金属切削基础.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第 1 章 金属切削基础,1,知识点,切削运动、切削用量、切削层参数、切削方式,刀具几何参数,刀具材料,2,第一章 金属切削基础,第一节 切削运动和切削要素,第二节 刀具的几何角度和结构,第三节 切削层参数,第四节 刀具材料,3,第一节 切削运动和切削用量,4,第一节 切削运动和切削用量,完成切削加工必须具备的两个条件：,切削刀具与工件之间必须有一定的相对运动；,切削刃有一定的形状；,5,二、切削运动分析,切削运动,直线运动,旋转运动,6,二、切削运动分析,主运动：直接切除工件上的切削层，使之变为切屑，以形成工件新表面的运动。通常用切削速度,v,c,(m/s)表示。,特点：速度高、功耗大、只能有一个。,进给运动：不断地把切削层投入切削的运动。通常用,v,f,、,f,或,f,z,表示。,特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。,合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用,v,e,表示。,7,8,（1）,待加工表面,工件上待切除的表面。,（2）已,加工表面,工件上经刀具切削后产生的新表面。,（3）过渡表面,工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。,切削过程中的加工表面,9,10,各种切削加工运动和加工表面,11,12,13,切削用量三要素,切削速度 v 进给量 f,切削深度 ap,14,三、切削用量三要素,切削速度,：(,v,c,)切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度。通常以最大线速度为准,进给量：(,f,),工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移,切削深度(背吃刀量)：(,a,p,),工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离,外圆车削的切削速度为,v,c,=dn/1000,主运动是回转运动时，进给量单位为mm/r；主运动是直线运动时，进给量单位为mm/单行程；,15,第二节 刀具的几何参数,刀具切削部的构造,提示:前刀面、后刀面,刀具的几何角度定义及其标注,提示:前角、后角、主偏角,16,第二节 刀具的几何参数,一、刀具切削部分的结构要素,17,第二节 刀具的几何角度和结构,归结起来：,“,三面两刃一尖,”,前刀面,A,r,后刀面,A,副后刀面,A,交线,交线,主切削刃s,副切削刃s,刀尖,连接部分,一、刀具切削部分的结构要素,18,前刀面:切屑流过的表面,后刀面:与过渡表面相对着的表面,副后刀面:与已加工表面相对着的表面,主切削刃:承担主要的切削工作,形成已加工,表面,副切削刃:协助主切削刃切除多余金属,19,二、刀具标注角度参考系,前提条件：,不考虑进给运动；,车刀刀尖与工件中心等高；,刀杆中心线与进给方向垂直；,刀具的安装面与基面Pr平行；,20,刀 具标注角度参考系,(每个参考系由三个平面构成),正交平面参考系:基面+主剖面+切削平面,法平面参考系 :基面+法剖面+切削平面,背平面参考系:基面+进给平面+切深平面,21,基面,基面,P,r,：,“通过主切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面”,22,切削平面,切削平面,P,s,：,通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面,23,主剖面,主剖面,P,o,：,通过主切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面,24,法平面,法平面,P,n,:,通过主切削刃上选定点，并垂直于切削刃的平面。,25,进给剖面(假定工作平面),进给剖面,P,f,：,“通过主切削刃上选定点，平行于进给方向并垂直于基面的平面”,26,背平面(切深平面),背平面（切深剖面）,P,p,:,“通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面和进给剖面的平面”。,27,刀 具标注角度参考系,(每个参考系由三个平面构成),正交平面参考系:基面+主剖面+切削平面,法平面参考系 :基面+法剖面+切削平面,背平面参考系:基面+进给平面+切深平面,28,刀具的标注角度,明确表示刀具切削过程中的角度,前角、后角,主偏角、付偏角,刃倾角,(不表示刀具的结构，表示刀具切削参数）,29,正交平面参考系内:,基面:主偏角、副偏角、刀楔角、刀尖园弧半径,主剖面：前角、后角,切削平面：刃倾角,30,三、刀具的标注角度,在基面内测量的角度：,主偏角：,“主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,副偏角：,“副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,刀尖角：,“主切削刃与副切削刃之间的夹角”。,r,=180,-(,r,+,r,),31,三、刀具的标注角度,在正交平面(主剖面)内测量的角度,后角：,o,“后刀面与切削平面的夹角”,前角：,o,“前刀面与基面之间的夹角”。,32,在切削平面内：,刃倾角：,S,“,主切削刃与基面之间的夹角,”,33,34,35,36,正交平面参考系车削外圆角度标注,37,假定工作平面参考系,基面:主偏角、副偏角、刀楔角、刀,尖园弧半径,进给平面(假定工作平面）:侧前角、侧后角,切深平面（背平面）：背前角、背后角,38,重点使用正交平面参考系,标注切削过程中的刀具角度,能够对各种加工方法的刀具角度进行标注,39,课堂问题,？,1请解释刀具基本概念：,前刀面,A,、主后刀面,A,、副后刀面,A,、主切削刃、副切削刃,40,解答,前刀面,A,切屑沿其流出的表面。,主后刀面,A,与过渡表面相对的面。,副后刀面,A,与已加工表面相对的面。,主切削刃,前刀面与主后刀面相交形成的刀刃。,副切削刃,前刀面与副后刀面相交形成的刀刃。,41,课堂问题,？,车刀各刀具角度的概念？,前角,o,、后角,o,、主偏角,r,、副偏角,r,、刃倾角,s,42,解答,前角,o,在主切削刃选定点的正交平面,p,o,内，前刀面与基面之间的夹角。,后角,o,在正交平面内，主后刀面与切削平面之间的夹角。,主偏角,r,主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。,刃倾角,s,在切削平面,p,s,内，主切削刃与基面,p,r,的夹角。,43,刀具角度的正负,前角,o,：,前刀面与基面,之间的夹角为,锐角，前角为正,，夹角为钝角，前角为负值。,后角,o,：,后刀面与切削平面之间,的夹角为,锐角，后角为正，,夹角为钝角，后角为负值。,刃倾角,s,：刀尖是主切削刃上,最高点,时,刃倾角为正，,刀尖位于主切削刃上最低点时,刃倾角为负，,主切削刃与基面平行时时,刃倾角为零。,44,四,刀具的工作角度,刀具工作时的实际状况与定义参考系的假设状态不同，所以造成实际工作角度与标注角度有所不同。,刀具切削时的实际切削角度通常称为刀具的工作角度。,刀具的工作角度值受刀具安装位置和进给运动影响,之前的假设:,前提条件：,不考虑进给运动；,车刀刀尖与工件中心等高；,刀杆中心线与进给方向垂直；,刀具的安装面与基面Pr平行,45,刀具的工作角度,刀杆轴线安装的偏斜的影响:,改变了主偏角和副偏角,(也就是说：实际的主偏角和标注时的主偏角不同),46,刀具的工作角度,进给运动的影响,进给量改变了合成运动的方向,(从而改变了基面的位置以及其他面的位置,影响所有的角度),47,刀具的工作角度,刀尖的安装位置的影响,刀尖安装位置的高低改变了切削速度的方向,(从而改变了基面的位置以及其他面的位置,影响所有的角度),48,刀具工作参考系,(1),工作基面,p,re,通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。,(2),工作切削平面,p,se,通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。,(3),工作正交平面,p,oe,通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。,49,2刀具工作角度的分析,在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度(oe、oe、re、,re、,oe、se)的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。,在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。,50,第三节 切削层参数,一、切削层：,刀具沿进给方向移动一个进给量 f，由一个刀齿正在切削着的金属层,51,二、切削层的参数,切削厚度：,h,D,“垂直于过渡表面度量的切削层尺寸”,h,D,=,f,sin,r,(mm),切削宽度：,b,D,“沿着过渡表面度量的切削层尺寸”,b,D,=,a,p,/,sin,r,(mm),切削面积：,A,D,A,D,=,h,D,b,D,(mm,2,),对于外圆车削：,A,D,=,f,a,p,(mm,2,),52,切削层的大小和形状影响：,刀具切削部分承受的载荷大小；,决定了切削的尺寸和形状；,53,三、残留面积：,54,切削方式,直角切削:刀刃垂直于合成切削运动方向,斜角切削:刀刃不垂直于合成切削运动方向,自由切削:只有一条切削刃参加工作（车外圆),非自由切削:多条切削刃参加工作(切槽）,55,切削方式,图3-1 直角、斜角自由切削与不自由切削,a）直角切削,b）斜角切削,c）不自由切削,56,较强的耐磨性和耐热性,高强度与强韧性 (承受切削负荷、振动与冲击),第四节 刀具材料,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,刀具材料的基本要求,刀具材料需满足一些,基本要求,：,高硬度 (常温硬度HRC60),良好的工艺性与经济性,优良导热性,57,（1）高硬度,刀具是从工件上去除材料，,所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。,刀具材料最低硬度应在60HRC以上。,对于,碳素工具钢,材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；,高速钢,硬度为63HRC70HRC；,硬质合金刀具,硬度为89HRC93HRC。,58,（2）高强度与强韧性,刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。,如车削45钢，在背吃刀量,a,p,4，进给量f 0.5/r的条件下，刀片所承受的,切削力达到4000N,，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。,一般刀具材料的韧性用冲击韧度,a,K,表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。,59,（3）较强的耐磨性和耐热性,刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。,一般刀具,硬度,越高，,耐磨性,越好。,刀具金相组织中,硬质点,（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具,耐磨性越好,。,刀具材料耐热性是用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称,热硬性,。,刀具材料,高温硬度越高，则耐热性越好，,在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。,60,优良导热性,刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。,刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。,61,良好的工艺性与经济性,刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的,工艺性,，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。,经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要,考虑经济效果,，以降低生产成本。,62,刀具材料,碳素工具钢 -手工工具(耐热性低),合金工具钢 -手工工具(耐热性低),高速钢 -常用,硬质合金 -常用,陶瓷 -超硬材料加工,金刚石 -超硬材料加工,立方氮化硼 -超硬材料加工,63,高速钢,概念,：,高速钢是一种含有,钨、钼、铬、钒,等合金元素较多的工具钢,性质,：,、具有良好的热稳定性,、具有较高强度和韧性,、具有一定的硬度(6370HRC)和耐磨性,64,高速钢的分类,普通高速钢,钨系高速钢,钨钼钢,高性能高速钢,65,A、,钨系高速钢（简称,W18）,典型牌号：W18Cr4V,优点,：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。,缺点,：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。,B、,钨钼钢,（将一部分钨用钼代替所制成的钢）典型牌号：,6 Mo 5 Cr 4 V 2,优点,：减小了碳化物数量及分布的不均匀性。,缺点,：高温切削性能和W18相比稍差。,普通高速钢,66,高性能高速钢,在通用型高速钢的基础上，通过调整基本化学成分并添加其他合金元素，使其常温与高温力学性能得到显著提高,例如：高碳,在W18Cr4V基础上增加0.2%含碳量，形成95W18Cr4V,此外还有高钴、高钒等,67,高性能高速钢,优点,：具有较强的耐热性，,刀具耐用度是普通高速钢的1.53倍。,缺点,：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。,适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。,68,硬质合金组成,硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。,硬质合金,优点,：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高。,硬质合金,缺点,：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/31/2，冲击韧性只有高速钢的1/41/35。,硬质合金,力学性能：,主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。,硬质合金,69,普通硬质合金的种类,类型 我国的代号 ISO代号,钨钴类 -YG K,钨钛钴类 -YT P,钨钛钽（铌）钴类-YW M,碳化钛基类 -YN P01,(按其化学成分的不同),70,合金代号为YG，对应于国标K类）(YG6、YG8、YG8N,),合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工。,钨钴类,（WC+Co）(YG),71,钨钛钴类(YT),钨钛钴类,（WC+TiC+Co）,（合金代号为YT，对应于国标P类）,此类合金有较高的硬度和耐热性。,合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低 粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。,72,钨钛钽（铌）钴类(YW),钨钛钽（铌）钴类,（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（,合金代号为YW，对应于国标M类）(YW1、YW2,),适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。,73,（WC+TiC+Ni+Mo）,合金代号YN，对应于国标P01类。,用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。,碳化钛基类(YN)(P01),74,（3）超细晶粒硬质合金,超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢。,适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。,75,76,77,78,79,80,81,特殊刀具材料,1陶瓷刀具,（1）,材料组成：,主要由硬度和熔点都很高的Al,2,O,3,、Si,3,N,4,等氧化物、氮化物组成，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。,（2）,常用种类：,Al,2,O,3,基陶瓷和Si,3,N,4,基陶瓷,（3）,优点：,有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高；热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，能提高表面光洁度。,（4）,缺点：,强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。,（5）,适用范围：,高速精细加工硬材料,。,82,（1）,分类：,天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。,（2）,优点：,极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的6080倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。,（3）,缺点：,耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。,（4）,适用范围：,用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。,金刚石刀具,83,3立方氮化硼刀具,（1）概念,：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。,（2）优点,：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。,（3）缺点,：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/51/2。,（4）适用范围,：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，,通常采用负前角的高速切削。,84,涂层刀具,（1）,概念：,涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。,（2）常用的,涂层材料,有：TiC、TiN、Al,2,O,3,等,（3）,涂层形式：,单涂层和复合涂层,（4）,优点：,涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性,（5）,适用范围：,主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。,85,高速钢的知识,高速钢又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳化物。合金元素总量达1025%左右。在高速切削产生高热情况下(约500)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上,即红硬性。而碳素工具钢经淬火和低温回火后，在室温下虽有很高的硬度，但当温度高于200时，硬度便急剧下降，在500硬度已降到与退火状态相似的程度，完全丧失了切削金属的能力，这就限制了碳素工具钢制作切削工具用。,86,高速钢的热处理工艺较为复杂，经过退火、淬火、回火。退火的目的是消除应力，降低硬度。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800850预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加 热到淬火温度12201250，后油冷。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体，影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行23次回火，回火温度560，每次保温1小时。,87,(1)生产制造方法：通常采用电炉生产，近来曾采用粉末冶金方法生产高速钢，使碳化物呈极细小的颗粒均匀地分布在基体上，提高了使用寿命。(2)用途：用于制造各种切削工具。如车刀、钴头、滚刀、机用锯条及要求高的模具等。,88,2.主要生产厂 我国大连钢厂、重庆钢厂、上海钢厂是生产高速钢的主要生产厂。3.主要进口生产国家 我国主要从日本、俄罗斯、德国、巴西等国进口。4.种类 有,钨系高速,钢和钼系高速钢两大类。,钨系高速,钢有W 18 CR 4 V,钼系高速钢有 6 Mo 5 Cr 4 V 2 等。,89,90,