第一章-金属切削.ppt

1、,教学要求: 金属切削过程就是刀具从工件上切除多余的金属，使工件获得规定的加工精度与表面质量。因此，要进行优质、高效与低成本的生产，必须重视金属切削过程的研究。 教学重点: 基本定义介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、 刀具材料介绍刀具材料应具备的性能(硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性)；两种常用的刀具材料(高速钢、硬质合金)和其它刀具材料(涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼)。,内 容 提 要,1.1 基本定义 金属切削过程 金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具从工件上切除多余的（或预留的）金属，并在高生产率和低成本的前提下，使工件得到符合技

2、术要求的形状、位置、尺寸精度和表面质量。 切削运动 为实现切削过程，工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动，它由金属切削机床来完成。 工艺系统 机床、夹具、刀具和工件，构成一个机械加工工艺系统，切削过程的各种现象和规律都在这个系统的运动状态中去研究。,基 本 定 义,1.1.1 切削运动与切削用量 在金属切削过程中，为了要从工件上切去一部分金属，刀具与工件之间必须完成一定的切削运动。 如外圆车削时，工件作旋转运动，刀具作连续的纵向直线运动，形成了工件的外圆柱表面。 在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面：,基 本 定 义,待加工表面：即将被切去金属层的表面； 加工表面 ：切削刃正在

3、切削着的表面； 已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。 这些定义也适用于其它切削。图中分别表示了车削、刨削、钻削、铣镗削时的切削运动。,切削运动与切削用量,1.1.1.1切削运动 金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。 按切削时工件与刀具相对运动所起的作用可分为主运动和进给运动。如图所示。 （1）主运动：切下金属所必须的最主要的运动。 特点：通常它的速度最高，消耗机床功率最多。机床的主运动只有一个。 例如，车削、镗削的主运动是工件与刀具的相对旋转运动，而刨削是的主运动是刀具相对于工件的直线运动。 （2）进给运动：使新的金属不断投入切削的运动。它保证切 削工作连续或反复进行，从而切除

4、切削层形成已加工表面。 特点：机床的进给运动可有一个、两个或多个组成，通常消耗功率较小，进给运动可以是连续运动也可以是间歇运动。,切削运动与切削用量,（3）合成运动与合成切削速度v 主运动v和进给运动v可以由刀具或工件分别完成，或由刀具单独完成。 主运动和进给运动可以同时进行（车削、铣削等），也可交替进行（刨削等）。当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动。合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和： v=v+v,切 削 运 动,1.1.1.2 切削用量三要素 在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其它技术经济要求来选定适宜的切削速度

5、vc 、进给量 f(或进给速度值vf),还要选定适宜的背吃刀量值ap。vc 、f、ap 称之为切削用量三要素。（1）切削速度 大多数切削加工的主运动采用回转运动。回转体(刀具或工件)上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下： 式中 d工件或刀具上某一点的回转直径(mm)； n工件或刀具的转速（r/s或r/min）。,切削运动与切削用量,在生产中，磨削速度单位用米/秒( m/s)，其它加工的切削速度单位习惯用米/分（m/min）。 在转速n值一定时，切削刃上各点的切削速度不同。考虑到刀具的磨损和已加工表面质量等因素，计算时，应取最大的切削速度。 如：外圆车削时计算待加工表面上的速度(用dw代入公

6、式）， 内孔车削时计算已加工表面上的速度(用dm代入公式) ， 钻削时计算钻头外径处的速度。（2）进给速度、进给量和每齿进给量 进给速度是单位时间的进给量,单位是m/s(mm/min)。 进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移 (对于车削、钻削、铰削),单位是mm/r。,切 削 用 量 三 要 素,对于刨削、插削等主运动为往复直线运动的加工，虽然可以不规定进给速度，却需要规定间歇进给的进给量，其单位为mm/d.st(毫米/双行程）。 对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/

7、Z(毫米/齿)。 显然 mms或mmmin （3）背吃刀量 对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位是mm。,切削用量三要素,外圆柱表面车削的背吃刀量可用下式计算： 对于钻孔 其中 dm已加工表面直径(mm)； dw待加工表面直径(mm)。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 金属切削刀具的切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具构造如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。,切 削 用 量 三 要 素,国际标准化组织(ISO)在确定金属切削刀具的工作部分几何形状的一般术语时，就是以

8、车刀切削部分为基础的。刀具切削部分的构造要素(图1、2)及其定义和说明如下： (1)前刀面 直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其排出的刀面。 根据前刀面与主、副切削刃相毗邻的情况分为： 主前刀面： 与主切削刃毗邻的称为主前刀面； 副前刀面： 与副切削刃毗邻的称为副前刀面。 (2)后刀面 后刀面分为主后刀面与副后刀面。 主后刀面：是指与工件上加工表面相互作用和相对着的刀面； 副后刀面：是与工件上已加工表面相互作用和相对着的刀面。,刀具切削部分的构造要素,(3)切削刃:切削刃是前刀面上直接进行切削的锋边，有主切削刃和副切削刃之分。 主切削刃： 指前刀面与主后刀面相交的锋边，它完成主要的切除或表

9、面成形工作； 副切削刃： 指前刀面与副后刀面相交的锋边，它配合主切削刃完成切除工作，并最终形成以加工表面。 (4)刀尖 刀尖是主、副切削刃的连接部位。为了强化刀尖，许多刀具都在刀尖处磨出直线或圆弧形过渡刃。,刀具切削部分的构造要素,1.2 刀具材料,刀 具 材 料,在切削过程中,刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面,刀具材料对金属切削的生产率、成本、质量有很大的影响,因此要重视刀具材料的正确选择与合理使用。1.2.1 刀具材料应具备的性能 切削加工时,由于变形与摩擦,刀具承受了很大的压力与很高的温度。作为刀具材料应满足以下基本要求： (1)高的硬度和耐磨性 刀具材料要比工件材料硬度高，常温

10、硬度在HRC62以上。耐磨性表示抵抗磨损的能力,它取决于组织中硬质点的硬度、数量、大小和分布。,刀 具 材 料,(2)足够的强度和韧性 为了承受切削中的压力冲击和振动,避免崩刃和折断,刀具材料应该具有足够的强度和韧性。一般强度用抗弯强度表示,韧性用冲击值表示。 (3)高的耐热性 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 为了便于制造,要求刀具材料有较好的可加工性,如切削加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。 (5)良好的经济性,刀 具 材 料,1.2.2 常用刀具材料 目前,生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢(如T10A、T12A)、工具钢（如

11、9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。 1.2.2.1 高速钢 是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性,切削温度达500-650时仍能进行切削；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃,可锻造,这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要,是制造这些刀具的主要材料。 高速钢分类： 按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢； 按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,高 速 钢,(1)通用型高速钢 钨钢 典型牌号为W18Cr4V(简称W18)。 含量：W18、Cr4、Vl。

12、 特点：有良好的综合性能,在600时其高温硬度为HRC48.5,可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小;含钒量小,磨加工性好;碳化物含量高,塑性变形抗力大;但碳化物分布不均匀,影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够;热塑性差,很难用作热成形方法制造的刀具(如热轧钻头)。 钨钼钢 (将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。) 典型牌号为W6Mo5Cr4V2(简称M2)。 含量：W6、Mo5、Cr4、V2。 特点：碳化物分布细小均匀,具有良好的机械性能,抗弯强度比W18高1015,韧性高5060,可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具,热塑性特别好,更适用于制造热轧钻头等;磨加工性也好,目前各国

13、广为应用。,高 速 钢,(2)高性能高速钢 是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。按其耐热性,又称高热稳定性高速钢。在630650时仍可保持HRC60的硬度,具有更好的切削性能,耐用度较通用型高速钢高1.33倍。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。 典型牌号有：高碳高速钢9W18Cr4V、 高钒高速钢W6Mo5Cr4V3、 钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co8、 超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8等。,1.2.2.1 高速钢,高 速 钢,(3)粉末冶金高速钢 用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水,直接得到细小的高速钢粉末,高温下压制成致密的钢坯,而后锻压

14、成材或刀具形状。这有效地解决了一般熔炼高速钢时铸锭产生粗大碳化物共晶偏析的问题,得到细小、均匀的结晶组织,使之具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.53倍;磨加工性能好;物理机械性能高度各向同性,淬火变形小；耐磨性能提高2030，适合制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具(如滚刀、插齿刀)、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。,高 速 钢,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)经粉末冶金法制成。 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,硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达HRA

15、8993,在8001000还能承担切削,耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时,切削速度可提高410倍。唯抗弯强度较高速钢低,仅为0.9-1.5GPa(90-150kgf/mm2 ),冲击韧性差,切削时不能承受大的振动和冲击负荷。碳化物含量较高时,硬度高,但抗弯强度低;粘结剂含量较高时,抗弯强度高,但硬度低。 硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料(约占50)。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。,硬 质 合 金,ISO将切削用的硬质合金分为三类： (1)YG(K)类，即WCCo类硬质合金 组成： WC和Co。 常用牌

16、号： YG6、YG8、YG3X、YG6X， 含钴量分别为：6、8、3、6。 硬度：HRA8991.5,抗弯强度：1.1-1.5GPa (110150kgf/mm2)。 组织结构有：粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般(如YG6、YG8)为中晶粒组织,细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X) 在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些,但抗弯强度、韧性则低些。 特点：此类合金韧性、磨削性、导热性较好,较适于加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料,如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高(如端铣)的钢料等。,硬 质 合 金,(2)YT(P)类，即WCTiCCo类硬

17、质合金 组成：WC和Co、还含有5%30%的TiC。 牌号：YT5、YTl4、YTl5、YT30， 其中TiC的含量分别为 ：5%、14%、15%、30% 相应的钴含量为：10%、8%、6%、4% 硬度：HRA91.592.5,抗弯强度为0.9-1.4GPa(90-140kgf/mm2)。 TiC含量提高,Co含量降低,硬度和耐磨性提高,但是冲击韧性显著降低。 特点：此类合金有较高的硬度和耐磨性,抗粘结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降,低温脆性大,韧性差。适于高速切削钢料。,硬 质 合 金,此类合金中含钴量增加,抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工 。含钴量减少,硬度、

18、耐磨性及耐热性增加,适于精加工。 应注意：此合金不适于加工不锈钢和钛合金。因YT中的钛元素和工件中的钛元素之间的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具磨损。 (3)YW(M)类，即WCTiCTaCCo类硬质合金 组成：在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁,也可加工钢,因而又有通用硬质合金之称。 常用的牌号：YWl和YW2。 以上三类的主要成分均为WC，所以又称WC基硬质合金。,硬 质 合 金,尚有以TiC为主要成分的TiC基硬质合金，即Ti-Ni-Mo合金。 因TiC在所有碳化物

19、中硬度最高，所以此类合金硬度很高，达HRA9094，有较高的耐磨性、抗月牙洼磨损能力，耐热性、抗氧化能力以及化学稳定性好、与工件材料的亲合性小、磨擦系数小、抗粘结能力强，刀具耐用度比WC提高好几倍，可加工钢，也可加工铸铁。 牌号YNl0与YT30相比较，硬度较接近，焊接性及刃磨性均较好，基本上可代替YT30使用。唯抗弯强度还赶不上WC，当前主要用于精加工及半精加工。因其抗塑性变形、抗崩刃性差，所以不适用于重切削及断续切削。 表之1、2、3列出了各种硬质合金牌号刀具的应用范围。,硬 质 合 金,1.2.3 其它刀具材料 (1)涂层刀具 它是在韧性较好的硬质合金基体上,或在高速钢刀具基体上,涂抹一

20、薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法(CVD法),沉积温度1000左右;涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法(PVD法)，沉积温度500左右。 常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3 等。 涂层厚度：硬质合金刀具为45m,表层硬度可达HV25004200;高速钢刀具为2m,表层硬度可达HRC80。 特点：涂层刀具具有较高的抗氧化性能,因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力;有低的摩擦系数,可降低切削时的切削力及切削温度,可提高刀具的耐用度(提高硬质合金刀具耐用度l3倍，高速钢刀具耐用度210倍)但存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。,其它

21、刀具材料,(2)陶瓷 有纯Al2O3陶瓷及Al2O3-TiC混合陶瓷两种,其微粉在高温下烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度(HRA91-95)和耐磨性；小，抗粘结和抗扩散的能力好。 可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。 但其脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差、易崩刃,使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料,还是有很大发展前途的。 (3)金刚石 分为天然金刚石（TJ）、人造金刚石（RJ） 人造金刚石（RJ）是目前人工制造出的最硬的物质，是在高温、高压和其它条件配合下（触媒）由石墨转化而成。,其它刀具材料,特点：硬度高达HVl0000，耐磨性好,可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料,刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。 其切削刃锋利，能切下极薄的切屑,加工冷硬现象较少;有较低的摩擦系数,切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。 但其热稳定性差,切削温度不宜超过700800;强度低、脆性大、对振动敏感,只宜微量切削;与铁有极强的化学亲和力,不适于加工黑色金属。 目前主要用于磨具和磨料,对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔;加工铝合金、铜合金时,切削速度可达8003800mmin。,其它刀具材料,(4)立方氮化硼 由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。 特点：有很高的硬度(HV80009