金属切削过程及其控制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,1,刀具切削性能的优劣取决于：,刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。,刀具材料,的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。,材料、结构和几何形状,是构成,刀具切削性能,评估的三要素。,3.3.3,常用刀具材料,2,1.,刀具材料应具备的性能,切削时刀具要承受：,高温、高压、摩擦和冲击,的作用,刀具材料须满足以下基本要求：,1,）高的硬度,常温硬度,HRC60,以上。,刀具硬度工件的硬度,2,）高的耐磨性,保证刀具的尺寸精度,3,）足够的强度与韧性,能承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刀。,4,）高的耐热性（热稳定性）,在,高温,下保持：,硬度、耐磨性、强度、韧性、化学稳定性,。,刀具材料的导热性要好，不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。,5,）良好的热物理性能和耐热冲击性能,刀具材料应具有好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等。而且要追求高的性能价格比。,6,）良好的工艺性和经济性,3,4,刀具材料的发展与切削加工高速化的关系,切削速度（,m/min,）,2000,1000,500,200,100,50,20,10,1800 1850 1900 1950 2000,年代,碳素工具钢,合金工具钢,WC,系硬质合金,高速钢,WC-TiC,系硬质合金,涂层硬质合金,TiAlN,涂层硬质合金,DLC,涂层硬质合金,TiC-TiN,金属陶瓷,聚晶立方氮化硼（,PCBN,）,陶瓷,聚晶金刚石,（,PCD,）,5,工具钢,（,包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢,）,硬质合金、,陶瓷、,金刚石,（天然和人造）,立方氮化硼,等。,碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,常用刀具材料,6,2.,高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。,特点,：,1,）强度高,（抗弯强度为硬质合金的,2,3,倍,陶瓷的,5,6,倍）,；,2,）韧性高,（比硬质合金高几十倍）,；,5,）可加工性好，热处理变形较小。,3,）具有一定的硬度,（,HRC63,70,），,且有较好的耐磨性,；,4,）且有较好的耐热性,（,500,600,）,；,分类,常用于制造各种,复杂刀具,（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。,应用：,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。,按用途可分为：,通用高速钢,和,高性能高速钢,。,7,通用型高速钢,（含碳量,0.7,0.9%,，,62,66 HRC,）,钨系高速钢,W18Cr4V,钼系高速钢,W6Mo5Cr4V2,高温塑性好,主要用于一般材料的,常规加工,，速度不高于,50m/min.,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,67,70HRC,，,耐磨性与热稳定性,进一步提高。,典型牌号有：,W6Mo5Cr4V2,Co8,、,W6Mo5Cr4V2,Al,。,主要用于,加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料,，加工普通材料可达,90m/min.,8,粉末冶金高速钢,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。,（,表,3,2,）常用高速钢的力学性能,牌号,常温硬度,/HRC,抗弯强度,/GPa,冲击韧性,/,MJ/m,2,高温硬度,/HRC,500,C,600,C,W18Cr4V2,W6Mo5Cr4V2,W6Mo5Cr4VCo8,W6Mo5Cr4V2Al,6366,6366,6668,6769,33.4,3.54,3.0,2.93.9,0.180.32,0.30.4,0.3,0.230.3,56,5556,-,60,48.5,4748,54,55,9,涂层高速钢,。,是采用物理气相沉积,（,PVD,）,方法，刀具表面生成,T,i,N,，其厚度一般为,2,8,m,。,特点：,切削力、切削温度约下降,25%,，切削速度、进给量和刀具寿命显著提高。,适合在,钻头、丝锥、成形铣刀和切齿刀具,上应用。,10,11,常用高速钢牌号及其应用范围,类别,牌 号,主 要 用 途,普通,高速钢,W18Cr4V,广泛用于制造加工一般,钢材和铸铁,的钻头、铰、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等,整体刀具,。切削速度低。,W6Mo5Cr4V2,用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等，,用于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金。,高性能高速钢,高矾,W12Cr4V4 Mo,用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具,超硬,W6Mo5Cr4V2Al,用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具,W10Mo4Cr4V3Al,耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具,W6Mo5Cr4V5SiNbAl,用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头,W2Mo9Cr4VCo8,（,M42,）,用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵,12,13,3.,硬质合金,是用具有,高耐磨性,和,高耐热性,的,金属碳化物粉末,(WC,、,T,i,C,、,T,a,C,、,N,b,C,等,),金属粘接剂,(,C,o,、,N,i,等,),高压,成形,后,高温,烧结,而成。,成分：,WC,（,T,i,C,、,T,a,C,）,C,o,（,N,i,）,特点：,高硬度,（,HRA89,93,相当于,HRC 74,82,）,;,高耐磨性，高耐热性（,850,1000,），切削,速度可达,100,300m/min;,抗弯强度低和,抗,冲击,振动性能差,，,很少用于制造整体刀具。,14,分类,钨钴类硬质合金,K,（,YG,）类（,WC,Co,）,Co,含量,抗弯强度,、韧性,、耐磨性,。,用途：,加工铸铁和有色金属等,脆性材料,。,特点：,牌号,：,YG8,、,YG6,、,YG6X,、,YG3,、,YG3X,强度、韧性好，耐磨性、耐热性稍差。,牌 号,应 用 范 围,YG3X,铸铁、有色金属及其,合金和合金淬火钢,高速精加工,YG3,铸铁、有色金属及其合金,精加工、半精加工,，,不能承受冲击载荷,YG6X,普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的,连续切削时的,精加工、,间断切削时的,半精加工,YG6,铸铁、有色金属及其合金的,半精加工和粗加工,YG8,铸铁、有色金属及合金、非金属材料,粗加工,，也可用于,断续切削,抗弯强度、,韧性、,进给量,硬度、,耐磨性、,切削速度,常用硬质合金的牌号及其应用范围,15,钨钛钴类硬质合金,P,（,YT,）类（,WC,TiC,Co,）,用途：,高速切削结构钢和合金钢等,塑性材料,。,牌号,：,YT5,、,YT14,、,YT15,、,YT30,特点：,耐磨性、耐热性好，强度、韧性较差。,TiC,含量,耐磨性,抗弯强度,、韧性,。,16,17,牌 号,应 用 范 围,YT30,碳素钢、合金钢的,精加工,YT15,碳素钢、合金钢在连续切削时的,粗加工、半精加工,，亦可用于断续切削时的,精加工,YT14,同,YT15,YT5,碳素钢、合金钢的,粗加,工，也可以用于,断续切削,YW2,高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的,半精加工和精加工,YW1,高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的,粗加工和半精加工,抗弯强度、,韧性,进给量,硬度、,耐磨性、,切削速度,抗弯强度、,韧性、,进给量,硬度、,耐磨性、,切削速度,常用硬质合金的牌号及其应用范围,钨钛钽（铌）类硬质合金,M,（,YW,）类（,WC,TiC,TaC,（碳化钽）（,NbC,（碳化铌）,Co,）,牌号：,YW1(,M10,),、,YW2(,M20,),特点：,强度、韧性,，耐热性,，耐磨性,。,用途,：,即可加工铸铁和有色金属，又可加工钢材及高,温合金和不锈钢等难加工材料。,用途：,高速精加工钢材。,镍钼钛类硬质合金,YN,类（,TiC,Ni,Mo,）,牌号：,YN05,、,YN10,特点：,高硬度、高耐磨性、高耐热性和抗氧化性，,但强度和韧性降低。,18,19,特 点：,外硬内韧，耐磨性、耐热性、抗氧化性和抗粘结性,，但锋利性、抗剥落性和抗崩刃性,，成本比较高。,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。,4.,涂层刀具材料,涂层方法：,化学气相沉积法（,CVD,法，,1000,）,和物理气相沉积法,（,PVD,法，,500,）,。,常用的涂层材料有,：,TiC,、,TiN,、,Al,2,0,3,及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。,20,5.,陶瓷刀具材料,以氧化铝,Al,2,O,3,或氮化硅,Si,3,N,4,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。,特点：,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。,用途：,可用于钢、铸铁类零件的高速车削、铣削加工，并可切削难加工的高硬度材料。,21,陶瓷刀具是以氧化铝（,Al,2,O,3,）或以氮化硅（,Si,3,N,4,）为基体，添加少量金属在高温下烧结而成的。,特点：,高硬度和耐磨性。,常温硬度达,91,95HRC,，可以切削,60HRC,以上的硬材料。,高的耐热性。,高温下强度、韧性降低较少。,高的化学稳定性。,在高温下有较好的抗氧化、抗黏结性能。,低的摩擦因数。,切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。,强度和韧性低。,承受冲击载荷的能力较差。,热导率低。,抗热冲击性能较差。,5.,陶瓷刀具材料,22,可加工硬度高达,65HRC,的高硬度难加工；,可进行扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削；,刀具寿命可提高几倍至几十倍；,切削效率提高,3,10,倍,，可实现以车铣代磨。,与传统硬质合金相比，有下列优点：,用途：,适用于高速精细加工硬材料，新型的陶瓷刀具也能半精、粗加工多种难加工材料。,23,6.,立方氮化硼（,CBN,）,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。,特点：,它,有很高的硬度及耐磨性；,可耐,1300,1500,的高温，,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。,用途：,）可用于冷硬铸铁、淬硬钢的粗车和精车加工。,）高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削,。,24,聚晶立方氮化硼,(PCBN),是由,CBN,作为主要成分与结合剂在高温高压下烧结而成的聚晶体，结合剂主要有金属型,(,以,CO,、,Ni,为代表,),或陶瓷型,(,以,TiC,、,TiN,、,Al,2,O,3,为代表,),。,聚晶立方氮化硼,(PCBN),特点：,1.,具有较高的硬度和耐磨性,硬度一般为,3000,5000HV,。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具的,50,倍、涂层硬质合金刀具的,30,倍、陶瓷刀具的,25,倍。,25,3.,具有优良的化学稳定性,CBN,的化学惰性特别大，在,1200,1300,时也不与铁系材料发生化学反应，在中性、还原性的气体中，对酸、碱都是稳定的；其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多，因此,PCBN,刀具,特别适合加工钢铁材料,。,2.,具有很高的热稳定性,PCBN,在,800,时的硬度还,高于,陶瓷和硬质合金,的常温硬度。,因此,PCBN,刀具适于,加工淬硬钢、铸铁、高温合金钢等高硬度耐磨材料,。,26,金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，其显微硬度达,10000HV,。,（,1,）天然单晶金刚石刀具,主要用于非铁材料及非金属的精密加工。,特点：,单晶金刚石结晶界面有一定的方向，不同晶面上硬度与耐磨性有较大的差异，,刃磨时须注意选择刃磨平面,。,（,2,）人造聚晶金刚石（,PCD,）,人造金刚石是通过,合金触媒,的作用，在,高温高压,下由,石墨转化而成。,特点：,人造聚晶金刚石,抗冲击强度高,，可选用较大的切削用量。结晶面无固定方向，可,自由刃磨,。,7.,金刚石,27,（,3,）金刚石烧结体,在硬质合金基体上烧结一层约,0.5mm,厚的聚晶金刚石。,特点：,强度较好，能进行断续切削，可多次刃磨。,主要用于有色金属的高速精细切削。,金刚石不是碳的稳定状态，,遇热易氧化和石墨化,，用金刚石刀具进行切削时须对,切削区进行强制冷却,。,金刚石刀具,不宜加工铁族元素,，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力强，刀具寿命低。,常用刀具材料可切削的主要工件材料,刀具材料,结构钢,合金钢,铸铁,淬硬钢,冷硬铸铁,镍基高温合金钢,钛合金,铜铝等有色合金,非金属,高速钢,硬质合金,K,类,(YG),P,类,(YT),M,类,(YW),涂层硬质合金,Ti(N),基硬质合金,陶瓷,Al2O3,基,Si3N4,基,超硬 材料,金刚石,立方氮化硼,28,29,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,。,30,磨削：,用带有磨粒的工具（砂轮、砂带、油石等）对工件进行加工的方法。,工具：,砂轮（磨料结合剂）制坯、干 燥、焙烧、修整。,砂轮特性：,由,磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、及形状尺寸,等因素决定。,3.3.4,磨料与磨具,31,是构成砂轮的主要成分,直接担负切削工作。,磨料,1,磨料,磨料应具备的特点：,具有,高硬度,、,高耐热性,和一定的,韧性,，,在磨削过程中受力破碎后还要能,形成锋利,的,几何形状,。,磨料的种类分为,:,氧化物系,、,碳化物系,和,超硬磨料系,32,表,3-3,磨料的特性和使用范围,33,氧化物系,碳化物系,超硬材料,棕刚玉,白刚玉,普通钢材,淬火钢、高速钢,黑碳化硅,绿碳化硅,铸铁、有色金属,硬质合金等硬脆材料,人造金刚石,立方氮化硼,高硬材料,难加工材料,34,粒度,即磨料颗粒的大小,对加工表面粗糙度和磨削生产率影响较大。,分为两个级别：,粒度,磨粒,（,40m,）,微粉,（,40m,）,每英寸筛网长度上的筛孔数表示,一般磨削,(,荒磨）,12,#,46,#,粗磨、半精磨、精磨,46,#,80,#,精密磨、珩磨,100,#,280,#,以颗粒最大尺寸的微米数表示,精密磨：珩磨、研磨,W40,W28,超精密磨、镜面磨,W20,W5,磨削,硬度低,、,塑性大的工件材料,和,磨削面积较大,时,，为避免砂轮堵塞，可采用,粗粒度的砂轮,。,（表,3,4,）常用粒度及使用范围,类别,粒度,颗粒尺寸,(m),应用范围,微粉,W40W28,4028,2820,珩磨,研磨,W20W14,2014,1410,研磨,超精加工,超精磨削,W10W5,107,53.5,研磨,超精加工,镜面磨削,类别,粒度,颗粒尺寸,(m),应用范围,磨粒,12#36#,2000,1600,500400,荒磨,打毛刺,46#80#,400315,200160,粗磨,半精磨，,精磨,100#,280#,160125,5040,精磨，,珩磨,35,36,将磨粒粘结成有一定,强度,和,形状,的砂轮,分为：,结合剂,陶瓷结合剂,树脂结合剂,橡胶结合剂,金属结合剂,结合剂的作用,影响：,砂轮的,强度,、,抗冲击性,、,耐热性,。,37,（表,3,8,）常用结合剂的性能及选用,结合剂,代,号,特 性,适用范围,陶瓷,V,耐热，耐蚀，气孔多，易保持轮廓，,弹性差,最常用，适于各类磨削,树脂,B,弹性好，强度比,V,高，,耐热性差,适用于高速磨削，切断，开槽,橡胶,R,弹性更好，强度更高，气孔少，,耐热性差,适用于切断，开槽，及作无心磨的导轮,青铜,J,强度最高，型面保持性好，磨耗少，,自锐性差,适用于金刚石砂轮,38,磨粒在磨削力的作用下从砂轮表面脱落的难易程度,反映了磨粒与粘合剂的粘结强度和自砺性。,硬度,砂轮硬度高,磨未淬硬钢,L,N,磨淬硬钢,H,K,磨硬质合金,H,J,精密磨,K,L,超软,软,中软,中,中硬,硬,超硬,D,E,F,G,H,J,K,L,M,N,P,Q,R,S,T,Y,砂轮硬度低,磨粒易脱落,磨粒不易脱落,39,工件硬度较低时，应选用较硬的砂轮；,砂轮与工件接触面较大时，选用较软的砂轮；,磨薄壁件及导热性差的工件时选用较软的砂轮；,精磨和成形磨时，应选用较硬的砂轮；,砂轮粒度号大时，应选用较软的砂轮。,砂轮硬度选择原则：,40,组织,磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系,磨料所占比例越大，,组织越紧密，气孔少,反之，,组织疏松，气孔多,组织,组织号：,0,12,组织号越大,磨粒所占体积越小,砂轮越疏松,气孔就越多,砂轮不易被切屑堵塞,冷却液或空气带入磨削区,散热条件改善。,常用：,4,7,41,砂轮名称,代号,断 面 简 图,基 本 用 途,平行砂轮,P,根据不同尺寸，分别用于外圆磨、内圆磨、平面磨、无心磨、工具磨、螺纹磨和砂轮机上,双斜边砂轮,PSX,主要用于磨齿轮,齿面,和磨单线,螺纹,双面凹砂轮,PSA,主要用于外圆磨削和刃磨刀具，还可用作无心磨的磨轮和导轮,薄片砂轮,PB,主要用于切断和开槽等,筒形砂轮,N,用于立式平面磨床,6.,砂轮的形状、用途及选择,42,砂轮名称,代号,断 面 简 图,基 本 用 途,杯形砂轮,B,主要用其端面刃,磨刀具,，也可用圆周磨平面和内孔,碗形砂轮,BW,通常用于,刃磨刀具,，也可用于磨机床导轨,碟形砂轮,D,适于磨,铣刀、绞刀、拉刀,等，大尺寸的一般用于,磨齿轮的齿面,43,P-300,50,75-A60L5V-35,m/s,P,砂轮形状代号：,平形砂轮,砂轮的标志实例,：,300,砂轮外径：,300mm,50,厚 度：,50mm,75,内 径：,127mm,A,磨 料：,棕刚玉,60,粒 度：,60#,L,硬 度：,中软,5,组 织 号：,5,号（中等）,V,结 合 剂：,树脂（,V,）,35,最高线速度：,35m/s,砂轮选择依据：,工件材料的性质、要求的表面粗糙度和金属磨除率。,选择原则,：,1,）磨钢，,选,刚玉类,砂轮；,磨硬铸铁,、硬质合金和非金属材料，选,碳化硅,砂轮。,2,）磨软材料，,选硬砂轮；,磨硬材料,，选软砂轮。,3,）磨软而韧的材料，,选粗磨粒；,磨硬而脆的材料,，选细磨料。,4,）工件粗糙度要求低时，,选细磨粒；,金属切除率要求高时，,选粗磨粒。,5,）要求,加工表面质量高时，,选用树脂或橡胶结合剂的砂轮；,要求最大金属切除率时，,选用,陶瓷结合剂,的砂轮。,44,45,加工下列工件，请选择合理的刀具材料（简述选择理由并写出具体牌号）,。,1.,精车黄铜轴,.2.,粗车,45,钢轴,.,3.,拉削,45,钢内孔,.4.,精车淬硬钢,.,课堂练习,46,1,粗铣灰铸铁箱体平面应该采用（）刀具材料。,A,YT5 B.YG3 C.W18Cr4V D.YG8,2,拉削,45,钢花键应该采用,(),刀具材料。,A.YG3 B.YT5 C.W18Cr4V D.CBN,3,通过切削刃选定点，与已加工表面相切的平面称为（）。,A,切削平面,B,进给平面,C,基面,D,主剖面,4,砂轮的粒度表示,。精磨时，应选择粒度号较,的砂轮；砂轮与工件接触面积较大时，选用粒度号较,的砂轮。,课堂练习,47,K,类（,YG,类）硬质合金,ISO,编号,K01,K05,K10,K20,中国编号,YG3X,YG6X,YG6,YG8,Co(%),3,6,6,8,硬度,HRA,91.5,91,89.5,89,强度,GPa,1.1,1.4,1.45,1.5,48,P(YT),类硬质合金,ISO,编号,P30,P20,P10,P01,中国编号,YT5,YT14,YT15,YT30,TiC(%),5,14,15,30,Co(%),10,8,6,4,硬度,HRA,89.5,90.5,91,92.5,强度,GPa,1.40,1.2,1.15,0.9,49,M(YW),类硬质合金,ISO,编号,M10,M20,中国编号,YW1,YW2,Co(%),6,8,硬度,HRA,90.5,91.5,强度,GPa,1.2,1.35,50,硬质合金涂层机夹可转位刀片,51,52,A,r,A,向,f,o,0,0,0,r,r,s,53,