这是由于表面氧化皮或上道工序留下的硬化层等原因造成的 它亦称边界磨损 磨损量用VN表示 B区 在C N区间较均匀的磨损区 磨损量用VB表示 其中局部出现的划痕 深沟的高度用Vbmax表示 2 前刀面磨损切屑在前刀面上流出时 由于摩擦 高温和高压作用 使前刀面上近切削刃处磨出月牙洼 前刀面的磨损量用月牙洼深度KT表示 月牙洼的宽度为KB 原因是切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触 摩擦 化学活性很高 反应很强烈 宽度变化不明显 深度不断增大 深度最大处即为切削温度最高的地方 一定程度后 易发生破损 高速 大进给量 切削塑性金属时常见 3 前 后刀面同时磨损经切削后刀具上同时出现前刀面和后刀面磨损 这是在切削塑性金属时 采用大于中等切削速度和中等进给量时较常出现的磨损形式 多数情况 两者皆有 二 非正常磨损刀具在切削过程中突然发生损坏或过早损坏现象 1 破损 切削刃或刀面产生裂纹 崩刃或碎裂 2 卷刃 切削时在高温作用下 使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象 二 磨损过程和磨损限度 磨损三个阶段 段 初期磨损阶段在开始切削的短时间内 磨损较快 这是由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的 段 正常磨损阶段随着切削时间增长 磨损量以较均匀的速度加大 这是由于刀具表面磨平后 接触面增大 压强减小所致 段 急剧磨损阶段磨损量达到一定数值后 磨损急损加速 继而刀具损坏 这是由于切削时间过长 磨损严重 切削温度剧增 刀具强度 硬度降低所致 刀具在产生急剧磨擦前必须重磨或更新刀刃 这时刀具的磨损称为磨损限度或磨钝标准 磨钝标准 后刀面上均匀上磨损区的宽度VB值在ISO标准中 供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为 1 在后刀面B区内均匀磨损VB 0 3mm 2 在后刀面B区内非均匀磨损VBmax 0 6mm 3 月牙洼深度标准 KT 0 06 0 3f f 为mm r 4 精加工时根据需达到的表面粗糙度等级确定 粗加工磨钝标准应根据加工要求制订 粗加工磨钝标准是根据能使刀具切削时间与可磨或可用次数的乘积长为原则定的 从而能充分发挥刀具的切削性能 该标准亦称为经济磨损限度 精加工磨钝标准是在保证零件加工精度和表面粗糙度条件下制订的 因此VB值较小 该标准亦称为经济磨损限度 生产中 以加工面亮度 切屑颜色形状 声音 振动等为根据 判断是否重磨 三 刀具磨损原因 一 磨粒磨损 硬质点磨损 切屑底层和切削表面材料中含有氧化物 SiO Al2O3等 碳化物 Fe3C TiC等 和氮化物 Si2N4 AlN等 的硬元素 粘附着积屑瘤的碎片 锻造表皮和铸件表面上残留的夹砂等对刀具的机械磨损 刀具上被它们刻划出深浅不一的沟痕 高速钢 磨粒磨损的作用较明显 硬质合金 这种磨损较少 Co含量越低 越不易磨损 在低速时 其他磨损不明显 因而磨粒磨损显得比较突出 二 粘结磨损切屑与前刀面 加工表面与后刀面之间在正压力和温度作用下 接触面间吸附膜被挤破 形成了新鲜表面接触 当接触面间达到原子间距离时就产生粘结 粘结磨损就是由于接触面滑动时在粘结处产生剪切破坏造成的 通常剪切破坏在较软金属一方 但刀面受到摩擦 压力和温度连续作用下使强度降低 也会破坏 此外 当前刀面上粘结的积屑瘤脱落后 带走了刀具材料也形成粘结磨损 粘结磨损的程度与压力 温度和材料间亲合程度有关 低速 切削温度低 故粘结是在正压力作用下接触点处产生塑性变形所致 亦称为冷焊 中速 切削温度较高 促使材料软化和分子间的热运动 更易造成粘 用YT类硬质合金工加工钛合金或钛不锈钢 在高温作用下钛元素之间的亲合作用 也会产生粘结磨损 所以 低 中速切削时 粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因 三 扩散磨损扩散磨损 在高温作用下 接触面间分子活动能量大 造成了合金元素相互扩散置换 使刀具材料机械性能降低 若再经摩擦作用 刀具容易被磨损 是一种化学磨损 高速钢 一定温度时 前刀面由于扩散而形成一层白色层 厚度0 8 3 5 m Cr C扩散到工件材料中 白色层较软 易被磨掉 V越高 磨损越快 但扩散未占主导时 就会因塑性变形而使刀具损坏 硬质合金 切钢时的扩散温度在800 10000C 扩散磨损是硬质合金的主要磨损形式 硬质合金中W CO和C原子向钢中扩散 然后被切屑和加工表面带走 硬质合金中失去W后 在结晶组织中出现空穴 此外 失去了CO后削弱了粘结强度 同时 材料中Fe原子向刀具中扩散 使刀面表层形成了新材质 经相互扩散的结果 降低了刀具表面的强度和硬度 通常钨钴类硬质合金扩散温度为850 9000C 钨钴钛类扩散温度为900 10000C 因此 后者在高温时耐磨性较高 在生产中若采用细颗粒硬质合金或添加稀有金属硬质合金 采用TiC TiN涂层刀片 对于提高刀具耐磨性和化学稳定性 减少扩散磨损均可起良好作用 金刚石 结晶溶解 C扩散9000C10S开始扩散10000C1S明显扩散13000C0 1SC全部溶化到Fe中 四 相变磨损当刀具上最高温度超过材料相变温度时 刀具表面金相组织发生变化 如马氏体组织转变为奥氏体 使硬质下降 磨损加剧 因此 工具钢刀具在高温时均属此类磨损 它们的相变温度为 合金工具钢300 3500C高速钢550 6000C相变磨损造成了刀面塌陷和刀刃卷曲 五 氧化磨损氧化磨损是一种化学性质的磨损 在一定温度下 刀具材料与某些周围介质 O2 切削液中的s cl 起化学反应 在刀具表面形成一层硬度较低的化合物 被切屑带走 六 热电磨损在切削区高温作用下 刀具与工件之间形成热电偶 产生电势 刀具工件之间有电流通过 加速扩散 刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面造成的 七 刀具非正常磨损原因使用硬质合金刀具或硬度高 抗弯强度较低的刀具在铣削 刨削 重型切削 对难加工材料切削和在带冲击载荷工作中 破损已成为较常见的磨损形式 破损原因主要有1 机械冲击力2 热内应力3 积屑瘤脱落4 刀具材料硬度低 韧性差5 刀具几何参数和切削用量选择不合理6 焊接或刃磨时产生内应力或裂纹7 操作 保管不当等 四 刀具耐用度 一 刀具耐用度概念刀具耐用度是指刀具从开始切削至达到磨损限度为止所用的切削时间 用T分表示 刀具耐用度还可以用达到磨损限度所经过的切削路程lm或加工出的零件数N表示 刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志 利用刀具耐用度来控制磨损量VB值 比用测量VB的高度来判别是否达到磨损限度要简便 二 刀具耐用度公式V C TmC 与实验有关的系数 T 60min时的V值 m V对T的影响指数 当车削中碳钢和灰铸铁时 m值大致如下 高速钢车刀 m 0 11 硬质合金焊接车刀 m 0 2 硬质合金可转位车刀 m 0 25 0 3 陶瓷车刀 m 0 2 由公式可知 速度高 则温度高 耐用度下降 例 硬质合金可转位车刀 V 80m minT 60minV 160m minT 3 75min 四 刀具耐用度合理数值的确定原则耐用度T值大 则切削速度 要低 但生产效率降低 成本高 反之 规定T值小 虽然允许高的切削速度 提高生产效率 但加速刀具磨损 增加了装卸刀具的辅助时间 刀具耐用度合理数值应根据生产率和加工成本制订1 最高生产率耐用度TP加工一个零件的生产时间tpr由下列几部分组成 tpr tm tl tc tm Ttm 切削时间tl 辅助时间tc 一次换刀所需时间 以纵车外圆为例 m大 则Tp值小 切削速度可以提高 生产率高 陶瓷刀具 Tc小 则Tp值小 切削速度可以提高 生产率高 可转位刀具 2 最低生产成本耐用度Tc每个零件平均加工成本Cpr为 M 每分钟费用Ct 换刀一次所需费用 Ct上升 Tc上升 则磨刀次数应该减少 所以耐用度应该高 M上升 则Tc下降 应制定小的Tc使速度提高 生产率提高 则 通常用Tc 四 影响刀具耐用度的因素分析刀具耐用度影响因素的目的是 调节各因素的相互关系 以保持刀具耐用度的合理数值 各因素变化对刀具耐用度的影响 主要是通过它们对切削温度的影响而直起作用的 1 切削用量 min 切削用量对刀具耐用度的影响与对切削温度的影响一致 刀具耐用度所允许的切削速度 m min 当确定刀具耐用度合理数值后 应首先考虑增大ap 其次增大f 然后根据 ap 和f的值计算出 r 这样既能保持刀具耐用度 发挥刀具切削性能 又能提高切削效率 2 刀具几何参数影响前角 o增大 切削温度降低 耐用度提高 前角 o太大 刀刃强度低 散热差 且易于破损 故耐用度T反而下降了 因此 前角 o对刀具耐用度T影响呈 驼峰形 它的峰顶前角 o值能使耐用度T最高 或刀具耐用度允许的切削速度 T最高 主偏角 r减小 增加刀具强度和改善散热条件 故耐用度T或刀具耐用度允许的切削速度 r可增高 副偏角减小和刀尖圆弧半径增大 都能提高刀具强度 改善散热条件 使刀具耐用度T或刀具耐用度允许的切削速度增高 3 加工材料影响加工材料的强度 硬度越高 产生的切削温度越高 故刀具磨损越快 刀具耐用度T越低 加工材料的延伸越大或导热系数越小 均能使切削温度升高 刀具耐用T降低 4 刀具材料影响耐磨性越好 高温硬度高 耐用度高 对于难加工材料 重型切削 大冲击等情况下 刀具磨损以破损为主 韧性越高 抗弯强度越高 耐用度越高 五刀具材料及合理选用 刀具材料是指刀具切削部分的材料 合理选择刀具材料影响到 1 切削加工生产率 2 刀具耐用度 3 刀具消耗和加工成本 4 加工精度和表面质量 刀具材料应具备的性质 刀具切削部分承受较大的 1 切削压力 2 切削温度 3 剧烈摩擦 4 冲击振动 因此刀具材料应具备以下性能 1 高硬度 刀具材料硬度要高于被加工材料的硬度 切削刃的硬度一般在HRC60以上 2 高耐磨性 抗磨损能力 硬度 耐磨性 金相组织中硬质点 氮化物 碳化物 的硬度高 耐磨性好 硬质点数量多 颗粒越小 分布均匀 则耐磨性越好 3 足够的强度与韧性 抗冲击 承受各种应力而不崩刃 折断 与硬度 耐磨性相矛盾 4 高的耐热性与化学稳定性 耐热性 高温下保持材料硬度 耐磨性 强度 韧性 红硬性 红硬性越好切削速度越高 化学稳定性 热稳定性 高温下抗氧化 不与工件材料和介质发生化学反应 抗氧化 粘结 扩散 刀具磨损慢 表面质量好 5 良好的工艺性 便于刀具制造 1 锻造性能 2 热处理性能 3 高温塑性变形 4 容削加工性能 5 焊接性能6 经济性 1 刀具材料发展结合本国资源 资源丰富 则成本极低 2 有的刀具材料 超硬刀具材料 虽然单件成本贵 但寿命长 分摊到每个零件的成本不一定高 要注重经济效益 7 切削加工性能的可预测性 为适应切削加工自动化和柔性制造系统的发展 要求刀具磨损及刀具耐用度等具有良好的可预测性 选择刀具材料时 各性能之间相互矛盾 如硬度高 则强度低 耐磨 则加工工艺困难 要抓住主要矛盾 刀具材料类型 工具钢 高速钢 硬质合金陶瓷超硬材料 最常用 1 刀具材料简介 刀具材料对刀具的寿命 加工质量 切削效率和制造成本均有较大的影响刀具切削部分在切削时要承受高温 高压 强烈的摩擦 冲击和振动 刀具切削部分材料性能的基本要求 高的硬度 高的耐磨性 高的耐热性 热稳定性 足够的强度和韧性 良好的工艺性 刀具材料有 碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷金刚石立方氮化硼 碳素工具钢 如T10A T12A 及合金工具钢 如9SiCr CrWMn 因耐热性较差 通常仅用于手工工具和切削速度较低的刀具陶瓷 金刚石和立方氮化硼等目前仅用于较为有限的场合 高速钢和硬质合金 最广泛使用 2 2高速钢 高速钢是一种加入了较多的钨 钼 铬 钒等合金元素的高合金工具钢 别名 风钢 良好的淬透性 空气中冷却就可得到高硬度 锋钢 刃容锋利 白钢 磨光后 表面光亮 1 较高的热稳定性 切削温度高达500 650 与碳素工具钢 合金工具钢相比 切削速度提高1 3倍 耐用度提高10 40倍 可加工有色金属至高温合金 范围广 2 高强度 韧性 抗弯强度为硬质合金的2 3倍数 是陶瓷的5 6倍 韧性比它们高几十倍 3 一定的硬度 HRC63 70 耐磨性好 适合各类切削刀具的要求 也可用于在刚性较差的机床上加工 特点 4 刀具制造工艺简单 能锻造 制作形状复杂刀具 大型成型刀具 这一点极为重要 如钻头 丝锥 成型刀具 拉刀 齿轮刀具 5 材料性能较硬质合金和陶瓷稳定 在自动机床上使用可靠 因此 尽管各种新型刀具材料不断出现 高速钢仍占现用刀具材料的一半以上 高速钢分 普通高速钢 通用型 高性能高速钢和粉末冶金高速钢 高性能高速钢 再加入一些合金 性能高 粉末冶金高速钢 制造工艺不同 性能高 普通高速钢 分钨钢 钨钼钢两类 V不高于40 60 1 钨钢 W18Cr4V 18 4 1 此牌号国内普遍使用 性能稳定 刃磨 热处理工艺控制较方便 国外钨价高 很少使用 简称 W18 18 4 Cr 1 V综合性能好 600 HRC48 5 用以制造各种复杂刀具 优点 1 淬火时过热倾向小 2 含钒少 磨加工性好 3 碳化物含量高 塑性变形抗力较大 缺点 1 碳化物分布不均匀 剩余碳化物颗粒大 最大30 m 影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度 2 强度和韧性 显得不够 此材料30mm 抗弯强度3 3 5G a60 80mm 抗弯强度2 2 3G a适宜做小截面刀具 此时强度 韧性才是满意的 3 热塑性差 很难用作热成形法制造的刀具 如热轧钻头 2 钨钼钢W6M05Cr4V2 6 5 4 2 为缺钨而产生优点 1 合金元素少 减少了碳化物数量及分布不均匀性 有利于提高高温塑性 抗弯强度 冲击韧性 抗弯强度比W18高10 15 韧性高50 60 2 可加大截面刀具 可做尺寸较大 承受冲击力较大的刀具 缺点 淬火温度范围窄 脱碳 过热敏感性大 主要用于热轧刀具 扭槽 麻花钻 高速钢的表面处理与涂层1 表面化学处理 提高刀具的切削性能 氧氮化处理 将刀具成品置于氨气和水蒸气的混和体中 540 560 保温1 2小时 形成0 003mmFe3O4氧化膜 内层为氧 氮 碳扩散层 厚0 03 0 05mm HV1000以上 耐用度提高60 70 2 涂层 物理气相沉积TiN涂层550 以下高真空下进行 钛气化与氮反应 生成TiN 0 002mm HRC80以上 切削力 切削温度下降25 Vf提高一倍 耐用度显著提高 重磨后 性能仍优于普通高速钢 1 高速钢 指含有钨 W 铬 Cr 钒 V 等合金元素较多的高合金工具钢具有较高的硬度 热处理硬度可达62 67HRC 和耐热性 切削温度可达550 600 C 具有较高的强度和韧性 抗冲击 振动的能力较强 高速钢刀具制造工艺较简单 刀刃锋利适用于制造各种形状复杂刀具 如钻头 丝锥 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等 常用的通用型高速钢牌号 W6Mo5Cr4V2W18Cr4V 高性能高速钢 如9W6MoSCr4V2W6MoSCr4V3比通用型高速钢具有更好的切削性能 适合于加工奥氏体不锈钢 高温合金 钍合金和高强度铡等难加工材料 粉末冶金高速钢 其性能优于上述的高速钢 540 HRA82 87760 HRA77 85800 1000 时 尚能进行切削刀具耐用度提高几 几十倍 同时切削速度提高4 10倍 缺点 比高速钢强度低 冲击韧性差 不能承受切削振动和冲击负荷 硬质合金中 碳化物含量高 则硬度高 抗弯强度低 硬质合金中 粘结剂含量高 则硬度低 抗弯强度高 适用范围较广 绝大多数车刀 端铣刀 深孔钻 铰刀 拉刀 齿轮滚刀等 二 硬质合金的分类 使用性能ISO 国际标准化组织 将切削用硬质合金分三类 P类 用于加工长切屑的黑色金属 相当于我国的YT类 K类 用于加工短切屑的黑色金属 有色金属和非金属材料YG类 M类 用于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属YW类 现代加工材料中90 95 可用P和K类硬质合金加工 5 10 可用M类硬质合金加工 主要介绍YT YG类 YG 钨钴类 WC Co 硬质合金主要牌号 YG3x YG6x YG6 YG8含Co为3 6 6 8 特点 抗弯强度与韧性比YT高 导热性高 加工性好 刃口容磨得锋利硬度差Co越高韧性越好 用于粗加工 反之Co越低 用于精加工 加工材料 铸铁 有色金属和非金属材料 YT 钨钛钴类 WC TiC Co 主要牌号YT5 YT14 YT15 YT30数字为TiC含量 钴含量为 10 8 6 4 加工材料 钢TiC Co 材料硬度 耐磨性 抗弯强度 导热性 磨削性能 焊接性能 耐热性 用于精加工 反之 用于粗加工 选用 1 当要求刀具有较高的耐热性及耐磨性 TiC的牌号 2 当刀具在切削时受冲击和振动易崩刃时 TiC的牌号 三 涂层硬质合金化学气相沉积法 涂复一层 5 10 m 耐磨 难熔金属化合物 耐用度提高1 4倍 涂层材料 TiC TiN AL2O3 2 硬质合金 用碳化钨 WC 碳化钛 TiC 和钴 CO 等材料利用粉末冶金的方法制成的合金硬质合金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物 如碳化钨 碳化钛 碳化钽等 与金属粘结剂 钴 钨 钼等 在高温下侥结而成的粉太冶金材料 硬质合金 硬度可达89 93HRA 74 82HRC 切削温度达800 1000 切削速度可达100 300m min韧性差 抗弯强度低 不能承受较大的冲击载荷 硬质合金可分为K P M三个主要类别 K类硬质合金 旧牌号YG类 P类硬质台金 旧牌号YT类 M类硬质合金 旧牌号YW类 K类硬质合金 旧牌号YG类 适宜加工短切屑的脆性金属和有色金属材料如灰铸铁 耐热合金 铜铝合金等其牌号有K01 K10 K20 K30 K40等精加工可用K01半精加工选用K10粗加工宜用K30 P类硬质台金 旧牌号YT类 适宜加工长切屑的塑性金属材料如普通碳钢 合金钢等其牌号有P01 P10 P20 P30 P50等精加工可用P01半精加工选用Pl0 P20粗加工宜用P30 M类硬质合金 旧牌号YW类 具有较好的综合切削性能适宜加工K切屑或短切屑的金属材料如普通碳钢 铸钢 冷硬铸铁 耐热钢 高锰钢 有色金属等其牌号有M10 M20 M30 M40精加工可用M10半精加工选用M20粗加工宜用M30 3 涂层刀具材料 在硬质合金或高速钢基体上 涂敷一层几微米厚的高硬度 高耐磨性的金属化合物 如碳化钛 氮化钛 氧化铝等 而制成的 涂层硬质合金的刀具寿命至少可提高l 3倍涂层高速钢的刀具寿命可提高2 10倍 2 4陶瓷 陶瓷刀是以AL2O3为主要成份 在高温下 烧结而成的一种刀具材料 一 常用陶瓷 1 纯AL2O3陶瓷 2 AL2O3 TiC混和陶瓷 二 陶瓷特点 1 很高的硬度与耐磨性 HRA91 95 高于硬质合金 2 使用良好时 有很高的耐用度 3 很高的耐热性 760 HRA871200 HRA80 切削速度比硬质合金高2 5倍 抗弯强度 韧性下降极小 4 很高的化学稳定性 与金属亲和力小 抗粘结 抗扩散 抗氧化能力强 5 较低的摩擦系数 切屑不易粘刃 不易产生积屑瘤 加工表面粗糙度较小 缺点 1 脆性大 强度 韧性低 为硬质合金的1 2 1 3 不能承受冲击负荷 崩刃 破损 2 导热率低 1 2 1 5 不宜温度波动 不能用切削液 三 应用范围 1 高速切削2 加工硬材料 硬铸铁 淬硬钢 3 大件 高精件加工4 车削 铣削例 Si3N4氮化硅基陶瓷 硬度仅次于金刚石 立方氮化硼 作为连续切削用的刀具材料 今后将很有发展前途 合理选择刀具材料的基本要求 在熟悉工件与刀具材料特性的基础上 使被选用的刀具材料与工件材料相互 匹配 既做到充分发挥刀具特性 又能较经济的满足加工要求 值得说明的是 加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢与硬质合金 只有加工难加工材料才有必要选用新牌号合金或高性能高速钢 加工高硬度材料或精密加工时才需选用超硬材料 刀具材料发展6个方面的大致方向 1 尽可能根据我国资源情况 发展或代用某些新材料 2 改善现有刀具材料的切削性能 3 发展界于现有高速钢与硬质合金之间的材料 4 发展通用性广的合金 5 发展复合刀具材料 6 发展耐热 高硬度 高强度 能加工难加工材料的其他新型刀具材料 2 合理选择刀具材料 孔加工刀具 铣刀和螺纹刀具这一类普通刀具 制造工艺较为简单 精度要求较低 材料费用占刀具成本的比重较大 常采用W6MoSCr4V2 W18Cr4V等通用型高速钢 拉刀 齿轮刀具 些复杂刀具 由于制造精度高 制造费用占刀具成本的比重较大宜采用硬度和耐磨性均较高的高性能高速钢 为了提高生产效率 延长刀具寿命 应尽量采用硬质合金硬质合含在面铣刀 钻头 铰刀和齿轮刀具等方面已获得广泛应用近年来 国内外已广泛选用涂层刀具 四 刀具使用和设计中应当注意的若干问题 1 选择合理的刀具类型 加工同一个零件 有时可用多种不同类型的刀具 要根据零件的加工要求 生产批量 工艺要求 设备条件等因素综合考虑 选用合适的刀具 基本原则是 在保证加工质量的前提下 优先考虑提高生产效 2 选择合理的切削方式 切削方式是指刀具切削刃从工件上切去加工余量的形式 切削方式的合理与否 将直接影响切削刃形状 加工质量 刀具寿命和生产效率等 3 选择合理的几何参数 要遵循 锐字当头 锐中求固 的原则应考虑刀具的工作条件 重磨情况等因素 4 设计正确的刀刃廓形 对于成形刀具 其切削刃的廓形会直接影响零件成形表面的形状 必须根据零件的轮廓形状 正确地设计切削刃的廓形 同时要兼顾制造 检测 重磨等方面的简便性 5 合理处理好容屑 排屑和强度 刚度的关系 麻花钻 立铣刀 丝锥 拉刀等有容屑要求的刀具 切屑能否顺利排出 确保刀具能否正常工作的关键 若切屑堵塞在槽内 就会划伤已加工表面或损坏刀齿 而刀具的容屑 排屑与其强度 刚度有着密切的关系 例如 加大麻花钻的螺旋槽 容屑空间 就会影响和降低刀具的强度和刚度因此 应恰当处理 合理兼顾两者的关系 6 考虑刀具的刃磨或重磨 刀具的刃磨表面应根据磨损形式和刀具使用要求来选择 如成形车刀 成形铣刀等要求刃磨后切削刃的形状保持不变 应选择面为刃磨表面又如铰刀 钻头等刀具 后面磨损量较大 故刃磨表面常选择后面粗加工用车刀 刨刀等因其前 后面磨损均较大 故前 后面部应刃磨 刃磨时要保证刀具原始的几何参数和表面质量 刃磨后表面不能有烧伤或裂纹 切削刃应锋利 不允许有缺口 崩刃 毛刺等缺陷存在 7 合理选择刀具的结构形式及有关尺寸 先进的刀具结构能有效地减少换刀和重磨时间 提高切削效率和加工质量 应根据不同的条件选用合理的刀具结构 优先采用机夹式 可转位式 模块式 成组式等结构 同时 应根据切削负荷强度 刚度等要求 正确设计刀具夹持部分的结构尺寸 8 其它方面 还应考虑刀具与机床 工装的合理配置及选择合理的切削用量和切削液等 六刀具发展 金属切削刀具在机械制造工业中的作用 地位及发展趋势 金属切削加工是机械制造工业中运用最广泛的一种加工方法 占机械制造总工作量的50 以上 而金属切削刀具则是其中不可缺少的重要工具之一 无论是普通机床 还是先进的数控机床和加工中心 以至柔性制造系统 都必须依靠刀具才能完成各种需要的切削加工 实际证明 刀具的更新可以成倍 数十倍地提高生产效率 例如 群钻与麻花钻相比 工效可提高3 5倍数控机床 加工中心等先进设备效率的发挥 很大程度上取决于刀具的性能 刀具所产生的效益远远大于刀具本身的费用 数控机床和自动线的应用又要求刀具可靠性好 精度高 以及具有自动更换 自动识别和自动检测等功能 因此 不断采用新技术 新工艺 新材料是机械制造工业发展的基础 刀具材料 含磨料 的研制 新型刀具材料 新型刀具结构及新的磨削加工方法的应用 对切削加工技术 尤其对金属切削刀具的发展起着决定性的作用 不仅能大幅度地提高生产效率 降低成本和保证加工质量 而且还能促进加工工艺和加工设备的