工业生产过程4刀具角度和刀具材料

2014-10-8工业生产过程刀具角度和刀具材料ZZQ2014-10-8本节课内容：刀具切削部分的几何参数——刀具角度的定义及度量；可用作刀具的材料。2014-10-8今天的课程学完后，预期学习结果：掌握刀具切削部分的定义；熟悉参考平面、常用刀具标注角度参考系与5个基本角度；了解刀具角度换算与刀具工作角度概念；了解刀具材料应具备的主要性能；了解常用刀具材料和超硬刀具材料。2014-10-8CDIO相关能力在今天课程中的培养：应用基础科学知识与工程基础知识，实行工程推理并解决问题。对各项学习任务进行合理的时间安排，有效高质量地完成。2014-10-8车刀的组成2014-10-8刀具切削部分的组成金属切削刀具的种类很多，但它们参加切削的部分具有相同的几何特征，为方便起见，以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。如图所示，车刀由切削部分和刀柄（用于装夹）两部分构成。切削部分由三个面、两条切削刃和一个刀尖组成。(1)前刀面（Aγ）切削过程中切屑流出所经过的刀具表面。(2)后刀面（Aα）切削过程中与工件过渡表面相对的刀具表面。2014-10-8刀具切削部分的组成(3)副后面（A'α）切削过程中与工件已加工表面相对的刀具表面。(4)主切削刃（s）前刀面与后刀面的交线。它担负主要的切削工作。(5)副切削刃（s'）前刀面与副后面的交线。它配合主切削刃完成切削工作。(6)刀尖主切削刃与副切削刃连接处的一小段切削刃。为了改善刀尖的切削性能，常将刀尖磨成直线或圆弧形过渡刃。2014-10-8刀具标注角度参考系与一般刀具相同，要进行切削加工，刀具必须具有切削角度。定义刀具的几何角度需要建立参考系。在刀具设计、制造、刃磨、测量时用于定义刀具几何参数的参考系称为标注角度参考系或静止参考系。在此参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。2014-10-8构成参考系的参考平面基面Pr——通过切削刃上选定点，垂直于主运动方向的平面。切削平面Ps——通过切削刃上选定点，与切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。主剖面Po——通过切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。切削刃法剖面Pn——通过切削刃上选定点，垂直于切削刃切线的平面。进给剖面Pf——通过切削刃上选定点，平行于进给运动方向，并垂直于基面Pr的平面。切深剖面Pp——通过切削刃上选定点，，同时垂直于基面Pr和进给剖面Pf的平面。2014-10-8思考主剖面Po和法剖面Pn之间形成一个什么角度？该角度怎样测量？2014-10-8正交的主剖面参考系2014-10-8正交的主剖面参考系正交的主剖面参考系是由基面Pr、切削平面Ps和主剖面Po三个平面组成的空间直角坐标系。是最常用的刀具标注角度参考系。通常，切削刃是空间曲线，切削刃上各点在空间的方位都不同，因此必须先确定一个选定点。以车刀为例：车刀切削刃上各点的基面都平行于车刀的安装面（即底面）。安装面是刀具制造、刃磨、测量时的定位基面。但除直线刃的特殊情况之外，车刀切削刃上各点切削平面的方位都不同。一般情况下，车刀切削刃上各点正交平面的方位也都不同。2014-10-8法剖面参考系法剖面Pn垂直于切削平面Ps，但与基面Pr相互不垂直。2014-10-8该参考系常用于刀具制造、刃磨和测量。进给、切深剖面参考系2014-10-8主剖面参考系内的标注角度2014-10-8主剖面参考系内的标注角度5个基本角度：主偏角κr——切削平面Ps与进给剖面Pf之间的夹角，在基面Pr内测量，也是主切削刃S在基面Pr内的投影与进给运动方向之间的夹角；副偏角κr＇——副切削刃S'在基面Pr内的投影与进给运动负方向之间的夹角，在基面Pr内测量；前角γo——前刀面Aγ与基面Pr之间的夹角，在主剖面内测量；后角αo——后刀面Aα与切削平面Ps之间的夹角，在主剖面内测量；刃倾角λs——主切削刃S与基面Pr之间的夹角，在切削平面Ps内测量（也是主剖面Po和法剖面Pn之间的夹角，为什么？）。2014-10-8主剖面参考系内的标注角度两个派生角度：楔角βo——前刀面Aγ与后刀面Aα之间的夹角，在主剖面内测量，是由前角γo与后角αo得到的派生角度：γo+αo+βo=90°；刀尖角εr——切削平面Ps与副切削平面Ps‘之间的夹角，在基面Pr内测量，由主偏角κr与副偏角κr’得到的派生角度：εr=180°-（κr+κr＇）。2014-10-8实验刀具几何角度是学习本课程中的难点之一。而理论结合实践是克服该难点的好方法。实验课的实验：“车刀几何角度的测量”中，将进行“刀具几何角度”的实验测量。通过实验，要求掌握车刀各几何角度、各参考平面及其相互关系。2014-10-8法剖面参考系内的标注角度2014-10-8法剖面参考系内的标注角度法剖面参考系与主剖面参考系只有剖面不同。因此，法剖面参考系内标注的基本角度与派生角度中，只有法剖面内标注角度与主剖面内标注角度不同，其余角度相同。法前角γn——前刀面Aγ与基面Pr之间的夹角，在法剖面内测量；法后角αn——后刀面Aα与切削平面Ps之间的夹角，在法剖面内测量。法楔角βn——前刀面Aγ与后刀面Aα之间的夹角，在法剖面内测量，是由法前角γn与法后角αn得到的派生角度：γn+αn+βn=90°。2014-10-8进给、切深剖面参考系内的标注角度2014-10-8进给、切深剖面参考系内的标注角度与法剖面参考系类似，进给、切深剖面参考系内标注的基本角度中，只有前角与后角不同，其余角度相同。进给剖面内的标注角度有进给前角γf、进给后角αf和进给楔角βf，切深剖面内的标注角度有切深前角γp、切深后角αp和切深楔角βp。2014-10-8刀具角度换算主剖面参考系是一空间直角坐标系，是最常用的刀具标注角度参考系；法剖面参考系中的法前角γn和法后角αn，却更能反映刀具的锋利程度；而刀具制造、刃磨和测量又常用进给、切深剖面参考系。因此，刀具角度换算就成了不可避免。好在有计算机，按换算公式运算并不费事。2014-10-8思考安装刀具时，为什么要求刀刃高度与车床中心高一致？2014-10-8刀具的工作角度以上是在静止参考系中讨论刀具的标注角度，实际上，在切削加工中，由于进给运动的影响，或者刀具相对于工件安装位置发生变化时，会使刀具的实际切削角度发生变化。刀具在工作状态下的切削角度，称为刀具的工作角度。工作角度记作为：γoe、αoe、κre、κ′re、λse、α′oe等。2014-10-8横向进给对工作角度的影响2014-10-8纵向进给运动对工作角度的影响车外圆或车螺纹时（如图所示），合成运动方向与主运动方向之间的夹角为μf，这时工作基面和工作切削平面分别相对于基面Pr和切削平面转过μf角。2014-10-8刀刃安装高度对工作角度的影响车削时刀具的安装常会出现刀刃安装高于或低于工件回转中心的情况（如图所示）。2014-10-8镗刀安装高度对工作角度的影响2014-10-8车刀安装偏斜对工作角度的影响在车削时会出现刀柄与进给方向不垂直的情况（如图所示）。2014-10-8刨削时刀柄与进给方向不垂直的影响2014-10-8思考机械加工时，为什么不是工件把刀具去除，而是刀具把工件去除？2014-10-8刀具材料应具备的性能机械加工的实质是：用比工件材料硬的刀具，在机械能和机械力的作用下，切除多余的材料。刀具工作时除了要承受很大的压应力外，还要承受与工件和切屑间的强烈摩擦而产生的高温。刀具材料的切削性能对刀具的使用寿命、生产效率、加工质量和生产成本影响很大，因此必须合理选用。刀具材料的性能应满足以下基本要求：2014-10-8刀具材料应具备的主要性能(1)硬度和耐磨性刀具材料的硬度应比工件材料的硬度高，一般常温硬度要求62HRC以上。刀具材料应具有较高的耐磨性。材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料含有耐磨的合金碳化物越多、晶粒越细、分布越均匀，则耐磨性越好。(2)强度和韧性刀具材料必须有足够的强度和韧性，以便在承受振动和冲击时不产生崩刃和折断。(3)耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。2014-10-8刀具材料应具备的主要性能(4)工艺性为便于制造，刀具材料应具备较好的可加工性（焊接、锻、轧、热处理、切削和磨削等）。(5)经济性经济性是评价刀具材料的重要指标之一，刀具材料的价格应低廉，便于推广。但有些材料虽单件成本很高，但因其使用寿命长，分摊到每个工件上的成本不一定很高。2014-10-8常用刀具材料——高速钢高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。它所允许的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。高速钢具有较高的耐热性，在500～650°C时仍能切削。高速钢还具有高的强度、硬度（63～70HRC）和耐磨性，另外，其热处理变形小、能锻易磨，是一种综合性能好、应用最广泛的刀具材料。特别适合制造结构复杂的成形刀具、钻头、滚刀、拉刀和螺纹刀具等。由于高速钢的硬度、耐磨性、耐热性不及硬质合金，因此只适于制造中、低速切削的各种刀具。高速钢分两大类：普通高速钢和高性能高速钢。切削一般材料可选用普通高速钢，其中W18Cr4V过去国内用得多，目前国内外大量使用的是W6Mo5Cr4V2；切削难加工材料时可选用高性能高速钢。2014-10-8常用刀具材料——硬质合金硬质合金是由高硬度的难熔金属碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经粉末冶金方法制成的。硬质合金的硬度、特别是高温硬度、耐磨性、耐热性都高于高速钢，硬质合金的常温硬度可达89～93HRA（高速钢为83～86.6HRA），在800°C～1000°C时仍能进行切削。硬质合金的切削性能优于高速钢，刀具耐用度也比高速钢高几倍到几十倍，在相同耐用度时，切削速度可提高4～10倍。但硬质合金较脆，抗弯强度低，韧性也很低。2014-10-8超硬刀具材料——陶瓷陶瓷是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）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。陶瓷刀具比硬质合金具有更高的硬度和耐热性，在1200°C的温度下仍能切削，切削速度更高，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。2014-10-8超硬刀具材料——金刚石天然金刚石是自然界最硬的材料。耐磨性极好，但价格昂贵，主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜等。人造金刚石是除天然金刚石外最硬的材料，多用于有色金属及非金属材料的超精加工以及作磨料用。金刚石是碳的同素异形体，与碳易亲合，故金刚石刀具不宜加工含有碳的黑色金属。2014-10-8超硬刀具材料——立方氮化硼立方氮化硼（CBN）由六方氮化硼（白石墨）在高温高压下转化而成的。立方氮化硼刀具硬度与耐磨性仅次于金刚石。它的耐热性可达1300℃，化学稳定性很高，在高温下与大多数铁族金属都不起化学反应。一般用于高硬度、难加工材料的精加工。2014-10-8思考为什么高速钢名不符实（只适于制造中、低速切削的各种刀具）？为什么高速钢没被淘汰？为什么许多复杂刀具（如插齿刀、滚齿刀、拉刀）用高速钢制造？2014-10-8习题2014-10-8习题2014-10-8习题2014-10-8预习内容六点定位原理。