第2章-金属切削原理

,机械制造技术,主讲：李东亚重庆经贸职业学院机械与电子工程系,绪论：,一、本课程的性质和任务1、金属切削原理与刀具是研究切削加工的一门技术科学。切削加工：是用硬度高于工件材料的刀具，在工件表面切去一部分预留量，使工件达到预定几何形状、尺寸准确度，表面质量的方法2、专业基础课：基本理论：切削变形，切削力，切削热，切削温度，刀具磨损，破损等。基本知识：刀具材料，刀具角度，材料的加工性，切削用量的选用等,（3）机械加工：车、铣、刨、磨、拉等（4）高能加工：火焰加工，等离子加工，激光加工等（5）电化学加工：,2、切削加工的地位：（1）机械制造业中所用工作母机80%-90%为金属切削机床；（2）制造业是国民经济的支柱产业。,二、切削加工的地位、种类、发展1、加工方式（1）塑性加工：锻造，轧制，挤压，冷拔等（2）加热加压成形加工：铸，焊接，喷镀，粉末冶金等,3、发展（1）切削机床及切削理论的发展（2）刀具材料的发展1780年，碳素工具钢；1898面，高速钢；1927年，硬质合金，1960年新型刀具材料（3）新加工方法的产生（4）我国切削加工技术的发展,三、本课程需掌握的内容（一）金属切削原理：刀具材料性能选用；切削部分的几何参数；切削过程现象与变化规律；材料的加工性，表面质量等1、几何问题：刀具角度2、规律问题：切削变形，切削力，切削温度，刀具磨损等*以切削变形为基础，分析各种因素对其影响，在学习各种规律,刀具角度，刀具材料，工件材料，切削用量，切削条件，刀具磨损,（二）金属切削刀具1、标准刀具：可转位车刀、钻头、铰刀、铣刀等重点是结构，工作原理，选择使用方法2、非标准刀具：成形车刀，成型铣刀、拉刀等重点是设计原理，计算方法,第一章：基本定义,1.1切削运动，切削用量1.2刀具的几何参数1.4刀具标注角度的换算1.4切削层参数与切削方式,一、切削运动二、工件上的加工表面三、切削用量,一、刀具切削部分的表面与刀刃二、确定刀具切削角度的参考平面三、刀具标注角度的参考系四、刀具的标注角度五、刀具的工作角度,一、切削层参数二、切削方式,掌握部分：（1）切削运动和切削用量的定义；（2）刀具切削部分三面、两刃、一尖的组成；（3）正交平面参考系的组成及基面、切削平面和正交平面定义；（4）刀具角度的定义和确定方法，刀具角度的一面两角分析法；（5）掌握刀具的工作角度，刀具的安装及运动对工作角度的影响。切削方式。,了解部分：刀具角度的换算；,理解部分：刀具参考系的分类及刀具法平面参考系和假定工作平面参考系的确定方法；切削层参数的定义。,第一章：基本定义1.1切削运动，切削用量,一、切削运动二、工件上的加工表面三、切削用量,第一章：基本定义1.1切削运动，切削用量,一、切削运动1切削运动：完成切削加工所需的最基本的相对运动。2主运动：使刀具前刀面接近工件，直接切除工件上的切削层，使之转变为切屑，从而形成工件新表面的运动,图1-1外圆切削的切削运动与加工表面,已加工表面,过渡表面,待加工表面,3进给运动：刀具和工件间的附加相对运动，加上主运动，即可依次地或连续不断地切除切屑，并得出具有所需几何形状的加工表面。,完成切削运动的三个条件：运动，材料，几何形状,4切削层：刀具一次走刀所切除的金属层,二、工件上的加工表面待加工表面，已加工表面，过渡表面,图1-1外圆切削的切削运动与加工表面,已加工表面,过渡表面,待加工表面,三、切削用量1切削用量：2三要素,图：车削运动、切削层及工件上形成的表面,1.2刀具的几何参数,一、刀具切削部分的表面与刀刃二、确定刀具切削角度的参考平面三、刀具标注角度的参考系四、刀具的标注角度五、刀具的工作角度,一、刀具切削部分的表面与刀刃,主切削刃S,副切削刃S,刀尖（过渡刃）,图：刀具角度的必要性,二、确定刀具切削角度的参考平面1基面：过切削刃上选定点，垂直与合成切削运动向量的平面；2切削平面：过切削刃上选定点，切于工件过渡表面的平面。,三、刀具标注角度的参考系1根据应用分：（1）静止参考系及标注角度（2）工作参考系与工作角度2根据建立方法分（1）正交平面参考系(Pr、Ps、Po)（2）法平面参考系(Pr、Ps、Pn)（3）假定工作平面参考系(Pr、Pp、Pf),3正交平面参考系（1）基面Pr：不考虑进给运动时，过切削刃上选定点，垂直与切削速度方向的平面；（2）切削平面Ps：过切削刃上选定点，切于工件过渡表面的平面。（3）正交平面Po：,4法平面参考系Pr、Ps、PnPn过切削刃选定点，垂直于主切削刃的平面。,5假定工作平面参考系：Pr、Pf、Pp背平面Pp：过切削刃上选定点，同时垂直于假定工作平面和基面的平面。假定工作平面Pf：过切削刃选定点，平行与假定进给运动方向并垂直于基面的平面,四、刀具的标注角度（一）刀具在正交平面参考系中的标注角度*确定切削刃位置的角度；确定刀面位置的角度。1前角o2后角o3副后角o4刃偏角KrKr5刃倾角s,6楔角o；7刀尖角r；8余偏角r,确定主切削刃位置的角度：Kr、s前刀面和主后刀面的确定：o、o由于刃磨车刀时，主、副切削刃常常刃磨在同一平面型前刀面上，当主切削刃的Kr、s、o、o确定之后，副切削刃的s、o也确定了副切削刃的角度：o、Kr,车刀前面定向角：s、o后面定向角：Kr、o副后面定向角：Kr、o,（二）刀具在法平面参考系中的标注角度,（三）刀具在假定工作平面参考系中的标注角度,五、刀具的工作角度*工作参考系：研究切削过程中刀具角度，必须以刀具与工件的相对位置，合成切削运动为基础建立的参考系工作基面Pre工作切削平面Pse工作正交平面Poe,oe、oe、oe、Kre、Kre、se,*工作角度：用工作参考系定义的刀具角度；刀具在工作状态下的切削角度。考虑进给运动和安装情况,1横向进给运动的影响（1）影响角度：前角o，后角o（2）（3）问题：为何横向进刀的刀具不宜选过大的进给量？,（一）进给运动对工作角度的影响,2纵向进给运动的影响（1）纵向进给运动对前、后角的影响假定工作平面内：在正交平面内：,（二）刀具安装位置对刀具角度的影响1刀具安装高低的影响（1）影响工作前角，工作后角（2）背平面内：（3）正交平面内：,2刀杆中心与进给方向不垂直时的影响,一、切削层参数1什么叫切削层？2切削层参数（1）切削厚度ac（hD）：垂直于过渡表面度量的切削层尺寸ac=fsinKr（2）切削宽度aw（bD）：沿过渡表面度量的切削层尺寸aw=ap/sinKr（3）切削面积Ac（AD）：Ac=acaw=fap,1.4切削层参数与切削方式,二、切削方式1自由切削与非自由切削,自由切削,非自由切削,非自由切削,非自由切削,2直角切削与斜角切削,小结：,名词解释：主运动、进给运动、前刀面、主后刀面、基面、切削平面，正交平面，法平面、假定工作平面、刀具的标注角度，刀具的工作角度，切削厚度，切削宽度，自由切削，直角切削，切削层几个问题：1、刀具切削部分由哪几个表面组成？2、正交平面参考系和法平面参考系的关系？3、刀具在正交平面参考系中的标注角度有几个？4、纵向进给运动和横向进给运动分别影响刀具的什么工作角度？5、刀具的安装位置对工作角度有何影响？6、刀具的标注角度和工作角度有何区别？7、已知用kr=90、kr=2、o=5、o=12、s=0的切断刀切断直径50mm棒料。若切削刃安装时高于工件中心0.2mm，试计算（不考虑进给运动的影响）切断后工件端面留下的剪断心柱直径？,第二章：刀具材料,2.1刀具材料应具备的性能2.2高速钢2.3硬质合金2.4涂层刀具2.5其他刀具材料,一、通用高速钢二、高性能高速钢三、粉末冶金高速钢,一、硬质合金的特点二、常用硬质合金的分类及其性质三、硬质合金的选用,一、制备方法二、常用涂层材料三、涂层刀具的特点,一、陶瓷二、金刚石三、立方氮化硼,掌握部分：刀具材料应具备的性能和刀具材料的4大分类；通用型高速钢的主要牌号的主要特性；硬质合金的组成、分类、性能和选用原则；理解部分：粉末冶金高速钢和涂层高速钢的特点和应用；陶瓷刀具的种类和应用特点；了解部分：超硬刀具材料的种类、性能及使用原则。自学方法指导：,第二章：刀具材料,2.1刀具材料应具备的性能一、硬度，耐磨性二、强度和韧性三、耐热性（高温硬度，抗氧化，抗粘结，抗扩散）四、热物理性能和热冲击性能，热冲击系数五、工艺性六、(经济性),1-金刚石2-立方氮化硼3-碳化硅4-氧化铝5-YT15硬质合金6-YG8硬质合金7-W18Cr4V8-T12高碳钢,2.2高速钢,分类：按用途：通用型高速钢、高性能高速钢工艺方法：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢,*加入WMoCrV等高合金工具钢*较高的热稳定性；较高的强度；工艺性好，使用可靠,特点：1、热稳定性：500-650。切削速度提高1-3倍，2、硬度：63-70HRC3、抗弯强度：3.3GPa（硬质合金的2-3倍，陶瓷的5-6倍）4、工艺性好，适于制作复杂道具,一、通用高速钢*按含钨量：钨系：W12%、W18%；钨钼系：W6%、W8%；钼系：W2%或不含W一般硬度：63-66HRC，615-620时，60HRC良好的塑性和刃磨性复杂刀具切削材料：硬度小于250-280HBS以下的结构钢和铸铁切削速度最高：40-60m/min（一）钨钢W18Cr4V（W18）（二）钨钼钢W6Mo5Cr4V2（M2）；W9Mo3Cr4V,一、通用高速钢,（一）钨钢W18Cr4V（W18）1、优点：（1）综合性能较好，600时的高温硬度48.5HRC（2）淬火过热倾向小，热处理易控制，刃磨性能好（3）含碳量高，塑性变形抗力大2、缺点：（1）碳化物分布不均，剩余碳化物颗粒大（30m），影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度；（2）抗弯强度、韧性较低，适于做小截面刀具如直径30mm的棒料，抗弯强度3-3.3GPa60-80mm时，抗弯强度2-2.3GPa（3）热塑性差：难以用作热成形方法的刀具（热轧钻头）（4）W价较高W14Cr4VMnXt，,一、通用高速钢,（二）钨钼钢W6Mo5Cr4V2（M2）；W9Mo3Cr4V1、W6Mo5Cr4V2（M2）优点：（1）Mo%6%，满足(W+1.4-1.5Mo)=12-13%保证强度，韧性，不损害热稳定性（2）碳化物细小均匀，机械性能好，可做大尺寸刀具；（3）热塑性好；（4）刃磨性好。缺点：（1）热稳定性稍低于W18，V40m/min时，性能稍差；（2）热处理时脱碳倾向大，易氧化，淬火温度范围较窄。,2、W9Mo3Cr4V（1）弯：4-4.5GPa；k=350-400KJ/m2（2）65-66.5HRC（3）热稳定性能高于M2（4）碳化物均匀性接近M2，良好的热塑性；（5）脱碳倾向小于M2（6）耐用度较高。,二、高性能高速钢1什么是高性能高速钢：在通用性高速钢成分中再增加含碳量、含钒量及添加钴、铝等合金元素的新钢种。2特点：（1）高热稳定性（630-650度时60HRC）（2）耐用度高1.5-3倍（3）硬度高：67-70HRC3主要牌号：（1）高C：9W18Cr4V、9W6Mo5Cr4V2（韧性差）（2）高V：W6Mo5Cr4V3（刃磨差）（3）高Co：；W18Cr4VCo5（成本高）（4）超硬：W2Mo9Cr4VCo8（M42）、W6Mo5Cr4V2Al（501）4.适应范围：高碳，高钒，含钴高速钢的局限性,5、W2Mo9Cr4VCo8（M42）（1）67-69HRC，600时，55HRC（2）含V量低，刃磨性好（3）含Co，成本高（4）综合性能好，应用广泛（5）可加工耐热钢、不锈钢，加工材料硬度越高，效果越明显。,6、W6Mo5Cr4V2Al（501）（1）Al的作用：提高高温硬度，热塑性与刃性，高温形成Al2O3，减轻粘刀。（提高W,Mo的溶解度，组织晶粒长大）（2）600时，54HRC；抗弯强度2.9-3.9GPa，（3）成本低（4）刃磨性差（5）切削性能优良：加工30-40HRC调质钢，耐用度较HSS高3-4倍。,三、粉末冶金高速钢1生产：用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢水，得高速钢粉末，在压制成钢坯，最后制成刀具2优点（1）避免粗大碳化物偏析，组织细小。（晶粒尺寸小于2-3m，机械性能好。（2）不含V，刃磨加工形好；（3）淬火变形小（HSS的1/2-1/3）（4）耐磨性好（提高20-30%）（5）热成型合格率高，可提高含碳量。,3应用：制造切削难加工材料的刀具及大尺寸刀具（滚刀），也适于制造精密刀具和复杂刀具精密螺纹车刀、拉刀、切齿刀加工高强度钢、镍基合金、钛合金的刨刀、钻头、铣刀等,一、硬质合金的特点1组成：WC、TiC、TaC、NbC+Co（Ni）2特点：（1）碳化物熔点、硬度、耐磨性；硬度为89-93HRA（HSS:83-86.6）、（2）化学稳定性好，热稳定性好：800-1000：可切削540：82-87HRA；760：77-85HRA（3）切削速度高：切钢：220m/min（4）抗弯强度低：0.9-1.5GPa,冲击韧性低（粘结剂强度）（5）耐用度高：,2.3硬质合金,二、常用硬质合金的分类及其性质（一）WCCo（YG）类硬质合金：主要加工铸铁、有色金属1、组成：WC+Co2、牌号：,3、性能：（1）硬度较低：89-91.5HRA（2）韧性高：弯：1.1-1.5GPa（3）导热性好，切削温度低；（4）刃磨性好，刃口锋利。4、应用：铸铁，有色金属Co%韧性粗加工Co%韧性精加工,按晶粒大小分：粗、中、细，超细细：硬度，耐磨性高，适于加工特殊铸铁，奥氏体不锈钢、钛合金等。超细（YG1