机械制造工艺技术(刀具角度) PPT课件

机械制造工艺技术（1）,湖南大学鄢锉cuoyan410082,1.1基本定义金属切削过程刀具从工件上切除多余的金属材料，使工件获得规定的加工精度与表面质量的过程。加工精度：尺寸、形状、位置精度。表面质量：表面粗糙度、表面层的物理机械性能。切削运动工件与刀具之间的相对运动（完成切削过程所需要的）机械加工系统：机床、夹具、工件、刀具。,1.1.1切削运动与切削用量待加工表面：工件上即将被切去金属层的表面（面积由大小）加工表面：切削刃正在切削着的表面。（待加工表面加工表面已加工表面）。已加工表面：刀具切削后在工件上形成的新表面（面积由小大）。,图1.1车削时的表面与切削运动,分析图1.2中三种加工方法中的三个表面,图1.2刨、钻、铣削加工,1.1.1.1切削运动切削运动分类：按运动形式分：直线运动、回转运动。按运动在切削加工中的作用分：主运动、进给运动。(1)主运动切削金属所必须的最主要的运动。只有一个，且速度最快、消耗机床功率最多。刀具与工件之间主要的相对运动。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。切削运动中，主运动速度最高，消耗功率最多。主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。切削速度Vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,(2)进给运动使新的金属不断投入切削的运动。有一个或多个，可为连续运动或间歇运动。机床进给运刀具与工件之间附加的相对运动。配合主运动依次地或连续不断地切除切屑。可由刀具完成车削、工件完成铣削可以是间歇的刨削、连续的车削进给运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。进给速度Vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度,(3)合成运动与合成运动速度合成运动刀具切削刃上某一点相对工件的运动。主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。合成运动=主运动+进给运动。合成切削速度：,图1.3合成切削速度,刨削：主运动刨刀的直线运动进给运动工件移动钻削：主运动钻头旋转进给运动钻头轴向移动插齿：主运动插齿刀上下运动进给运动工件分度运动等车外圆：主运动工件高速旋转进给运动车刀轴向运动,磨外圆：主运动砂轮旋转进给运动工件转动，砂轮轴向移动铣平面：主运动铣刀旋转进给运动工件移动镗孔：主运动刀具旋转（绕工件轴线）进给运动刀具径向移动,1.1.1.2切削用量三要素：Vc、f、ap(1)切削速度Vc切削加工时，切削刃上选定点相对于工件主运动的速度(主运动的线速度)。选定点不同点，Vc可能不同(取MaxVc)。主运动为回转运动时：,回目录页,(2)进给速度、进给量和每齿进给量进给速度Vf切削加工时，切削刃上选定点相对于工件进给运动的速度，或单位时间的进给量(mm/s或mm/min)。进给量f主运动每回转一周或每一行程时工件和刀具沿进给运动方向的相对位移(mm/r或mm/双行程)。每齿进给量fz每一个刀齿的进给量(即后一个刀齿相对前一个刀齿的进给量，mm/z)。进给速度Vf、进给量f、每齿进给量fz之间的关系,回目录页,图1.4周铣和端铣,(3)背吃刀量ap(切削深度)定义在垂直于主运动方向和进给运动方向的工作平面内测量的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度(mm)。对车削、刨削，背吃刀量ap等于工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。车削时的背吃刀量ap钻削（盲孔）时的背吃刀量ap,回目录页,(4)切削时间tm,切削时间是反映切削效率高低的一种指标车外圆时切削时间tm可由下式计算l刀具行程长度A半长方向加工余量,提高切削用理ap、f、Vf中任何一个要素，都可缩短切削时间，提高生产效率。,图1.5车削外圆切削时间,(5)金属切除率QZ,在金属切削过程中，切削用量三要素选配的大小，将影响切削效率的高低，通常用三要素的乘积作为衡量指标，称为材料切除率；每分钟切下工件材料的体积；是衡量切削效率高低的另一种指标。,（mm3/min）,1.1.2刀具切削部分的基本定义1.1.2.1刀具切削部分的构造要素刀具切削部分的基本形态：外圆车刀的切削部分前刀面Ar：切屑流过的表面后刀面:主后刀面A：与工件上加工表面相对的刀具表面。副后刀面：与工件上已加工表面相对的刀具表面。切削刃：主切削刃前刀面与主后刀面相交的锋边切削刃前刀面与副后刀面相交的锋边。刀尖主、副切削刃相交的交点或一小段切削刃。,回目录页,外圆车刀构造,回目录页,图1.6外圆车刀切削部分构成,回目录页,1.1.2.2刀具标注角度的参考系刀具工作角度刀具在使用状态下的角度(与工件和具体切削运动有关）。刀具标注角度刀具处于尚未使用状态下的角度(刀具与工件和切削运动的关系尚未确定，即在假设的运动条件和刀具安装条件下确定的刀具角度）。假设运动条件：只考虑主运动影响，而不考虑进给运动影响。假设安装条件：刀具标注角度的参考系的诸平面与刀具上便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线。车刀底面、车刀刀杆轴线、铣刀和钻头的轴线等刀具标注角度的用途：刀具的设计、制造、刃磨、测量用。,回目录页,刀具标注角度的参考系组成(1)基面Pr通过切削刃上某选定点，垂直于假定主运动方向的平面。,图1.7车刀的基面,图1.8钻头的基面,回目录页,(2)切削平面Ps通过切削刃上某选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面(与工件上的加工表面相切的平面)，即由主切削刃与切削速度方向构成的平面。,图1.9主剖面与法剖面参考系,图1.10进给、背平面参考系,回目录页,(3)主剖面Po和主剖面参考系主剖面Po通过切削刃上某选定点，并与主切削刃在基面Pr上的投影相垂直的平面(Po同时垂直于Pr和Ps)。主剖面参考系:由Pr、Ps和Po构成的正交参考系。,图1.9主剖面与法剖面参考系,回目录页,(4)法剖面Pn和法剖面参考系法剖面Pn通过切削刃上某选定点，且垂直于切削刃的平面。法剖面参考系:由Pr、Ps和Pn构成的参考系(Pn不一定垂直于Pr)。,图1.9主剖面与法剖面参考系,回目录页,(5)进给剖面Pf和背平面Pp及其组成的进给、背平面参考系进给剖面Pf通过切削刃上某选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。背平面Pp通过切削刃上某选定点，同时垂直于基面Pr和Pf的平面。进给、背平面参考系:由Pr、Pf和Pp构成的正交参考系。,图1.10进给、背平面参考系,回目录页,1.1.2.4刀具的标注角度刀具的标注角度在刀具标注角度参考系中确定的刀具切削刃和刀面的方位角度。主剖面参考系(Pr、Ps、Po)里的标注角度及其定义：前角o在主剖面Po中测量的前刀面与基面Pr之间的夹角。它表征了前刀面的倾斜程度（“+”、“0”、“-”），副刃前角后角o在主剖面Po中测量的后刀面与切削平面Ps之间的夹角。它表征了主后刀面的倾斜程度（“+”），副刃后角主偏角r在基面Pr中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角（“+”），副偏角刃倾角s在切削平面Ps中测量的主切削刃与基面Pr之间的夹角。它表征了主切削刃的倾斜程度（“+”、“0”、“-”），副刃倾角(o，s)=前刀面的方位(r，o)=后刀面的方位(r，s)=主切削刃的方位与副切削刃及其相关前、后刀面关联的角度：o、o、r、s外圆车刀独立的标注角度：o、o、r、s、o、r。,三个刀面、两条刀刃、六个独立角度,回目录页,刀具角度标注实例刀具的派生角度：楔角o在主剖面Po中测量的前刀面与后刀面之间的夹角刀尖角r在基面Pr中测量的主切削刃与副切削刃之间的夹角。o=90-(o+o)r=180-(r+r),图1.11主剖面系标注的刀具角度,图1.11主剖面系标注的刀具角度,图1.12刀具角度大小,1.1.2.3刀具工作角度的参考系刀具工作角度的参考系同时考虑主运动和进给运动的影响，即用合成切削运动方向ve取代主运动方向vc，并考虑刀具实际安装位置所确定的参考系。(1)实际基面Pre通过切削刃上某选定点，垂直于合成切削运动方向ve的平面。(2)实际切削平面Pse通过切削刃上某选定点，并与工件上的实际加工表面相切的平面。(3)实际主剖面Poe通过切削刃上某选定点，同时垂直于Pre和Pse的平面。刀具的工作角度由刀具工作角度参考系(Pre、Pse、Poe)所确定的刀具角度。分析图1.13的刀具工作角度oe及其对加工的影响。,图1.13刀具的工作角度,1.1.4刀具工作角度同时考虑主运动和进给运动（合成运动）考虑刀具的实际安装情况。vf无需计算工作角度只有在刀具角度变化值较大时（如车螺纹、铲背、钻孔等），才需计算刀具工作角度。1.1.4.1进给运动对工作角度的影响（1）横车(切断、切槽加工)oeo+oeo合成切削速度角。(vc与ve之夹角)可见：d=oe(oe有可能变为负值),回目录页,图1.14横向进给运动对工作角度的影响,（2）纵车(车螺纹或丝杠)在工件进给剖面内的工作角度为：fef+fef合成切削速度角。上述角度变化换算至主剖面内，有：oeo+0oeo0式中,回目录页,图1.15外圆车刀的工作角度,1.1.4.2刀具安装对工作角度的影响（1）刀尖安装高低对工作角度的影响,回目录页,图1.16刀尖安装高低对工作角度的影响,由图1.16可以看出：在刀具背平面内，有式中换算至工作主剖面内，有：式中符号规定：当刀尖高于工件中心时，取上方符号；当刀尖低于工件中心时，取下方符号。注意：镗孔时，符号规定与外圆车削相反。,回目录页,（2）刀杆安装倾斜对工作角度的影响当车刀刀杆与进给运动方向不垂直（如车圆锥面）时，G进给运动方向的垂线与车刀刀杆中心线间的夹角。符号规定：当刀杆中心线向进给运动反方向倾斜时，取上方符号；反之，取下方符号。,回目录页,图1.17刀杆中心线不垂直于进给方向,思考题：1、在正交平面参考系内绘出切断、镗孔时刀具的标注角度。2、举例说明工作角度和标注角度有何区别和联系？,1.1.5切削层参数与切削形式1.1.5.1切削层切削层刀具正在切削的材料（金属）层。在基面Pr内观察和测量切削层形状和尺寸。切削层参数：(1)切削厚度hD垂直于加工表面度量的切削层尺寸。外圆纵车(s0)时：(2)切削宽度bD沿加工表面度量的切削层尺寸。外圆纵车(s0)时：,回目录页,图1.18外圆纵车时切削层的参数,图1.19可见：当ap、f一定时，r=hD、bD。当主切削刃为曲线时，不同点的hD也不同（图1.20）。,回目录页,图1.19r不同时hD、bD的变化,图1.20曲线切削刃工作时的hD、bD,回目录页,1.2刀具材料刀具材料是指刀具切削部分的材料（承受切削压力、切削温度、摩擦、振动）。刀具材料影响：（1）切削加工生产率（2）刀具耐用度（3）刀具消耗和加工（4）加工精度和表面质量1.2.1刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性：H刀具H工件,常温硬度HRC62。耐磨性抵抗磨损的能力。取决于硬质点的硬度、数量、大小、分布状况。（2）足够的强度和韧性：以抵抗切削力冲击和振动。（3）高的耐热性（热稳定性）,耐热性（红硬性）刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。（4）良好的工艺性刀具材料的可加工性（切削加工性、铸造性、锻造性、焊接、热处理性能）=便于制造。（5）良好的经济性（性价比高、本国资源、单件成本与多件效益）（6）可预测性（适应自动化或柔性制造）。,回目录页,1.2.2常用的刀具材料碳素工具钢(T10A、T12A)、合金工具钢(9SiCr、CrWMn等)、高速钢、硬质合金、陶瓷、CBN、金刚石等。1.2.2.1高速钢加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢的特点：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）。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。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。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（如钻头、丝锥、成型刀具、拉刀、齿轮刀具。材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。,高速钢的分类按用途：通用型高速钢、高性能高速钢。按制造工艺：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢。1、通用型高速钢（普通）：分钨钢，钨钼钢两类(1)钨钢：W18Cr4V（1841）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30m），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，30mm棒料，抗弯强度33.5GPa,而6080mm棒料，抗弯强度为22.3GPa，对小截面刀具，此时强度，韧性才较满意。3）热塑性差，很难用作热成形法制造的刀具（如热轧钻头）。,（2）钨钼钢在钨钢中用钼取代部分钨而得到的高速钢。典型牌号：W6Mo5Cr4V2（6W、5%Mo、4%Cr、2V），简称M2。优点：1）合金元素少，减少了碳化物数量分布不均匀性，有利于提高高温塑性、抗弯强度、冲击韧性，抗弯强度比W18高1015%，韧性高5060%。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（麻花钻）,回目录页,2、高性能高速钢：在通用型高速钢中再增加C、V、Co、Al等元素。耐热性好(在630650时HRC60)高热稳定性高速钢典型牌号：9W18Cr4V(高碳高速钢):C=强度，韧性。W6MoCr4V3(高钒高速钢):V=磨加工性。W6MoCr4V2Co8(钴高速钢):Co=成本。W2Mo9Cr4VCo8(超硬高速钢):V=磨加工性，Co=成本。比通用型高速钢具有更好的切削性能，适合于奥氏体不锈钢、高温合金、钍合金和高强度铡等难加工材料的加工。3、粉末冶金高速钢：采用粉末冶金方法，得到细小均匀的碳化物组织=机械性能。性能：强度和韧性高,强度是熔炼高速钢的2倍，韧性是其2.5倍;磨加工性好;物理机械性能各向同性好，淬火变形小。耐磨性好：2030。用途：适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具(如滚刀等)、精密刀具、复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。,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，540560保温12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。,回目录页,1.2.2.2硬质合金由难熔金属化合物(如WC、TiC)和金属粘结剂(Co)经粉末冶金方法制造而成。性能：耐用度比高速钢高几十倍，切削速度比高速钢提高410倍。硬度高：HRA8993。耐热性好：工作温度可达到8001000。耐磨性好。抗弯强度，冲击韧性差。原因：含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物。金属碳化物和金属粘结剂含量对硬质合金刀具性能的影响：碳化物含量=硬度,抗弯强度。粘结剂含量=硬度,抗弯强度。,回目录页,硬质合金刀具分类(ISO)（1）YG(K)类：WCCo类硬质合金性能：韧性，耐磨性，导热性。典型牌号：YG6、YG8、YG3X、YG6X等。数字含钴量。钴量粗加工；含钴量精加工。X细晶粒。适应加工：脆性材料和有冲击载荷的加工情况。脆性材料(崩碎切屑):铸铁、有色金属及其合金、导热系数低的不锈钢，如灰铸铁、耐热合金、铜铝合金等有冲击载荷的加工：如铣削。（2）YT(P)类：WCTiCCo类硬质合金性能：TiC,Co硬度、耐磨性、抗粘结扩散能力、抗氧化能力、抗弯强度、磨削性能、导热系数、冲击韧性。典型牌号：YT5、YT14、YT15、YT30等。数字含TiC量，Co含量依次降低（10，8，6，4）。含钴量粗加工；含钴量精加工。适应加工：长切屑的塑性金属材料如普通碳钢、合金钢等。注意:Ti元素亲和力粘刀刀具磨损YT类硬质合金，不适合于加工不锈钢和钛合金。,回目录页,（3）YW(M)类：WCTiCTaCCo类硬质合金性能：TaC(NbC)抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度、抗氧化能力、耐磨性。典型牌号：YW1、YW2（前者WC稍高，硬度也稍高）等。适应加工对象：具有较好的综合切削性能，适宜加工长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。YW(M)类硬质合金通用硬质合金。YG、YT、YW类硬质合金WC基硬质合金。YN类硬质合金TiC基硬质合金。以TiC为主（有些加碳或氮化物）的TiCNiMo合金。硬度高（达陶瓷水平），很高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力，较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与材料亲合力、摩擦小，抗粘结力较强。,1.2.2.3硬质合金刀具选用YG类：主要加工铸铁、有色金属及非金属材料。切屑呈崩碎块粒，对刀具冲击大，切削力、切削热集中于刀尖YG类合金抗弯强度和冲击韧性较高，导热性较好，可切削崩刃，传出切削热，切削温度。低速中速范围切削，YG类耐用度比YT类高。YG类磨加工性较好，可磨出较锐的刃，适合加工有色金属和纤维层压材料。因YG类耐热性1200）。切削速度快：比硬质合金高25倍。化学稳定性好：与金属亲合力小，抗粘结、抗扩散能力好。脆性大，抗弯强度，冲击韧性=崩刃。,回目录页,（3）金刚石性能：硬度高（HV10000），耐磨性好；刀具耐用度高：比硬质合金提高几倍至几百倍。可用于加工高硬度、高耐磨性的材料（如硬质合金、陶瓷、高硅铝合金）。切削刃锋利=加工冷硬现象少。摩擦系数小=不产生粘结，不产生积屑瘤。热稳定性差=切削温度不宜于加工黑色金属。强度低，脆性大=对振动敏感。（4）立方氮化硼（CBN）性能：硬度高（HV80009000），耐磨性好。热稳定性好（1400）=优于金刚石，可用于加工高温合金。化学惰性大：与铁族金属直至1300也不易发生化学反应=可用于加工淬硬钢和冷硬铸铁。导热性好，摩擦系数小。种类：整体聚晶立方氮化硼和立方氮化硼复合片。,金属切削过程通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属，形成切屑和已加工表面的过程。四个方面的基本规律：切削变形；切削力；切削热与切削温度；刀具磨损与耐用度。掌握这些规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，保证切削加工质量、减少能量消耗、提高生产率和生产技术发展等方面起着重要作用。,第二章金属切削过程的基本规律及其应用,回目录页,研究金属切削规律切除效率，成本，保证质量。通过研究切屑形成过程掌握切削加工中切削力、刀具磨损、加工表面质量等现象，解决生产实际问题所以：金属切削过程的研究，是金属切削基础理论研究的根本问题。1870，基麦（俄），基于古典力学和实验，提出金属切削过程为挤压产生的剪切过程。19131936，乌沙丘夫（俄