刀具材料及切削工艺111

切削工艺、刀具材料及刀具刃磨机加工张博众第一章切削加工的基本知识本章的主要内容：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）二、刀具及刀具材料（刀具材料、刀具标注角度、工作角度、刀具磨损、刀具耐用度等）三、金属切削过程中的各种物理现象（切屑形成、积屑瘤、切削力、切削功率，切削热、切削温度）四、围绕切削加工的主要经济指标（产品质量、生产率、经济性），合理选择切削用量、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。第一节切削运动和切削要素一、零件的加工表面及切削运动任何一种机电产品都是由许多零件组成，每一个零件的几何形状虽不同，但分析起来主要由三种典型表面构成：即内、外圆柱面，平面，成形面等。2．切削运动：刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。按其功能的不同，切削运动分为主运动和进给运动。主运动：消耗功率最大进给运动：与主运动配合，可以保持切削的连续进行，以形成零件的几何表面。总结：常用机床的主运动与进给运动：车削铣削刨削平面磨削主运动：工件旋转刀具旋转滑枕带刀具往砂轮旋转运动复直线移动进给运动：刀具运动工件移动工件间歇移动工作台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。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：切削用量是用来衡量切削运动的大小。在一般的切削过程中，包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素。切削用量的变化对零件加工质量和生产率有十分重要的影响。1）切削速度Vc：在单位时间内，工件与刀具沿主运动方向相对移动的距离。以车削加工为例（主运动为旋转运动）：min//1000msmdnVc或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）)min/ms/m(10002Lnvrc或L----往复行程长度，mmnr----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f(mm/r)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，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，即或smmVf/(min)/mm（每转的位移×每秒多少转）nzfz（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(切削深度)ap(mm)：切削加工时，待加表面与已加工表面间的垂直距离(mm)，也就是垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度。)(2mmddamwp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：在切削加工时，刀具材料要在高温条件下承受较大的切削力、摩擦、冲击、振动。为了保证零件的加工精度和刀具的耐用性，刀具材料必须具有特殊的综合性能。1）刀具材料的主要性能要求：高硬度及耐磨性足够的强度及冲击韧性高耐热性良好的工艺性和经济性常用刀具材料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•切刀•孔加工刀具•拉刀•铣刀•螺纹刀具•齿轮刀具•磨具第三节金属切削过程一.切屑形成过程及切屑种类二.积屑瘤；三.切削力和切削功率；四.切削热和切削温度五.刀具磨损及耐用度1．切屑的形成过程材料在刀具及切削力作用下，经过弹性变形→塑性变形(OA-0B)→被挤裂(切断）。ＢＡ工件刀具Ｏυ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，从而形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ＡＢＣＤＥ切削层刀具工件ⅠⅢⅡＯ金属切削层的变形第一变形区内金属的剪切变形•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A’B’•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ψ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ψ•剪切面在一般切削速度范围内，宽度仅约0.2~0.02mm，OM•剪切角剪切面和切削速度方向的夹角φ•塑性金属的切削过程模拟示意图•剪切角φ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，φ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•变形系数ξ〉1•切屑厚度与切削层厚度之比ξa切削层长度与切屑长度之比ξL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ach要大于切削层厚度ac，而切屑层的长度Lch要小于切削层Lc，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，表面愈粗糙。增大前角，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，崩碎切屑等多种带状切屑节状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：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：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：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、积屑瘤在一定范围的切速下，切削塑性金属材料时，在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的金属，即为积屑瘤。（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）积屑瘤对切削过程的影响①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）积屑瘤的产生会对切削加工过程产生重要影响：②积屑瘤可增大前角，使刀具更锋利。③改变了实际切削深度和切削厚度，影响尺寸精度。④导致切削力变化、引起振动。⑤影响工件表面粗糙度。因此，由①＋②，在粗加工时希望有积屑瘤存在。由③＋④＋⑤，在精加工时不希望生成积屑瘤。（3）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V＜5m/min，不易生成V＝5―50m/min易生成V＞100m/min不易生成3）采用适当的冷却液，降低切削温度，减少磨擦等减少生成积屑瘤。三、切削力和切削功率1、切削力切削加工时刀具使切削层形成切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，以及切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力1）切削力的产生：工件材料的变形抗力工艺系统变形→精度刀具与工件磨擦力切削力切削热→精度，刀具与切屑磨擦力表面粗糙切削力是机床、刀具和工艺装备的设计的依据。2）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：①Fz（主切削力）：切削速度方向分力占Fr的80~90%，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。②Fx（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1~5%。是设计计算进给系统的主要依据。③Fy（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、