刀具材料及切削工艺.ppt

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1、切削工艺、刀具材料及刀具刃磨 机加工 张博众第一章第一章 切削加工的基本知识切削加工的基本知识本章的主要内容：本章的主要内容：一、切削运动及切削要素（零件典型表面、切削用量、切削层几个参数）一、切削运动及切削要素（零件典型表面、切削用量、切削层几个参数）二二、刀刀具具及及刀刀具具材材料料（刀刀具具材材料料、刀刀具具标标注注角角度度、工工作作角角度度、刀刀具具磨磨损损、刀具耐用度等）刀具耐用度等）三三、金金属属切切削削过过程程中中的的各各种种物物理理现现象象（切切屑屑形形成成、积积屑屑瘤瘤 、切切削削力力、切切削功率，切削热、切削温度）削功率，切削热、切削温度）四四、围围绕绕切切削削加加工工的的

2、主主要要经经济济指指标标（产产品品质质量量、生生产产率率、经经济济性性），合合理选择切削用量、切削液。理选择切削用量、切削液。五、材料切削加工性的概念和衡量指标，及改善的主要途径。五、材料切削加工性的概念和衡量指标，及改善的主要途径。第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素一、零件的加工表面及切削运动一、零件的加工表面及切削运动任任何何一一种种机机电电产产品品都都是是由由许许多多零零件件组组成成，每每一一个个零零件件的的几几何何形形状状虽虽不不同同，但但分分析析起起来来主主要要由由三三种种典典型型表表面面构构成成：即即内内、外外圆圆柱柱面面，平平面面，成形面等。成形面等。2 2切削运动

3、：切削运动：刀刀具具与与工工件件之之间间的的相相对对运运动动称称为为切切削削运运动动。按按其其功功能能的的不不 同，切削运动分为主运动和进给运动。同，切削运动分为主运动和进给运动。主运动：消耗功率最大主运动：消耗功率最大 进进给给运运动动：与与主主运运动动配配合合，可可以以保保持持切切削削的的连连续续进进行行，以以形形成成零零件件的几何表面。的几何表面。总结：总结：常用机床的主运动与进给运动：常用机床的主运动与进给运动：车削车削铣削铣削刨削刨削平面磨削平面磨削主运动：工件旋转主运动：工件旋转刀具旋转刀具旋转滑枕带刀具往滑枕带刀具往砂轮旋转运动砂轮旋转运动复直线移动复直线移动进给运动：刀具运动进

4、给运动：刀具运动工件移动工件移动工件间歇移动工件间歇移动工作台移动工作台移动砂轮移动砂轮移动切削运动有旋转的、直线的、曲线的、连续的和间歇的等运动形式。切削运动有旋转的、直线的、曲线的、连续的和间歇的等运动形式。工件加工表面以车削为例，工件在车削过程中有三个不断变化着的表面o待加工表面即将被切除金属层的表面o已加工表面已经切去一部分金属而形成的新表面o加工表面切削刃正在切削的表面二、切削用量三要素：二、切削用量三要素：切切削削用用量量是是用用来来衡衡量量切切削削运运动动的的大大小小。在在一一般般的的切切削削过过程程中中，包包括括切切削削速速度度、进进给给量量和和背背吃吃刀刀量量三三要要素素。切

5、切削削用用量量的的变变化化对对零零件件加加工工质质量量和生产率有十分重要的影响。和生产率有十分重要的影响。1）切切削削速速度度Vc：在在单单位位时时间间内内，工工件件与与刀刀具具沿沿主主运运动动方方向向相相对对移移动动的的距离。距离。以车削加工为例（主运动为旋转运动）：以车削加工为例（主运动为旋转运动）：d：工件（或刀具）直径（mm）n：工件（或刀具）转速（r/s或r/min）刨削加工为例（主运动为往复直线运动）刨削加工为例（主运动为往复直线运动）L-往复行程长度，mm nr-主运动每秒或每分钟的往复次数，st/s或st/min2）进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移）进给量：刀具在进

6、给运动方向上相对于工件的位移f(mm/r)如车削加工：工件每转一转，刀具相对工件的位移如车削加工：工件每转一转，刀具相对工件的位移mm/r。牛头刨床：刀具每走一个行程，在进给方向上相对于工件的位移，牛头刨床：刀具每走一个行程，在进给方向上相对于工件的位移，mm/st对于多齿刀具加工时，进给运动的瞬时速度称为进给速度，即（每转的位移每秒多少转）（每齿进给量fz刀具齿数z每秒多少转）(mm/s或mm/min)3）背吃刀量）背吃刀量(切削深度切削深度)ap (mm)：切切削削加加工工时时，待待加加表表面面与与已已加加工工表表面面间间的的垂垂直直距距离离(mm)，也也就就是是垂直于进给运动方向上主切削

7、刃切入工件的深度。垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度。dw：待加工表面 dm：已加工表面 在切削层尺寸平面中，垂直于进给方向测量的切削层尺寸。第二节第二节刀具材料及刀具结构刀具材料及刀具结构刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率，加工质量、加工成本及刀具耐用度影响很大。使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度达到几十米每分30年代出现硬质合金，切削速度提高到每分钟一百米至几百米陶瓷刀具和超硬材料刀具，使切削速度达到每分钟1000米以上。一、刀具材料：一、刀具材料：在在切切削削加加工工时时，刀刀具具材材料料要要在在高高温温

8、条条件件下下承承受受较较大大的的切切削削力力、摩摩擦擦、冲冲击击、振振动动。为为了了保保证证零零件件的的加加工工精精度度和和刀刀具具的的耐耐用用性性，刀刀具具材材料料必必须须具有特殊的综合性能。具有特殊的综合性能。1）刀具材料的主要性能要求：）刀具材料的主要性能要求：常用刀具材料1.高速工具钢特点：合金元素钨、铬、钼、钒含量较高，淬火硬度可达HRC62-70。在6000摄氏度高温下仍能保持较高的硬度。刃口强度和韧性好，抗振性强，可用于制造切削速度一般的刀具，刚性较差的机床，采用高速钢刀具仍能顺利切削。工艺性能好，锻造、加工和刃磨都比较容易，还可制造形状较复杂的刀具。与硬质合金相比，硬度较低，红

9、硬性和耐磨性较差。2.硬质合金金属碳化物，碳化钨，碳化钛和以钴为主的金属粘结剂经粉末冶金工艺制造而成。主要特点：耐高温，在800-10000摄氏度仍可保持良好的切削性能。切削时可选用比高速钢高4-8倍的切削速度。常温时，硬度高，耐磨性好。抗弯强度低，冲击韧性差，刀刃不易磨得很锋利。常用硬质合金可分为三大类：钨钴类硬质合金：常用牌号YG3/YG6/YG8，数字表示含钴量的百分比。含量越高，韧性，抗振性及耐冲击性越高;同时硬度和耐磨性越低。适用于切削铸铁及有色金属。钛钴类硬质合金：常用牌号YT5/YT15/YT30。数字表示碳化钛含量的百分率，含量越高，硬度与耐磨性越高，抗弯强度和韧性越差。常用来

10、切削钢类零件。通用硬质合金：以上两种硬质合金中加入稀有金属碳化物，提高其常温及高温硬度，耐磨性、粘结温度和抗氧化性，也能使合金的韧性有所增加，具有良好的综合切削性能和通用性。牌号：YW1/YW2/YA6。价格较贵，主要用于加工难加工材料，如高强度钢，耐热钢，不锈钢等。高速切削3）常用刀具种类常用刀具种类常用刀具种类切刀切刀孔加工刀具孔加工刀具拉刀拉刀铣刀铣刀螺纹刀具螺纹刀具齿轮刀具齿轮刀具磨具磨具第三节第三节金属切削过程金属切削过程一.切屑形成过程及切屑种类切屑形成过程及切屑种类二二.积屑瘤；积屑瘤；三三.切削力和切削功率；切削力和切削功率；四四.切削热和切削温度切削热和切削温度五五.刀具磨损

11、及耐用度刀具磨损及耐用度1切屑的形成过程切屑的形成过程 材料在刀具及切削力作用下，材料在刀具及切削力作用下，经过弹性变形经过弹性变形塑性变形塑性变形(OA-(OA-0B)0B)被挤裂被挤裂(切断）。切断）。工件工件刀具刀具 在切削过程中，被切金属层在前刀面的推动作用下产生剪应在切削过程中，被切金属层在前刀面的推动作用下产生剪应力，当剪应力达到并超过工作材料的屈服极限时，被切金属层将力，当剪应力达到并超过工作材料的屈服极限时，被切金属层将沿着某一方向产生剪切滑移变形而逐渐累积在前刀面上，随着切沿着某一方向产生剪切滑移变形而逐渐累积在前刀面上，随着切削运动的进行，这层累积物将连续不断的沿前刀面流出

12、，从而形削运动的进行，这层累积物将连续不断的沿前刀面流出，从而形成了被切除的切屑成了被切除的切屑金属切削层的变形金属切削层的三个变形区第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OD线晶粒的剪切滑移基本完成第二变形区切屑沿刀具前面排出时，进一步受到前面的挤压和摩擦，使靠近前面处的金属纤维化，其方向基本上和前面相平行第三变形区已加工面受到切削刃钝圆部分与刀具后面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件母体材料分离，大部分变成切屑，很小的一部分留在已加工表面上切削层刀具刀具工件工件金属切削层的变形第一变形区内金属

13、的剪切变形主要特征沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化工件原材料的晶粒AB变成AB受到切应力时，晶格内的晶面就发生滑移，就是剪切面方向晶粒伸长方向即金属纤维化的方向A”B”纤维化方向与剪切面方向不重合，夹角金属切削层的变形第一变形区内金属的剪切变形晶粒伸长方向即金属纤维化的方向纤维化方向与剪切面方向不重合，夹角剪切面在一般切削速度范围内，宽度仅约0.20.02mm，OM剪切角剪切面和切削速度方向的夹角塑性金属的切削过程模拟示意图剪切角对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度高时，较大，剪切面积变小，切削比较省力，说明切屑变形较小。须用某种方法来表示切削变形程度表示

14、切削变形程度变形系数变形系数1切屑厚度与切削层厚度之比a切削层长度与切屑长度之比L在金属切削过程中，经过塑性变形的切屑，其外形与原切在金属切削过程中，经过塑性变形的切屑，其外形与原切削层不同，其切屑层的厚度削层不同，其切屑层的厚度ach要大于切削层厚度要大于切削层厚度ac，而切，而切屑层的长度屑层的长度Lch要小于切削层要小于切削层Lc，这种现象称为切屑收缩。，这种现象称为切屑收缩。变形系数对切削力、切削温度及表面粗糙度Ra都有重要的影响 变形系数愈大，则切削力愈大、切削温度愈高，表变形系数愈大，则切削力愈大、切削温度愈高，表面愈粗糙。面愈粗糙。增大前角，或降低材料塑性，可减小变形系数增大前角

15、，或降低材料塑性，可减小变形系数。2切屑种类：带状切屑、节状切屑，崩碎切屑等多种切屑种类：带状切屑、节状切屑，崩碎切屑等多种带状切屑带状切屑节状切屑节状切屑崩碎切屑崩碎切屑 不同的切屑种类对切削力平稳性，表面粗糙度，机床振动和生产安全性均有影响。带状切屑带状切屑：切削塑性材料时采用大前角，较高的切削速度和较小的进给量容易 形成带状切屑。形成带状切屑时，切削力平稳，加工表面光洁，但不安全。节状切屑节状切屑：当采用较低的切削速度和较大的进给量容易形成节状切屑。形成节状切屑时，切削力波动大，产生振动，加工表面粗糙。崩碎切屑崩碎切屑：切削铸铁、青铜等脆性材料时容易形成崩碎切屑。形成崩碎切屑时刀尖磨损严

16、重，产生振动，影响加工表面质量。切屑形状应通过改变切削条件、刀具角度和材料性能来获得所需要的切屑，以保证加工的胜利进行。形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平

17、稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑切屑类型及形成条件切屑类型切屑类型带状切屑Real挤裂切屑Real单元切屑Real崩碎切屑Real图3-6 切屑形态照片国际标准化组织的切屑分类法切屑的类型及控制切屑的类型（按外形，影响切屑处理和运输）带状屑 高速切削塑性金属，一般应力求避免C形屑车削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，较好长紧卷屑普通车床上较好发条状卷屑重型机床上较好宝塔状卷屑自动机或自动线上较好螺卷屑车削脆性材料较好崩碎屑切屑的类型及控制切屑的控制采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形“不

18、可接受”的切屑划伤工件的已加工表面，使表面粗糙度恶化划伤机床，卡在机床运动副之间造成刀具的早期破损甚至影响操作者的安全衡量切屑可控性的主要标准不妨碍正常的加工不影响操作者的安全易于清理、存放和搬运切屑控制措施前刀面上磨制断屑槽或使用压块式断屑槽可转位刀具二、二、积屑瘤积屑瘤 在在一一定定范范围围的的切切速速下下，切切削削塑塑性性金金属属材材料料时时，在在刀刀具具前前刀刀面面靠靠近近切切削削刃刃的的部部位位粘粘附附着着一一小小块块很很硬硬的的金金属属，即即为积屑瘤。为积屑瘤。（1）积屑瘤的形成：高温高压下，由于摩擦力而阻留在前刀面上部分切屑转化而成。（第二变形区的变形和摩擦）（2）积屑瘤对切削过

19、程的影响 其硬度高于工件材料，可代替切削刃起切削作用，有保护刀刃作用。（2 2）积屑瘤的产生会对切削加工过程产生重要影响：）积屑瘤的产生会对切削加工过程产生重要影响：积屑瘤可增大前角，使刀具更锋利。改变了实际切削深度和切削厚度，影响尺寸精度。导致切削力变化、引起振动。影响工件表面粗糙度。因此，由，在粗加工时希望有积屑瘤存在。由，在精加工时不希望生成积屑瘤。（3）控制积屑瘤生成的方法：）控制积屑瘤生成的方法：1）通过热处理等方法降低工件材料的塑性 2）控制切削速度。例如：中碳钢V5m/min，不易生成 V550m/min易生成 V100m/min不易生成 3）采用适当的冷却液，降低切削温度，减少

20、磨擦等减少生成积屑瘤。三、切削力和切削功率1、切削力、切削力切削加工时刀具使切削层形成切切削加工时刀具使切削层形成切屑需要克服的阻力屑需要克服的阻力切削时刀具需克服来自工件和切屑两方面的切削时刀具需克服来自工件和切屑两方面的力，即工件材料被切过程中所发生的弹力，即工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力，以及切屑对性变形和塑性变形的抗力，以及切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力后刀面的摩擦力1）切削力的产生：）切削力的产生：工件材料的变形抗力工件材料的变形抗力工艺系统变形工艺系统变形精度精度刀具与工件磨擦力刀具与工件磨擦力切削力切削

21、力切削热切削热精度，精度，刀具与切屑磨擦力刀具与切屑磨擦力表面粗糙表面粗糙 切削力是机床、刀具和工艺装备的设计的依据。2 2）切削力的分解）切削力的分解：总切削力Fr可分解为x、y、z三个互相垂直的分为：Fz（主切削力）：切削速度方向分力 占Fr的8090%，占消耗总功率90%以上。也称切削力或切向力Fz是设计机床动力、主传动系统零件强度和刚度的主要依据。Fx（进给拉力）：Fr在进给方向分力。也称进给力或 轴向力 Fx方向也做功，但占总功率的15%。是设计计算进给系统的主要依据。Fy（切深抗力）：Fr在切深方向的分力。也称背向力、径向力、吃刀力 Fy方向不做功，但Fy的大小直接影响工件刚度，引

22、起变形振动，影响加工精度。(4)影响切削力的因素切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，因此凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力。影响因素主要为：工件材料；切削用量；刀具几何参数；其他因素。1切削热的产生及传出：产生：产生：1）切屑变形）切屑变形 2）刀具与切屑磨损）刀具与切屑磨损 产生切削热和切削温度产生切削热和切削温度 3）刀具与工件磨损）刀具与工件磨损传出：切屑传出传出：切屑传出工件传出工件传出刀具传出刀具传出周围介质传出周围介质传出 5080%1040%39%1%2切削温度及影响因素：切削温度一般是指切削区平均温度四、四、切削热和切削温度切削热和切

23、削温度切削温度的分布刀具前刀面温度较高其次是切屑底层工件表面温度最低各点处温度不等最高温度在前刀面上离切削刃一定距离处影响因素：1）切削用量：V影响最大，f其次,ap最小2）工件材料：强度、硬度大、切削热大温度导热性好温度3）刀具材料及角度，导热性好温度刀具前角大，主偏角变小温度五、刀具磨损及耐用度1.刀具磨损形式刀具磨损形式前刀面磨损前刀面磨损切削塑性材料时产生连续切屑与前刀面发生剧烈摩擦而引起月牙洼磨损后刀面磨损后刀面磨损无论切削塑性或脆性材料，后刀面总会磨损前后刀面同时磨损或边界磨损边界磨损切削塑性金属时经常发生2.刀具磨损过程刀具磨损过程初期磨损阶段AB段正常磨损阶段BC段急剧磨损阶段

24、CD段 经验表明在刀具正常磨损后期，急剧磨损之前换刀重磨为最好。刀具刃磨最佳时机刀具刃磨最佳时机：应选在正常磨损后期，急剧磨损之前最好。这样，既能保证加工质量，又能节约刀具材料。刀具磨钝达一定限度就不能继续作用，而应进行重磨，这个磨损限度成为刀具的磨钝标准。刀具的磨损限度一般以后刀面磨损值VB来表示。下图是硬质合金车刀的磨钝标准3.刀具磨钝标准及刀具耐用度刀具磨钝标准及刀具耐用度实际生产中，为方便计算常用刀具进行切削的时间来判断。刀具耐用度刀具耐用度刃磨后的刀具在不变的切削条件下从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间，成为刀具耐用度，以T表示。粗加工时，多以切削时间表示刀具耐用度。精

25、加工时。常以走刀次数或加工零件个数表示刀具耐用度。刀具寿命：从开始切削到完全报废，刀具寿命：从开始切削到完全报废，实际切削时间的总和称为刀具寿命。实际切削时间的总和称为刀具寿命。6 6影响刀具磨损的因素：影响刀具磨损的因素：1 1）切削用量对刀具耐用度的影响切削用量对刀具耐用度的影响用硬质合金车刀车削中碳钢时，刀具耐用度用硬质合金车刀车削中碳钢时，刀具耐用度T的经验公式的经验公式在切削用量中，切削速度影响最大在切削用量中，切削速度影响最大切削用量切削用量，切削温度，切削温度，加快刀具磨损，其中切削速度（，加快刀具磨损，其中切削速度（V）影响）影响最大。最大。2 2）刀具材料：耐磨，导热性好的刀具，减少刀具磨损。）刀具材料：耐磨，导热性好的刀具，减少刀具磨损。3 3）刀具角度，加大前角，切削力小，减少磨损。）刀具角度，加大前角，切削力小，减少磨损。4 4）加冷却液：起冷却和润滑作用，减少刀具磨损。）加冷却液：起冷却和润滑作用，减少刀具磨损。