金属切削过程及其控制课件.ppt

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 4 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 通用型高速钢 含碳量0 7 0 9 62 66HRC 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 W6Mo5Cr4V2Co8 W6Mo5Cr4V2Al 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 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 涂层高速钢 是采用物理气相沉积 PVD 方法 刀具表面生成TiN 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 11 常用高速钢牌号及其应用范围 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 TiC TaC NbC等 金属粘接剂 Co Ni等 高压成形后 高温烧结而成 成分 WC TiC TaC Co Ni 特点 高硬度 HRA89 93相当于HRC74 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 常用硬质合金的牌号及其应用范围 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 17 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 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 Al203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Al2O3或氮化硅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 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 Al2O3 或以氮化硅 Si3N4 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 Al2O3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 2020 1 29 28 可编辑 常用刀具材料可切削的主要工件材料 30 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 31 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 32 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 33 表3 3磨料的特性和使用范围 34 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 35 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 40 m 微粉 40 m 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 37 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 38 表3 8 常用结合剂的性能及选用 39 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 砂轮硬度低 磨粒易脱落 磨粒不易脱落 40 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 41 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 42 6 砂轮的形状 用途及选择 43 44 P 300 50 75 A60L5V 35m 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 46 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 47 1粗铣灰铸铁箱体平面应