模块3 金属切削基本条件的合理选择.ppt

1、机械制造技术基础,主讲： 陈建刚 2012.2.16,第3模块:金属切削基本条件的合理选择,3.1.刀具材料、类型及结构合理选择 3.2.刀具合理几何参数选择 3.3.刀具耐用度选择 3.4.切削用量选择 3.5.切削液选择,3.1.1 刀具材料应具备的性能 在切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压力和强烈的摩擦，刀具在高温下进行切削的同时，还承受着冲击和振动，因此作为刀具材料应具备以下基本性能： （1）高的硬度和耐磨性； （2）足够的强度和韧性； （3）高的耐热性； （4）良好的加工工艺性； （5）经济性。,3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围 1.高速钢

2、（High Speed Steels） 2.硬质合金（Cemented carbide） 3.其它刀具材料 1）陶瓷 2）金刚石 3）立方氮化硼（CBN） 4）涂层刀具材料（Coated tool） 重视刀具材料的正确选择和合理使用，重视新型刀具材料的研制,刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器发展而来的。 1783年，法国的勒内首先制出铣刀。 1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。 1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。 1898年，美国的泰勒和怀特发明高速工具钢。 1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。 由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构

3、。 19491950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。 1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。 1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。 1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。 1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。,3.后角选择,2.刀具合理几何参数的选择,

4、4.主偏角、副偏角以及刀尖形状的选择,（1）后角的作用；（2）后角选择的原则,5.刃倾角选择,1.概述,2.前角和前面选择,（1）前角作用及合理前角选择原则；（2）带卷屑槽的刀具前刀面形状,（1）主偏角和副偏角作用； （2）合理主偏角选择的原则； （2）合理副偏角选择的原则,3.刀具耐用度的选择 刀具的磨损达到磨钝标准后即需重磨或换刀。 究竟刀具切削多长时间换刀才比较合适，即刀具耐用度应取什么数值才算合理呢？ 一般有两种方法： （1）根据单件工时最短的观点来确定耐用度，这种耐用度称为最大生产率耐用度tp； （2）根据工序成本最低的观点来确定的耐用度，称为经济耐用度tc。,在一般情况下均采用经济

5、耐用度，当任务紧迫或生产中出现不平衡环节时，则采用最大生产率耐用度。 生产中一般常用的耐用度的参考值为： 高速钢车刀 T=6090min； 硬质合金、陶瓷车刀 T=3060min； 加工有色金属的金刚石车刀 T=1020h； 加工淬硬钢的立方氮化硼车刀 T=120150min； 在自动机床上多刀加工的高速钢车刀 T=180200min。,在选择刀具耐用度时，还应注意： 简单的刀具如车刀、钻头等，耐用度选得低些；结构复杂和精度高的刀具，如拉刀、齿轮刀具等，耐用度选得高些；同一类刀具，尺寸大的，制造和刃磨成本均较高的，耐用度选得高些；可转位刀具的耐用度比焊接式刀具也选得低些； 装卡、调整比较复杂的

6、刀具，耐用度选得高些； 车间内某台机床的生产率限制了整个车间生产率提高时，该台机床上的刀具耐用度要选得低些，以便提高切削速度，使整个车间生产达到平衡； 精加工尺寸很大的工件时，为避免在加工同一表面时中途换刀，耐用度应选得至少能完成一次走刀，并应保证零件的精度和表面粗糙度要求。,4.切削用量的选择 1）制订切削用量的原则 正确地选择切削用量，对于保证加工质量、降低加工成本和提高劳动生产率都具有重要意义。 所谓合理的切削用量，是指充分利用刀具的切削性能和机床性能（功率、扭矩等），在保证加工质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。 对于粗加工来说，要尽可能保证较高的金属切除率和必要的刀

7、具耐用度。 提高切削速度，增大进给量和背吃刀量，都能提高金属切除率。但在这三个因素中，影响刀具耐用度最大的是切削速度，其次是进给量，影响最小的是背吃刀量。 所以，在选择粗加工切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，其次考虑采用大的进给量，最后才能根据刀具耐用度的要求，选定合理的切削速度。,半精加工、精加工时首先要保证加工精度和表面质量，同时应兼顾必要的刀具耐用度和生产效率，此时的背吃刀量根据粗加工留下的余量确定。 为了减小工艺系统的弹性变形，减小已加工表面的残留面积，半精加工尤其是精加工，一般多采用较小的背吃刀量和进给量。 为抑制积屑瘤和鳞制的产生，用硬质合金刀具进行精加工时一般多采用较高的切

8、削速度；高速钢刀具则一般多采用较低的切削速度。由此可见，选择切削用量的基本原则是 首先选取尽可能大的背吃刀量； 其次要在机床动力和刚度允许的范围内，同时又满足已加工表面粗糙度的要求的情况下，选取尽可能大的进给量， 最后利用切削用量手册选取或用公式计算确定最佳切削速度。,2）切削用量三要素的确定 背吃刀量的选择 背吃刀量根据加工余量确定。 在粗加工时，一次走刀应尽可能切去全部加工余量，在中等功率机床上，asp可达810mm. 下列情况可分几次走刀： 加工余量太大，一次走刀切削力太大，会产生机床功率不足或刀具强度不够时； 工艺系统刚性不足，或加工余量极不均匀，以致引起很大振动时，如加工细长轴或薄壁

9、工件； 断续切削，刀具受到很大的冲击而造成打刀时。在上述情况下，如分二次走刀，第一次的asp也应比第二次大，第二次的asp可取加工余量的1/31/4左右。 切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等冷硬较严重的材料时，应尽量使背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚度，以防刀刃过早磨损或破损。 在半精加工时，asp=0.52 mm 。 在精加工时，asp=0.10.4 mm 。,2.进给量的选择 粗加工时，对工件表面质量没有太高要求，这时切削力往往很大，合理的进给量应是工艺系统所能承受的最大进给量。 这一进给量要受到下列一些因素的限制：机床进给机构的强度、车刀刀杆的强度和刚度、硬质合金或陶瓷刀片的强度及工件的装夹

10、刚度等。 精加工时，最大进给量主要受加工精度和表面粗糙度的限制。 工厂生产中，进给量常常根据经验选取。粗加工时，根据加工材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量从切削用量手册中查取进给量。 在半精加工和精加工时，则按粗糙度要求，根据工件材料、 刀尖圆弧半径、切削速度从切削用量手册中查得进给量。 然而，按经验确定的粗车进给量在一些特殊情况下，如切削力很大、工件长径比很大、刀杆伸出长度很大时，有时还需对选定的进给量校验（一项或几项）。,3.切削速度的确定 根据已选定的背吃刀量asp、进给量 f及刀具耐用度T，就可按下列公式计算切削速度Vc和机床转速n。,实际生产中也可从切削用量手册中选取Vc

11、的参考值,通过Vc的参考值可以看出： 粗车时，asp 、f均较大，所以Vc较低，精加工时，asp 、f均较小，所以Vc较高。 工件材料强度、硬度较高时，应选较低的Vc；反之，Vc较高。材料加工性越差，Vc较低。 刀具材料的切削性能愈好，Vc也选得愈高。 此外，在选择Vc时，还应考虑以下几点： 精加工时，应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域。 断续切削时，为减小冲击和热应力，宜适当降低Vc。 在易发生振动情况下，Vc应避开自激振动的临界速度。 加工大件、细长件、薄壁件以及带外皮的工件时，应选用较低的Vc。,3.5 切削液的选择 为了提高金属切削加工效果而在加工过程中注入工件与刀具 (或磨具)之间的液

12、体又称冷却润滑液。 切削液的主要作用是 （1）冷却吸收切削过程中产生的热量 （2）润滑降低刀具与工件间的摩擦和切削力提高切削效率 和刀具寿命改善加工表面质量 （3）清洗把切屑(或磨屑)冲走 （4）防锈使工件机床刀具不受周围介质的腐蚀。不同的 切削液的作用各有侧重故应根据切削加工的具体要求配制和选用 合适的切削液。 切削液分为切削油乳化液和化学切削液3类。 1）切削油 切削油又有矿物油动植物油和极压切削油之分。 （1）矿物油如机械油柴油和煤油等。矿物油润滑性能好但冷却性能较差。,（2）动植物油如菜油棉子油蓖麻油豆油橄榄油鲸油猪油等。动植物油润滑性能好但冷却性能差且容易氧化或因细菌作用而变质故常与

13、矿物油混合成复合油使用。 （3）极压切削油由矿物油加极压添加剂和油性添加剂配制而成能在金属表面形成强度很高的润滑膜因而在高温高压下的切削区仍能维持其良好的润滑性能。 常用的极压添加剂有硫氯磷的有机化合物。 油性添加剂有动植物油油酸胺类脂肪醇类和酯肪酸酯类等。 极压切削油在很多情况下可以代替动植物油和复合油。适用于切削条件比较困难的场合如拉削攻丝铰削滚齿插齿(见齿轮加工)和难加工金属材料的切削。,（2）乳化液 由矿物油加乳化剂配制而成有时还加入防锈添加剂乳化稳定剂极压添加剂等用水稀释后成为乳白色或半透明状的乳化液。 乳化剂是一种表面活性物质能使油以微小的颗粒稳定地分散在水中形成稳定的“水包油”乳

14、化液。按配方不同乳化液可分普通乳化液防锈乳化液和极压乳化液 3类。 普通乳化液的冷却清洗性能好但防锈性能较差 防锈乳化液的防锈冷却性能好。 极压乳化液有良好的极压润滑性能。 乳化液适用于一般切削和磨削加工。,（3）化学切削液 在水中加少量防锈添加剂配制成的化学切削液有良好的冷却防锈效果和透明度但润滑性能差适用于粗加工如再加入表面活性剂油性添加剂和极压添加剂可以提高润滑性能适用于精加工。 切削液的使用方法：浇注法高压冷却法和喷雾冷却法。 浇注法用较小压力把切削液注入切削区此法比较简单应用较广。 高压冷却法用较高压力和较大流量的切削液冲刷切屑并带走热量常用于深孔加工和强力磨削等场合。 喷雾冷却法利

15、用压缩空气把切削液细化成雾状喷射到切削区细小液滴很快蒸发能吸收大量切削热有较好冷却效果适用于高速切削等特殊场合。,3.5.2 切削液的选用 切削液的使用效果除取决于切削液的性能外，还与刀具材料、加工要求、工件材料、加工方法等因素有关，应综合考虑，合理选用。 （1）根据刀具材料、加工要求选用切削液 高速钢刀具耐热性差，粗加工时，切削用量大，切削热多，容易导致刀具磨损，应选用以冷却为主的切削液；精加工时，主要是获得较好的表面质量，可选用润滑性好的极压切削油或高浓度极压乳化液。,硬质合金刀具耐热性好，一般不用切削液，如必要，也可用低浓度乳化液或水溶液，但应连续地、充分地浇注，不宜断续浇注，以免处于高

16、温状态的硬质合金刀片在突然遇到切削液时，产生巨大的内应力而出现裂纹。 （2） 根据工件材料选用切削液 加工钢等塑性材料时，需用切削液；而加工铸铁等脆性材料时，一般则不用，原因是作用不如钢明显，又易搞脏机床、工作地；对于高强度钢、高温合金等，加工时均处于极压润滑摩擦状态，应选用极压切削油或极压乳化液；对于铜、铝及铝合金，为了得到较好的表面质量和精度，可采用1020乳化液、煤油或煤油和矿物油的混合液；切削铜时不宜用含硫的切削液，因硫会腐蚀铜。,（3）根据加工性质选用切削液 钻孔、攻丝、铰孔、拉削等，排屑方式为半封闭、封闭状态，导向部、校正部与已加工表面的摩擦严重，对硬度高、强度大、韧性大、冷硬严重

17、的难切削材料尤为突出，宜用乳化液、极压乳化液和极压切削油；成形刀具、齿轮刀具等，要求保持形状、尺寸精度等，应采用润滑性好的极压切削油或高浓度极压切削液； 磨削加工温度很高，且细小的磨屑会破坏工件表面质量，要求切削液具有较好冷却性能和清洗性能，常用半透明的水溶液和普通乳化液，磨削不锈钢、高温合金宜用润滑性能较好的水溶液和极压乳化液。,工人在金属加工车间工作，频繁接触到金属加工液。市场上很多的切削液成分对人体皮肤的刺激严重，造成手部皮肤发红。 常见的切削液产品对皮肤的刺激和破坏，瘙痒，接触性皮炎和蜕皮。长期的接触到有毒性成分的切削液，有毒物质从人体的皮肤吸收，导致慢性中毒。,课间休息！,1、碳素工

18、具钢,牌号：,字母T + 数字+ 质量级别,表示工具钢,表示碳的平均千分含量（713）,末尾标，表示是高级优质,如T7（表示含碳量为C0.7%的碳素工具钢）；,如T10（表示含碳量为C1.0%的碳素工具钢）；,返回,成份：,C=0.651.35%, 有少量的Si和Mn，热处理后使用。,特点与应用：,T7T13:有一定的硬度和耐磨性，但热硬性和韧度较差，用于低速工具（如凿子、木工具、剪刀、冲头、丝锥、锉刀、刮刀、冷冲模具等）。,2、合金工具钢,牌号：,数字 + 元素符号 + 数字,表示碳的平均千分含量,1%不标记,表示所含合金的名称,元素平均百分含量：1.5%不标记，,返回,机械制造技术基础,目

19、录 上一页下一页,成份：,C=0.31.7%, 加入了Cr、Mn、Si、Mn、W、V等合金元素，热处理后使用。,如：9CrSi（表示含碳量为C0.9% ，Cr1.5%的Si1.5%合金工具钢）；,如：CrWMn（表示含碳量为C1% ，W1.5%的Mn1.5%合金工具钢）；,如：3Cr2W8V （表示含碳量为C0.3% ，Cr2%的W8%，V1.5%合金工具钢）；,返回,特点与应用：,9CrSi、9Cr2：量具刃具钢（丝锥、钻头、铣刀、手术刀、量规、冷冲模等）；,Cr12MoV、CrWMn：冷模具钢；,5CrNiMo、4Cr5W2VSi：热模具钢;,W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：高热硬性

20、，用于刀具等。,3.高速工具钢（锋钢）是合金工具钢中的一类专门用钢。,（表达特殊） C1.0% w=18% Cr=4% V1.5%,）高速钢 高速钢是于二十世纪初（1901-1906年）研制出的。 有较高的热稳定性 切削温度达500650时仍能进行切削； 有较高的强度、韧性、硬度（热处理后可达HRC6266）和耐磨性， 适合于各类刀具的要求。 其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，常用来制造一些形状复杂的刀具如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等。,高速钢按其基本化学成分： （1）钨系列高速钢；（2）钨钼系列高速钢 高速钢按切削性能分： （1）普通高速钢； （2）高性能高速钢 高速钢

21、按制造方法分： （1）熔炼高速钢； （2）粉末冶金高速钢 按切削性能分，则有普通高速钢和高性能高速钢； 1.普通高速钢 普通高速钢的特点是工艺性好，切削性能可满足一般工程材料的 常规加工，常用品种有： 18r4属钨系高速钢（简称W18），其综合性能和可磨削 性好，可用以制造包括复杂刀具在内的各类刀具。 6o5r42,2.高性能高速钢 调整普通高速钢的基本化学成分和添加其他合金元素，使其机械性能和切削性能有显著提高，这就是高性能高速钢。 高性能高速钢的常温硬度可达HRC6770，高温硬度也相应提高，可用于高强度钢、高温合金、钛合金等难加工材料的切削加工。 典型牌号有高钒高速钢W6Mo5Cr4V2

22、AL（501，我国独创的新钢种）、钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5、超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8（简称M42）等。,3.粉末冶金高速钢 是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水，直接得到细小的高速钢粉末，然后将这种粉末在高温高压下压制成致密的钢坯，最后最后将钢坯锻压成钢材或刀具形状的一种高速钢。 粉末冶金高速钢与熔炼高速钢相比优点： （1）韧性和硬度较高； （2）可磨性能显著改善； （3）材质均匀； （4）热处理变形小； （5）质量稳定可靠； 故刀具耐用度较高。 粉末冶金高速钢可以切削各种难加工材料，特别适用于各种精密刀具和形状复杂刀具。,（）硬质合金 硬质合金是在1927-1930年

23、出现的刀具材料。 硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物（主要是WC、TiC等，又称高温碳化物）微米级的粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。 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，其硬度、耐磨性、耐热性都很高。 硬质合金的常温硬度为HRA8993，在8001000还能承担切削。 刀具耐用度较高速钢高几倍到几十倍，当耐用度相同时，硬质合金切削速度比采用高速钢时提高410倍。 它的抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。 硬质合金中碳化物含量较高时，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

24、良被广泛用作刀具材料,如大多数的车刀、端铣刀以及深孔钻、铰刀拉刀、齿轮滚刀等。,WC（碳化物） （1）是高熔点、高模量的硬质相； （2）是硬质合金的主体； （3）在硬质合金含量(质量分数)通常都在80%以上； （4）晶粒尺寸的大小以及形态对硬质合金性能的影响很大。 国际标准化组织ISO将切削用的硬质合金分为三类： 1) YG类，即WC-Co类硬质合金 2) YT类，即WC-TiC-Co类硬质合金。 3）YW类，即WC-TiC-TaC(NbC)-Co类硬质合金。,1) YG类，即WC-Co类硬质合金 此类合金有较高的抗弯强度和冲击韧性，磨削性、导热性较好，适于加工产生崩碎切屑、有冲击性切削力作用

25、在刃口附近的脆性材料，如铸铁、有色金属及其合金，并适合加工导热系数低的不锈钢等难加工材料。 2) YT类，即WC-TiC-Co类硬质合金。 此类合金有较高的硬度和耐磨性、特别是有高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力也很好；但抗弯强度、磨削性和导热性低，低温脆性大（由于加入了TiC）、韧性差，如果用来加工铸铁等脆性材料时，容易使刀具崩刃。故适用于高速切削钢料。 3）YW类，即WC-TiC-TaC(NbC)-Co类硬质合金。 在YW类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度和强度、抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁及有色金属，也可加工钢。,NbC: 铌能细化晶粒和

26、降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。 在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。 铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 Nb作为微合金元素加入钢中，主要还是起到析出强化和细晶强化作用，在9001000摄氏度以NbC或者Nb（NC）的形式析出，由于其析出温度较高，因此可以阻止奥氏体晶体的长大，从而细化晶粒。 析出强化是升高屈强比最弱的强化方式之一，细晶强化是唯一脆化矢量为负值的强化方式。 因此Nb元素是很好的强化元素，但它的弱点也很明显，由于Nb固溶在铁素体中能强烈提高钢的淬透性，因此在大规格的低碳钢材中应用较少，因为容

27、易出现异常组织（B、M），比如在钢筋中，大直径的钢筋一般偏向于用V合金化，Nb合金化的工艺范围很窄，在工业生产中不易实现。,（3）其它刀具材料 1）陶瓷 陶瓷材料的主要成分是Al2O3，加少量添加剂，压制高温烧结而成，它的硬度、耐磨性和热硬性均比硬质合金好，适于加工高硬度的材料。硬度为HRA93-94，在1200的高温下仍能继续切削。 陶瓷与金属的亲和力小，切削不易粘刀，不易产生积屑瘤，加工表面光洁。但陶瓷刀片性脆，抗弯强度与冲击韧性低，一般用于钢、铸铁以及高硬度材料（如淬硬钢）的半精加工和精加工。 为了提高陶瓷刀片的强度和韧性，可在矿物陶瓷中添加高熔点、高硬度的碳化物（TiC）和一些其它金属

28、（如镍、钼）以构成复合陶瓷。 我国的陶瓷刀片牌号有：AM、AMF、AT6、SG4、LT35、LT55等。,数控刀片陶瓷刀片（LT55）,2）金刚石 金刚石分天然和人造两种，是碳的同素异形体。金刚石是目前已知的最硬材料，其硬度为HV10000，精车有色金属时，加工精度可达IT5，表面粗糙度Ra可达0.012m。耐磨性好，在切削耐磨材料时，刀具耐用度通常为硬质合金的10100倍。 金刚石的耐热性较差，一般低于800，而且由于金刚石是碳的同素异形体，在高温条件下，与铁原子反应，刀具易产生粘接磨损，因此不适于加工钢铁材料。它适用于硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等耐磨材料的加工，以及有色金属和玻璃强化塑料等

29、的加工。用金刚石粉制成的砂轮磨削硬质合金，磨削能力大大超过了碳化硅砂轮。,刀具名称：聚晶钻石刀片系列 刀具材料：天然钻石、单晶钻石、人造聚晶金刚石 规格型号：各种角度 应用范围：汽车配件、摩托车配件、发动机配件、精密电机、马达、铝制品加工、电子制品加工、塑料制品加工、装饰品件加工（手机按键、铜制品等等）、石墨加工,3）立方氮化硼（CBN） 立方氮化硼是六方氮化硼的同素异形体，是人类已知的硬度仅次于金刚石的物质，立方氮化硼的热稳定性和化学惰性大大优于金刚石。 可耐13001500的高温，且CBN不与铁原子起作用，因此它适于加工不能用金刚石加工的铁基合金，如高速钢、淬火钢、冷硬铸铁等，此外还适于切

30、削钛合金和高硅铝合金。 用于加工高温合金（如镍基合金）等难加工材料时，可大大提高生产率。 虽然CBN价格高昂，但随着难加工材料的应用日益广泛，它是一种大有前途的刀具材料。,刀具名称：立方氮化硼刀具系列 刀具材料：人造聚晶氮化硼 应用范围：汽车发动机气门、铸铁、淬火钢等高硬黑色金属的加工,3.2.1 刀具合理几何参数的选择概述 刀具几何参数包括：刀具角度、刀面形式、切削刃形状等。它们对切削时金属的变形、切削力、切削温度、刀具磨损、已加工表面质量等都有显著的影响。 刀具合理几何参数是指在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具耐用度，达到提高切削效率、降低生产成本目的的几何参数。 刀具合理几何参数的

31、选择主要决定于工件材料、刀具材料、刀具类型及其它工艺条件，如切削用量、工艺系统刚性及机床功率等。,3.2.2 前角及前刀面形状的选择 1.前角的功用及合理前角值的选择 1）前角的主要功用 影响切削区域的变形程度 增大刀具前角，可减小前面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流径前刀面的摩擦阻力，从而减小切削力、切削热和切削功率。 影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件 增大刀具前角，会使切削刃与刃头的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小；过份加大前角，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。 影响切屑形态和断屑效果。 若减小前角，可增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。 影响已加工表面质量 主要

32、通过积屑瘤、鳞刺、振动等影响。,2）合理前角的概念 从上述前角的作用可知， 增大或减小前角，各有利弊， 在一定的条件下，前角有一个 合理的数值，图3-1为刀具前 角对刀具耐用度影响的示意曲 线，可见前角太大、太小都会 使刀具耐用度显著降低。,对于不同的刀具材料，各有其对应刀具最大耐用度的前角，称为合理前opt。由于硬质合金的抗弯强度较低，抗冲击韧性差，其opt小于高速钢刀具的opt。工件材料不同时也是这样（图3-2） 。,3）合理前角的选择原则 工件材料的强度、硬度低，可以取较大的甚至很大的前角；工件材料强度、硬度高，应取较小的前角；加工特别硬的工件（如淬硬钢）时，前角很小甚至取负值。 加工塑

33、性材料（如钢）时，应取较大的前角；加工脆性材料（如铸铁）时，可取较小的前角。 用硬质合金刀具加工一般钢料时，前角可选1020；加工一般灰铸铁时，前角可选515。 粗加工，特别是断续切削，承受冲击性载荷，或对有硬皮的铸锻件粗切时，为保证刀具有足够的强度，应适当减小前角；但在采取某些强化切削刃及刀尖的措施之后，也可增大前角。 成形刀具和前角影响刀刃形状的其它刀具，为防止刃形畸变，常取较小的前角，甚至取o=0，但这些刀具的切削条件不好，应在保证切削刃成形精度的前提下，设法增大前角。,（5）刀具材料的抗弯强度较大、韧性较好时，应选用较大的前角。 （6）工艺系统刚性差和机床功率不足时，应选取较大的前角。

34、 （7）数控机床和自动机、自动线用刀具，为使刀具的切削性能稳定，宜取较小的前角。,2、带卷屑槽的刀具前面形状 加工韧性材料时，为使切屑卷成螺旋形，或折断成C形，使之易于排出和清理，常在前刀面磨出卷屑槽，它可作成直线圆弧形、直线形、全圆弧形（见图3-3）等不同形式。 直线圆弧形的槽底圆弧半径Rn和直线形的槽底角（180-）对切屑的卷曲变形有直接的影响，较小时，切屑卷曲半径较小、切屑变形大、易折断；但过小时又易使切屑堵塞在槽内、增大切削力，甚至崩刃。 一般条件下，常取Rn=(0.40.7)Wn；槽底角110130。这两种槽形较适于加工碳素钢、合金结构钢、工具钢等，一般o为5 15。 全圆弧槽形，可

35、获得较大的前角，且不致使刃部过于削弱，较适于加工紫铜、不锈钢等高塑性材料，o可增至2530。 卷屑槽宽Wn愈小，切屑卷曲半径愈小，切屑愈易折断；但太小，切屑变形很大，易产生小块的飞溅切屑。过大的Wn不能保证有效的卷屑或折断。 卷屑槽宽度根据工件材料和切削用量决定， 一般可取Wn =（10）f。,3.后角的选择 1）后角的功用 （1）后角的主要功用是减小后刀面与过渡表面之间的摩擦。由于切屑形成过程中的弹性、塑性变形和切削刃钝圆半径rn的作用，在过渡表面上有一个弹性恢复层。 后角越小，弹性恢复层同后刀面的摩擦接触长度越大，它是导致切削刃及后刀面磨损的直接原因之一。从这个意义上来看，增大后角能减小摩

36、擦，可提高已加工表面质量和刀具耐用度。,（2）后角越大，切削刃钝圆半径rn值越小，切削刃越锋利。 （3）在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具由新用到磨钝，所磨去的金属体积较大（图3-4后角与磨损体积的关系），这也是增大后角可延长刀具耐用度的原因之一。但带来的问题是刀具径向磨损值NB大，当工件尺寸精度要求较高时，就不宜采用大后角。 4）增大后角将使切削刃和刀头的强度削弱，导热面积和容热体积减小；且NB一定时的磨耗体积小，刀具耐用度抵低（图3-4b），这些是增大后角的不利方面。 因此，同样存在一个后角合理值opt。,（2）合理后角的选择原则 粗加工、强力切削及承受冲击载荷的刀具，要求切削刃有足够强

37、度，应取较小的后角； 精加工时，刀具磨损主要发生在切削刃区和后面上，为减小后面摩损和增加切削刃的锋利程度，应取较大的后角。 车刀合理后角在 f0.25mm/r时，可取为o=1012；在f0.25mm/r时，o=58。,工件材料硬度、强度较高时，为保证切削刃强度，宜取较小的后角； 工件材质较软、塑性较大或易加工硬化时，后面的摩擦对已加工表面质量及刀具磨损影响较大，应适当加大后角； 加工脆性材料，切削力集中在刃区附近，宜取较小的后角； 但加工特别硬而脆的材料，在采用负前角的情况下，必须加大后角才能造成切削刃切入的条件。 工艺系统刚性差，容易出现振动时，应适当减小后角。 有尺寸精度要求的刀具，为了限

38、制重磨后刀具尺寸的变化，宜取较小的后角。 车刀的副后角一般取其等于后角。切断刀的副后角，由于受其结构强度的限制，只能取得很小，o =12。,4.主偏角、副偏角及刀尖形状的选择 1）主偏角和副偏角的功用 （1）影响切削加工残留面积高度。 从这个因素看，减小主偏角和副偏角，可以减小已加工表面粗糙度，特别是副偏角对已加工表面粗糙度的影响更大。 （2）影响切削层的形状，尤其是主偏角直接影响同时参与工作的切削刃长度和单位切削刃上的负荷。 在背吃刀量和进给量一定的情况下，增大主偏角时，切削层公称宽度将减小，切削层公称厚度将增大，切削刃单位长度上的负荷随之增大。因此，主偏角直接影响刀具的磨损和刀具耐用度。,

39、（3）影响三个切削分力的大小和比例关系。 在刀尖圆弧半径r很小的情况下，增大主偏角，可使背向力减小，进给力增大。同理，增大副偏角也可使得背向力减小。而背向力的减小，有利于减小工艺系统的弹性变形和振动。 （4）主偏角和副偏角决定了刀尖角r，故直接影响刀尖处的强度、导热面积和容热体积。 （5）主偏角还影响断屑效果。 增大主偏角，使得切屑变得窄而厚，容易折断。,2）主偏角r的选择原则 （1）粗加工和半精加工，硬质合金车刀一般选用较大的主偏角，以利于减少振动，提高刀具耐用度和断屑。 （2）加工很硬的材料，如冷硬铸铁和淬硬钢，为减轻单位长度切削刃上的负荷，改善刀头导热和容热条件，提高刀具耐用度，宜取较小

40、的主偏角。 （3）工艺系统刚性较好时，减小主偏角可提高刀具耐用度；刚性不足时，应取大主偏角，甚至主偏角r90,以减小背向力，减少振动。 （4）单件小批生产，希望一两把刀具加工出工件上所有的表面，则选取通用性较好的45车刀或90偏刀。,（4）刀尖形状 按形成方法的不同，刀尖可分为三种：交点刀尖、修圆刀尖和倒角刀尖。 交点刀尖是主切削刃和副切削刃的交点，仅仅是一个点，无所谓形状，故无须几何参数去描述。 将修圆刃尖投影于基面上，刀尖成为一段圆弧，因此，可用刀尖圆弧半径r来确定刀尖的形状。 而倒角刀尖在基面上投影后，成为一小段直线切削刃，这段直线切削刃称为过渡刃，可用两个几何参数来确定，即过渡刃长度b

41、以及过渡刃偏角。,圆弧刀尖 高速钢车刀：r= 13mm； 硬质合金和陶瓷车刀：r0.51.5mm； 金刚石车刀：r=1.0mm； 立方氮化硼车刀：r=0.4mm； 2) 倒角刀尖 过渡刃偏角rer； 过渡刃长度 b=0.52mm 或b（1/41/5）asp。,5 、刃倾角的选择 1）刃倾角的功用 （1）控制切屑流出方向 s0时（见图3-6a），即直角切削，切屑在前刀面上近似沿垂直于主切削刃的方向流出； s为负值时（见图3-6b）、擦伤已加工表面，但刀头强度较好，常用在粗加工； s为正值时（见图3-6c），切屑流向与f方向一致，但刀头强度较差，适用于精加工。,（2）影响切削刃的锋利性 由于刃倾角

42、造成较小的切削刃实际钝圆半径，使切削刃显得锋利，故以大刃倾角刀具工作时，往往可以切下很薄的切削层。 （3）影响刀尖强度和刀尖导热和容热条件 在非自由不连续切削时，负的刃倾角使远离刀尖的切削刃处先接触工件，可使刀尖避免受到冲击；而正的刃倾角将使冲击载荷首先作用于刀尖。同时，负的刃倾角使刀头强固，刀尖处导热和容热条件较好，有利于延长刀具耐用度。 （4）影响切削刃的工作长度和切入切出的平稳性 当s0时，切削刃同时切入切出，冲击力大； 当s0时，切削刃逐渐切入工件，冲击小，而且刃倾角越大，切削刃工作长度越长，切削过程越平稳。,2）合理刃倾角的选择原则和参考值 （1）加工一般钢料和灰铸铁。 无冲击的粗车

43、。取s0-15 精车取s0+ 有冲击时，取s-5-15； 冲击特别大时，s-30-45。 （2）加工淬硬钢、高强度钢、高锰钢。 取s-20-30。 （3）工艺系统刚性不足时，尽量不用负刃倾角。 （4）微量精车外圆、精车孔和精刨平面时。 取s4575。,切削液工作录像,机床切削液输送泵系统,机械工程材料,一、材料和材料科学 二、工程材料的分类 三、工程材料的应用和发展 四、机械工程材料课程的性质和任务,绪 论,一、材料和材料科学 1、材料,哥伦比亚号航天飞机,材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。,材料是人类生产和生活所必须的物质基础。,石器时代 青铜器时代 铁器时代,材料是人类进化的里程碑。

44、由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。,材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。,材料的发展与人类社会简图,没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。,没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。,在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片,没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。,二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。,前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系

45、改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持。,前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭,中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。,早在公元前6000 5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。,4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。,司母戊鼎 河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造 高133厘米 重875kg 饰纹优美,越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能

46、割断头发,古代剑刃制造中的特殊技术,黄石铜矿遗址 春秋晚期 矿井深达50m 炼铜炉渣多达40万吨 实属罕见,我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。,新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。,1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功，1967年6月17日我国第一颗氢弹空爆试验成功，1970年4月24日我国第一颗人造卫星发射成功。两弹一星的研制及发射成功,不但填补了科技空白，也极大地提振了

47、中国的国威。,中国的航天事业-“神舟”号飞船,中国的航天事业-“神舟”号飞船,中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船,1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。,人类对材料的认识是逐步深入的。,1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。,Si表面的重构图象,1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）,1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度

48、材料具有划时代的意义。,金属钛中的位错,材料发展的历程示意图,2、材料科学,主要研究内容： 研究材料的化学组成、结构与性能的关系； 研究材料的形成机理和制取方法； 研究材料物理性能的测试方法和技术； 分析材料的损坏机理； 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案,材料科学是以材料为研究对象的一门科学。,挑战者号爆炸瞬间,二、工程材料的分类,工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。 按组成与结合键分： 1、金属材料 2、高分子材料 3、陶瓷材料 4、复合材料,机械工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属,钢,有色金属,铸铁,合金钢,无机非金属材料,有机材料,塑料,橡胶,陶瓷

49、,合成纤维,铝合金,铜合金,其他有色合金,金属材料,以金属键结合为主 良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽 用量最大、应用最广泛,铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。,金属材料制品,陶瓷材料,以共价键和离子键为主 熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类,传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。,高分子材料,以分子键和共价键为主 塑性、耐蚀性、电绝缘性、减

50、振性好，密度小 包括塑料、橡胶及合成纤维等,高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。,烯丙酰氯-苯乙烯,复合材料,包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料,是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。,玻璃纤维增强高分子复合材料,现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。,三、工程材料的应用和发展,随着经济的飞速发展和科学技术的进步，

51、对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。,新材料在不断地涌现。,机械工业是材料应用的重要领域。,随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。 要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。,铸造一级涡轮盘,2.1.3 材料的力学性能,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,神舟一号飞船,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,五万吨水压机,应力极限,弹性阶段,弹性极限p,屈服阶段,屈服点s,强化阶段,强度极限