车削加工（普通车床）训练 教案 课题四 车刀基本知识

PAGEPAGE8课题四车刀基本知识1、训练形式课堂授课。2、训练目的了解车刀构造以及主要几何角度，能辨认各种车刀的主、副刀刃，前面、后面、前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角等；了解常用刀具材料的种类、性能，选用及部分新刀具材料；了解车刀主要几何角度（前角、后角、偏角和刃倾角等）在车削加工中的作用；了解如何合理选择车刀主要几何角度及刀具的刃磨方法。3、教具车刀实物：不同正负倾角、不同前角的高速钢车刀和硬质合金车刀各一把，整体式、焊接式、机夹式车刀若干；车刀模型：表达三个辅助平面的可剖式车刀模型以及外圆车刀的木制模型若干；铣刀、钻头各一把；挂图一套。4、教学过程设计授课时间共50分钟。5、课题讲解和示范操作学生通过前几个课题的训练，对车刀已经有了一些感性认识，如：刀具锋利程度直接影响到零件的尺寸控制和表面质量，在切削力、切削热和摩擦的作用下，刀具存在磨损现象。那么：怎样提高刀具的锋利程度和耐用度？如何根据切削条件、加工要求合理地选择刀具？欲回答、了解诸如此类与切削加工密切相关的问题，要求学生对车刀必须从感性认识上升到理性认识。本课题以外圆车刀为例，向学生介绍车刀基本知识，和刀具的一些基本概念。本课题主要讲解以下三个方面的内容：车刀的构造、刀具材料以及车刀的几何角度。5.1、车刀的构造联系学生在端面、外圆车削等课题的训练中对车刀的感性认识，指出车刀由刀头和刀杆两部分组成。其中刀杆起装夹作用，通常是四方体；刀头起切削作用，是一个复杂几何体，只要由“三面两刃一尖”组成（对照实物讲解）：前面：切屑流过的刀具表面；主后面：切削时刀具对应工件过渡表面的面。副后面：切削时刀具对应工件已加工表面的面。主切削刃：前面与主后面的交线，承担主要切削任务；副切削刃：前面与副后面的交线，承担次要切削任务，主要起修光作用。刀尖：主切削刃与副切削刃的交点，通常为小圆弧。车刀按结构可分为整体式、焊接式、机夹式及可转位机夹式等种类。各种结构形式的特点如表4.1所示：名称特点适用场合整体式用整体高速钢制造，刃口可磨较锋利，结构牢固。小型车床或加工有色金属。焊接式焊接硬质合金或高速钢刀片，结构紧凑，使用灵活。各类车刀特别是小刀具。机夹式避免焊接产生的应力，裂纹等缺陷，刀杆利用率高，刀片可集中刃磨，获得所需参数，使用灵活方便。外圆、端面、镗孔割断，螺纹刀等。可转位式避免了焊接刀的缺点，切削刃磨钝后刀片可快速转位，无需刃磨刀具，生产率高，断屑稳定，可使用涂层刀片。大中型车床加工外圆、端面、镗孔等，特别适用于自动线数控机床。表4.1车刀结构种类及特点5.2、刀具材料刀杆材料通常采用中碳钢。刀具材料则必须满足切削过程的各种要求，应该具备以下特点：硬度高：刀具材料的硬度比工件材料的硬度高；耐磨性好：在切削过程中，刀具与工件、切屑之间有剧烈的磨擦；红硬性好：在高温的条件下仍保持良好的切削性能；足够的强度和韧性：能承受切削力和刀削振动对刀具的影响。常用的刀具材料有两种：高速钢和硬质合金。本课题即着重讲解这两种刀具材料，分别讲述刀具材料应具备的性能、牌号并加以对比，使学生了解每种材料的优缺点，应用时要根据实际情况合理选用。对机械类专业的学生，还要介绍涂层刀具和陶瓷刀具讲解发展前景、用途等。结合挂图讲解：从挂图高速钢与硬质合金的性能比对表看出，硬质合金材料在硬度、耐磨性和红硬性三个方面均优于高速钢，故能承受高速切削，而高速钢则不能承受高速切削。那么，为什么不能承受高速切削的材料称“高速钢”呢？这是一个历史原因，最初的车刀材料是碳素工具钢和合金工具钢，允许的切削速度不超过10m/min，1900年研制成功一种切削速度可达30～40m/min的刀具材料，切削速度比原来的材料高出3～4倍，高速钢由此得名。硬质合金、超硬材料的问世很快将切削速度提高到100m/min以上，而高速钢所能承受的切削速度已不能算作高速切削了，由此可见，高速切削是一个相对概念，随着新刀具材料的不断出现，高速切削的概念也随之变化。高速钢牌号W18Cr4V，虽然在硬度、耐磨性、红硬性和允许的切削速度等方面不及硬质合金，但其抗弯强度、冲击韧性比硬质合金好，且具有工艺性好，磨削容易，可锻造和热处理等优点。高速钢常用于制造复杂形状的刀具，如钻头、铣刀、丝攻等，又因刃磨方便，磨后刀刃锋利，所以常用来做低速精加工车刀和车成形面的成形刀，如镗孔刀、螺纹刀等。硬质合金分为YT（钨钴钛类）和YG（钨钴类）两种，两种材料都适合于高速切削。钨钴类合金比钨钴钛类合金韧性好，因此常用来加工脆性材料（如铸铁、铸铜、铸铝等），或冲击性较大的工件；钨钴钛类合金红硬性较好，在高温下比钨钴类合金耐磨，常用来加工钢料或其它韧性较好的材料。除上述材料外，还有硬质合金涂层刀片、陶瓷刀片等。涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具，是刀具发展中的一项重大突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具是在硬质合金或高速钢刀具基体上涂覆一层TiC、TiN或Al2O3，使刀具的切削速度、硬度、耐用度可提高2～5倍。目前世界上此项技术应用处于领先地位的是瑞典，在车削中涂层硬质合金刀片普及率已达到70～80%，在铣削方面已达到50%以上，我国在这方面尚存在一定差距。陶瓷刀具用特制的陶瓷材料（氧化铝烧结）制成，陶瓷材料特别硬，且其硬度不受热的影响，主要用于加工硬质材料或易磨损刀具的材料，如碳、石墨、纤维和石棉等，加工表面质量好。另外陶瓷刀具还常用于加工钢和磁性合金。5.3、车刀几何角度车刀的切削性能不仅取决于材料，而且取决于它的几何角度。结合车刀模型、挂图讲解：欲确定刀具的几何角度，首先应确定刀具和工件在空间的相对位置，设定以下三个辅助平面：1）、基面：通过主切削刃上一点，并垂直于该点切削速度方向的平面。当刀尖与旋转中心等高时，基面是一个水平面；当刀尖高于或低于中心时，基面则随之变化。2）、切削平面：通过主切削刃上一点，切于过渡表面的平面。当刀尖与旋转中心等高时，切削平面是铅垂面。不论刀尖与旋转中心是高或低，基面与切削平面之间的垂直关系不变。3）、主剖面：通过主刀刃上一点并垂直于主刀刃在基面上投影的剖面。三个辅助平面两两相互垂直。辅助平面比较抽象，要充分利用模型，使假想的辅助平面变为学生熟悉的空间三坐标平面，以弥补抽象概念难以理解的困难。结合辅助平面讲解车刀前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等基本角度的定义和作用。1）、前角：前面与基面的夹角，促使切削变形和流动的角度，代表了前面相对基面的倾斜程度。前角越大，刀具越锋利，切削越轻松，同时切削力和切削热均下降。实验证明，前角在-20°～+30°，每增大或减小10，主切削力下降或长高1%。因此，在保证刃口具有一定强度和散热体积条件下，应尽可能增大前角。大小由工件硬软、刀具材料及加工方法等因素决定：工件材料，硬，小，软，大；刀具材料，高速钢大，硬质合金小；加工方法，粗加工，小，精加工，大。2）、后角：主后面与切削平面的夹角，它表示刀具主后面对于切削平面的倾斜程度，作用是减少主后面与切削表面的磨擦，一般选择6°－8°。3）、主偏角：主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角，表示主切削刃相对进给方向的倾斜程度。这个角度对切削分力的分配及刀具的耐用度有直接影响。合理选择可以改善切削条件，提高刀具寿命。在00～900之间，主偏角越大，工件受到径向力越小，轴向力越大；反之，则径向力增大，轴向力减小。因此，在同样切削力的情况下，主偏角小的车刀，径向力大，车削刚性差的工件（如细长轴）就容易产生振动，甚至会顶弯工件。所以在车削细长轴时，为减小径向力和变形，应该选用主偏角为900的车刀。结合挂图讲解：在相同的进给量和切削深度情况下，主偏角越小，切削宽度增大，主切削刃单位长度切削负荷减轻，刀刃参加切削长度增加，散热条件好，刀尖强度增加，从而提高了刀具寿命。但是，并非所有轴类零件都选用较小主偏角的车刀，主偏角小，径向力大，车刀会产生振动。硬质合金主偏角应比高速钢刀具大。4）、副偏角：副切削刃在基面上投影与背离进给方向的夹角。这个角度的大小影响工件上残留切屑面积及副后面、副切削刃对工件的摩擦。副偏角大小影响工件表面的粗糙度。在相同进给量的情况下，副偏角小，残留面积小，粗糙度小，反之粗糙度增大。5）、刃倾角：主切削刃与基面的夹角，表示主切削刃倾斜程度，影响切屑排出的方向和刀尖的强度。结合挂图讲解：当刀尖低于旋转中心时，切屑向已加工表面排出，刀尖强度好，易划伤已加工表面，适合粗加工，当刀尖高于旋转中心时，刀尖强度差，切屑向待加工表面流出，保护已加工表面的完好，适合精加工。在切削加工时，如何合理选用车刀角度呢？5.4、车刀角度的合理选择选择车刀角度时主要考虑以下几个因素：材料的可切削性能；零件形状、所处加工阶段、粗糙度和精度要求；切削条件（如切削系统刚性、冷却条件及切削用量等）。举例：粗车时，考虑到切削用量较大，车刀应有足够的散热体积和强度，应选择前角和后角小一些、刃倾角为负值的刀具；精车时则要求刀具锋利，前后角应稍大些，刃倾角为正