第一部分金属切削基本知识.ppt

第一章 金属切削基本知识,切削加工:使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件的相对运动中，把工件上多余的材料层切除，使工件获得规定的几何参数(尺寸、形状、位置)和表面质量的加工方法。 切削加工的重要性:切削加工能获得较高的精度和表面质量，对被加工材料、工件几何形状及生产批量具有广泛的适应性，在机械制造业中占有十分重要的地位。,一、零件表面的形成 基本表面：外圆面、内圆面（孔）、平面 成形面：螺纹、齿轮的齿形、各种沟槽,第一节 切削运动及切削要素,车外圆面,车成形面,车床上镗孔,磨外圆面,钻孔,铣平面,铣成形面,二、切削运动和切削用量,切削加工中刀具和工件之间的相对运动即切削运动。 切削运动可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的,由机床或人力提供的刀具与 工件之间主要的相对运动, 它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。 在切削运动中，主运动 (primary motion)速度 最高、耗功最大。 主运动只有一个。,刀具与工件之间附加 的相对运动, 它配合主运 动依次地或连续不断地切 除切屑, 从而形成具有所 需几何特性的已加工表面。 进给运动可由刀具完 成(如车削)，也可由工件完 成(如铣削)，可以是间歇的 (如刨削）, 也可以是连续 的（如车削）。 进给运动可以是1个或 多个,主运动和进给运动 合成的运动称为合 成切削运动。,各种切削加工的切削运动,切削刃相对于工件的运动过程, 就是表面形成过程。 有两个要素，一是切削刃, 二是切削运动。 不同的切削运动的组合,即可形成各种工件表面。,2、切削加工过程中的工件表面,车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。,工件上待切除的表面。,工件上已加工好的表面。,工件上切削刃正在切削的表面。,3、切削用量,切削用量三要素包括切削速度、进给量、背吃刀量。,切削速度是单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。 主运动为旋转运动（车削、铣削）， Vc为最大线速度， Vc =dn/1000 主运动为往复直线运动（刨削、插削）， Vc为平均速度， Vc =2Lnr/ 1000,进给量是指单位时间内刀具和工件在进给运动方向上相对位移。 当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r； 当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程； 对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量 fz，单位为mm/z或mm/齿。它与进给量f的关系为 f=zfz 进给速度为Vf=fn=zfzn,背吃刀量是指在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸,工件上待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，外圆车削: ap(dw-dm)/2,切削层是指切削过程中，由刀具切削部分的一个单一动作(如车削时工件转一圈，车刀主切削刃移动一段距离)所切除的工件材料层。,垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。,在给定瞬间，作用于主切削刃截形上两个极限点间的距离，在切削层尺寸平面中测量，单位为mm。,在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位为mm2。,上述公式中可看出 hD、bD均与主偏角有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或f、ap有关。,第二节 刀具切削部分的几何参数,一、 切削刀具结构,1.刀 面,（一）刀具切削部分的基本定义,2.刀刃,3刀尖,刀具角度是刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。 参考系定义：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面。 参考系包括：刀具静止参考系和刀具工作参考系。,（二）定义刀具角度的参考系,1刀具静止参考系,2.正交平面参考系,由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。,通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。,通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。,通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。,（三）刀具的标注角度,说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。,（四）刀具工作角度,刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。 研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。,1刀具工作参考系的建立,2刀具工作角度的分析,第三节 刀具材料,1. 刀具材料应具备的性能,刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志 ，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性,2. 常用刀具材料,包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。,有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。,推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、天然金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等。,1）碳素工具钢和合金工具钢,碳素工具钢：含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7%1.2%，如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。 合金工具钢：在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素而形成的。 (如 9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性。 由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀、丝锥、板牙等，较少用于制造其它刀具。,2）高速钢,高速钢是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。 热处理后硬度可达6266HRC, 抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性 、耐磨性 、耐热性。切削温度在500650°C时仍能进行切削。 适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具和拉刀等。,按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。 按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。 按基本化学成份可分为: 钨系和钼系。,（1）高速钢的分类,（2）常用高速钢的牌号与性能,通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。 高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，抗氧化能力、耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42。 粉末冶金高速钢 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而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。,硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。 硬质合金刀具常温硬度为8993HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达8001000°C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高510倍 。 但强度、韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。 常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄(刀体)上使用。,3）硬质合金,钨钴类（WC+Co）；YG,属K类 钨钛钴类（WC+TiC+Co）；YT,属P类 钨钛钽（铌）类硬质合金（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co） :YW，属M类,（1）硬质合金的分类,（2）常用硬质合金的牌号及其性能,K (YG)（钨钴类）类硬质合金（红色）：有较好的韧性、磨削性、导热性， 适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。 其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。 精加工可用K01；半精加工可用K10，K20；粗加工选用K30。,P类（YT）（钨钛钴类）硬质合金（蓝色）： 以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。 其代号有P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。 精加工可用P01；半精加工选用P10、P20；粗加工选用P30。,M类（YW）（钨钛钽（铌）类） (黄色) ： 在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。适合加工长(短)切屑的金属材料 ，如钢、铸钢、不锈钢等难切削材料等。 其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。 精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工选用M30。,4）涂层刀具材料,通过气相沉积或其它技术方法，在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。,硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。,在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。,第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。,第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。,目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。,5）其它刀具材料,碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。 由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。 也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。 缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。,以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。 其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强； 其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制； 可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。,立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。 它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。 因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。,应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。,谢 谢!,本章结束,