第一章机械加工工艺装备-刀具.

1第1章机械加工工艺装备本章要点机床的分类、型号及技术参数典型机床的加工工艺范围车床的传动原理工件定位、夹紧与典型夹具刀具几何角度、种类与选用金属切削加工的基本概念2机械制造基础第1章机械加工工艺装备MechanicalManufacturingProcessEquipments1.2刀具CuttingTool31.2.1金属切削加工的基本概念☆1.2.2刀具材料1.2.3刀具几何角度☆1.2.4刀具种类及选用1.2.5砂轮4切削加工定义切削加工（Cutting）是指采用具有规则形状的刀具从工件表面切除多余材料，从而保证几何形状、尺寸精度、表面粗糙度以及表面层质量等的机械加工方法。1.2.1金属切削加工的基本概念5切削加工种类6轨迹法成形法相切法展成法a）轨迹法b）成形法c）相切法d）展成法图2-6零件表面成形方法7主运动指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用v（m/s）表示。◆主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用T表示），也可以是回转运动（用R表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。进给运动指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（f—mm/r）或进给速度（vf—mm/min）表示。定位和调整运动使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。8外圆磨无心磨车铣加工滚压加工铣削成形磨（横磨）主运动进给运动表2-2外圆表面加工方法刀具T/RT主运动进给运动工件表面成形原理图RRRRRTRRT/R车削成形车削拉削研磨9表2-3内圆表面加工方法表面成形原理图钻扩铰镗拉挤行星式内圆磨主运动进给运动刀具主运动进给运动工件RRTRRT/RTRTRTTRTT内圆磨无心磨10主运动进给运动表2-4平面加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTT刨插周铣端铣平磨端面平磨车拉T11车螺纹板牙主运动进给运动表2-5螺纹加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRRTTR滚压丝锥铣螺纹梳形铣刀旋风铣磨螺纹RR12主运动进给运动表2-6齿形加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTR/TRRR/T铣齿指状铣刀铣齿成形磨齿滚齿剃齿插齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿131.2.1金属切削加工的基本概念切削运动待加工表面：工件上即将被切除的表面。已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面。过渡表面(正在加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。主运动：速度最高、消耗机床功率最多的运动。进给运动：金属层不断投入切削的运动，以逐渐加工出完整表面所需的运动。合成运动：主运动、进给运动合成的运动。加工表面141.2.1金属切削加工的基本概念工件刀具151.2.1金属切削加工的基本概念此方向为进给运动主运动刀具16常见机床的切削运动171.2.1金属切削加工的基本概念切削参数（切削用量三要素）切削速度vc：切削刃上点在主运动方向的瞬时速度，m/min进给量f：每转刀具相对工件的位移量，mm/转（齿）背吃刀量ap：垂直于主运动和进给运动的切削层最大尺寸，俗称切削深度。mm1000dnvcnfvf切削速度的计算公式：进给速度的计算公式：Znfvzf车铣车、铣、磨181.2.1金属切削加工的基本概念式中:dw-工件上待加工表面直径（mm）dm-工件上已加工表面直径（mm）2mddawp191.2.1金属切削加工的基本概念切削截面参数（切削层三要素）切削层公称厚度（2-4）rDfhsin切削层公称宽度（2-5）sinfbD图2-7切削层截面hD=ffdwdmapa）ΚrbD=apb）c）切削层公称横截面积AD=hDbD=apf201.2.1金属切削加工的基本概念21刀具材料应具备的性能足够的硬度和耐磨性：足够的耐磨性。足够的强度和韧性：承受振动和冲击，不致断裂。足够的热硬性——红硬性：高温下能继续切削，高温下能抗氧化、抗粘结、抗扩散。良好的工艺性：便于制造经济性：寿命与加工零件数量的比值。1.2.2刀具材料22常用刀具材料◆碳素工具钢◆合金工具钢◆高速钢◆硬质合金◆陶瓷、立方氮化硼、金刚石、聚晶金刚石＞手工工具和切削速度较低的刀具23图2-55刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000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）24天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性图2-56刀具材料的耐磨性与断裂韧性25◆高速钢高速钢是一种加入了较多的W钨、Mo钼、Cr铬、V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；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRC63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：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）。1.2.2刀具材料常用刀具材料CVD（化学气相沉积法）900～10500C，5um～10um，用于硬质合金PVD（物理气相沉积法）300～5000C，2um～5um，用于高速钢保持原有韧性的情况下，大大提高刀具耐磨性，刃磨前刀面提高刀具寿命。26切削速度比碳素工具钢及合金工具钢高1—3倍，故称为高速钢，又称锋钢、白钢。高速钢的常温硬度为63—70HRC，热硬性为540—6200C。高速钢刀具易磨出较锋利的刀口，特别适用于制造结构复杂的成形刀具、孔加工刀具及铣刀、拉刀、螺纹刀具、切齿刀具等。高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢，普通高速钢常用牌号有W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V等。高性能高速钢是指在普通高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素的新钢种，常见有高碳高速钢(如9W18Cr4V)、高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo)、钴高速钢(如W2Mo9Cr4VCo8)、铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2AI)。高速钢刀具的表面进行氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)等涂层后，使其硬度高和耐磨性强．同时又有较好的强度与韧性，目前广泛应用在钻头、丝锥、成形铣刀、切齿刀具上。1.2.2刀具材料27表2-9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广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等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W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳9W18Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4Mo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W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具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1.2.2刀具材料281.2.2刀具材料◆硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。29①钨钴类硬质合金（YG）切削铸铁等脆性材料和有色金属及其合金精加工—YG3，半精加工—YG6，粗加工—YG8Co量增加，抗弯强度和冲击韧性增加加工钢时易发生粘结和扩散磨损30②钨钛钴类硬质合金（YT）切削塑性金属材料精加工—YT30，半精加工—YT15，粗加工—YT5抗弯强度和冲击韧性略于YG类③添加稀有金属碳化物的硬质合金（YA、YW）通用硬质合金切削难加工材料31④镍钼钛类硬质合金（YN）填补硬质合金和陶瓷间的空白切削碳钢、合金钢等（精加工），大尺寸时效果尤其显著⑤复合材料表面涂层硬质合金刀具TiC、TiN、A12O3等强度、韧性和切削刃锋性有所下降。不适合粗加工，宜小进给量和低速加工。32⑥其他硬质合金刀具超细晶粒硬质合金：0.2～1um难加工材料的断续切削和低速切削钢结硬质合金：60～70％高速钢为粘结相退火状态可进行锻造和切削加工331.2.2刀具材料表2-10各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X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、高温合金的精加工、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YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工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YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削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半精加工和精加工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、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度34◆陶瓷刀具材料陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA91～95）和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。1.2.2刀具材料常用刀具材料35以Al2O3或Si3N4为基体，添加少量金属，高温烧结而成，高的硬度和耐热性，可切削高硬度材料。性脆，抗冲击韧性差。5.1各种刀具材料的显微硬度值材料努氏硬度值（压力=1N,加载时间=15s）PCD7000CBN3800SiC2500WC2100TiN1770HSS98036◆超硬刀具材料天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK6500～8000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁，700～8000C碳化。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV3000～4500，耐热性达1200℃，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。37刀具材料种类合金高速钢硬质合金陶瓷天然聚晶金刚石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4金刚石PCD化硼PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000HV7500HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.4