汽车零件表面的加工

1、1汽车制造工艺学汽车制造工艺学江苏大学江苏大学第三章 汽车零件表面的加工方法2第三章 汽车零件表面的加工方法 汽车零件由不同的典型表面外圆、内孔、平面、螺纹、花键和齿轮齿面等构成。 它们都有一定的加工要求。它们中的大多数表面都需要经过机械加工来获得。 根据零件的结构特征、加工表面形式及其加工要求、生产率要求等条件，可以采用不同的加工方法及工艺过程来保证加工要求。 不同表面的加工方法很多，本章介绍一些在汽车零件制造中应用较为广泛的和高生产率的加工方法，也适当介绍一些近些年来新引进的新工艺。 表3-1列举了汽车零件外圆和内孔表面加工中常采用的加工方法和机床设备。汽车后桥总成31.1 1.1 基本定

2、义基本定义 金属切削过程金属切削过程 金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具从工件上切除多余的（或预留的）金属，并在高生产率和低成本的前提下，使工件得到符合技术要求的形状、位置、尺寸精度和表面质量。 切削运动切削运动 为实现切削过程，工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动，它由金属切削机床来完成。 工艺系统工艺系统 机床、夹具、刀具和工件，构成一个机械加工工艺系统，切削过程的各种现象和规律都在这个系统的运动状态中去研究。 基 本 定 义金属切削原理金属切削原理4 1.1.1 1.1.1 切削运动与切削用量切削运动与切削用量 在金属切削过程中，为了要从工件上切去一部分金属，刀具与工件之间必

3、须完成一定的切削运动。 如外圆车削时，工件作旋转运动，刀具作连续的纵向直线运动，形成了工件的外圆柱表面。 在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面：基 本 定 义5 待加工表面待加工表面：即将被切去金属层的表面； 加工表面加工表面 ：切削刃正在切削着的表面； 已加工表面已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。 这些定义也适用于其它切削。图中分别表示了车削、刨削、钻削、铣镗削时的切削运动。切削运动与切削用量61.1.1.11.1.1.1切削运动切削运动 金属切削机床的基本运动有直线运动直线运动和回转运动回转运动。 按切削时工件与刀具相对运动所起的作用可分为主运动和进给运动。如图所示

4、。（1）主运动主运动：切下金属所必须的最主要的运动。 特点：通常它的速度最高，消耗机床功率最多。机床的主运动只有一个。 例如，车削、镗削的主运动是工件与刀具的相对旋转运动，而刨削是的主运动是刀具相对于工件的直线运动。（2）进给运动进给运动：使新的金属不断投入切削的运动。它保证切 削工作连续或反复进行，从而切除切削层形成已加工表面。 特点：机床的进给运动可有一个、两个或多个组成，通常消耗功率较小，进给运动可以是连续运动也可以是间歇运动。切削运动与切削用量7（3）合成运动与合成切削速度v v 主运动v v和进给运动v v可以由刀具或工件分别完成，或由刀具单独完成。 主运动和进给运动可以同时进行（车

5、削、铣削等），也可交替进行（刨削等）。当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动合成切削运动。合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和： v v=v v+v v 切切 削削 运运 动动8 1.1.1.2 1.1.1.2 切削用量三要素切削用量三要素 在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其它技术经济要求来选定适宜的切削速度 vc 、进给量 f(或进给速度值vf),还要选定适宜的背吃刀量值ap。v vc 、f f、a ap 称之为切削用量三要素切削用量三要素。（1）切削速度切削速度 大多数切削加工的主运动采用回转运动。回转体(刀具或工件)

6、上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下： 式中 d工件或刀具上某一点的回转直径(mm)； n工件或刀具的转速（r/s或r/min）。min/1000msmdnvc或切削运动与切削用量9 在生产中，磨削速度单位用米/秒( m/s)，其它加工的切削速度单位习惯用米/分（m/min）。 在转速n值一定时，切削刃上各点的切削速度不同。考虑到刀具的磨损和已加工表面质量等因素，计算时，应取最大的切削速度。 如：外圆车削时计算待加工表面上的速度(用dw代入公式）， 内孔车削时计算已加工表面上的速度(用dm代入公式) ， 钻削时计算钻头外径处的速度。（2）进给速度、进给量和每齿进给量进给速度、进给量和每齿进

7、给量 进给速度是单位时间的进给量,单位是m/s(mm/min)。 进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移 (对于车削、钻削、铰削),单位是mm/r。切 削 用 量 三 要 素 10 对于刨削、插削等主运动为往复直线运动的加工，虽然可以不规定进给速度，却需要规定间歇进给的进给量，其单位为mm/d.st(毫米/双行程）。 对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/Z(毫米/齿)。 显然 mms或mmmin （3）背吃刀量背吃刀量 对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上已加工

8、表面和待加工表面间的垂直距离，单位是mm。nZfnfZf切削用量三要素11外圆柱表面车削的背吃刀量可用下式计算： 对于钻孔 其中 dm已加工表面直径(mm)； dw待加工表面直径(mm)。1.1.2 1.1.2 刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的基本定义 1.1.2.1 刀具切削部分的构造要素 金属切削刀具的切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具构造如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。 )(2mmddamwp)(2mmdamp切 削 用 量 三 要 素12 国际标准化组织(ISO)在确定金属切削刀具的工作部分几何形状的一般术语时，就是以车刀切削部分为基础

9、的。刀具切削部分的构造要素(图1、2)及其定义和说明如下： (1)(1)前刀面前刀面 直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其排出的刀面。 根据前刀面与主、副切削刃相毗邻的情况分为： 主前刀面： 与主切削刃毗邻的称为主前刀面； 副前刀面： 与副切削刃毗邻的称为副前刀面。 (2)(2)后刀面后刀面 后刀面分为主后刀面与副后刀面。 主后刀面：是指与工件上加工表面相互作用和相对着的刀面； 副后刀面：是与工件上已加工表面相互作用和相对着的刀面。 刀具切削部分的构造要素13 (3)(3)切削刃切削刃: :切削刃是前刀面上直接进行切削的锋边，有主切削刃和副切削刃之分。 主切削刃： 指前刀面与主后刀面相交的

10、锋边，它完成主要的切除或表面成形工作； 副切削刃： 指前刀面与副后刀面相交的锋边，它配合主切削刃完成切除工作，并最终形成以加工表面。 (4)(4)刀尖刀尖 刀尖是主、副切削刃的连接部位。为了强化刀尖，许多刀具都在刀尖处磨出直线或圆弧形过渡刃。刀具切削部分的构造要素141.1.2.2 1.1.2.2 刀具标注角度的参考系刀具标注角度的参考系 为了确定刀具前刀面、后刀面及切削刃在空间的位置，首先应建立参考系参考系。它是一组用于定义和规定刀具角度的各基准一组用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面。坐标平面。这样就可以用刀具前刀面、后刀面和切削刃相对于各基准平面的夹角来表示它们在空间的位置，这些夹角就

11、是刀具切削部分的几何角度。 工作角度：工作角度：把刀具同工件和切削运动联系起来确定的刀具角度，即刀具在使用状态下(in use)的角度。 刀具标注角度参考系：刀具标注角度参考系：任何一把刀具，在使用之前，总可以知道它将要安装在什么机床上，将有怎样的切削运动，因此也可以预先给出假定的工作条件，并以此确定刀具标注角度参考系（所谓的“静止参考系” ）。刀具标注角度的参考系15确定刀具标注角度参考系的方法：确定刀具标注角度参考系的方法： 假定运动条件假定运动条件：首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量近似代替合成速度向量；然后再用平行和垂直于主运动方向

12、的坐标平面构成参考系。 假定安装条件假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线(如车刀底面、车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等)。也可以说，假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。 注：“静止系”本质上不是静止的，它仍然是把刀具同工件和运动联系起来的一种特定的参考系。刀具标注角度的参考系16 在刀具标注角度参考系中的刀具角度称为标注角度。 刀具标注角度的参考系的形成如右图动画所示，由基面、切削平面、主剖面等平面构成了主剖面参考系。刀具标注角度的参考系17 刀具工作角度参考系：刀具工作角度参考系： 用于定义刀具进行切

13、削加工时几何参数的参考系。该参考系考虑了切削运动和实际安装情况对几何参数的影响。 刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是：用ve 取代vc ，即用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。1.1.2.4 1.1.2.4 刀具的标注角度刀具的标注角度 刀具标注角度刀具标注角度：在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。 注意：由于刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度应指明是切削刃选定点处的角度；凡未特殊注明者，则指切削刃上与刀尖毗邻的那一点的角度。 在切削刃是曲线或者前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线

14、或切平面代替曲线刃或曲面。刀具的标注角度18 前角 o ： 前刀面与基面间的夹角(在主剖面中测量)； 后角 o ： 后刀面与切削平面间的夹角(在主剖面中测量)； 主偏角r：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角； 刃倾角s：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。 上述四个角度就可以确定车刀主切削刃及其前后刀面的方位： o、s确定前刀面的方位,r、o 确定后刀面的方位，r 、s 确定主切削刃的方位。 同理，副切削刃及其相关的前刀面、后刀面在空间的定位也需用四个角度：即副偏角r 、副刃倾角s 、副前角 o 、副后角o。 车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上，当o、s两者确定后,前刀面的方位

15、已经确定,o 、s两个角度可由o、s 、r、r等角度换算出来,称为派生角度。刀具的标注角度19主剖面参考系里的标注角度的名称、符号与定义如下图所示： 刀具的标注角度2020ArA 向f图2-50 车刀的主要角度0000rrs0q 用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5 -10。2121ArA 向f图2-50 车刀的主要角度0000rrs0q 粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为46；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。2222q 主偏角应根据加工对象正

16、确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。ArA 向f图2-50 车刀的主要角度0000rrsr2323rAA 向f图2-50 车刀的主要角度0000rrsrq 在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。2424a）b）c）图2-51 刃倾角对排屑方向的影响5）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之位负。q s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。25 1.1.4 1.1.4 刀具工作角度刀具工作角度如果考虑合成运动和实

17、际安装情况，刀具的参考系将发生变化。按照切削工作的实际情况，在刀具工作角度参考系中所确定的角度，称为工作角度。下图所示三把刀具的标注角度完全相同，但由于合成切削运动方向不同，后刀面与加工表面之间的接触和摩擦的实际情形有很大的不同：主剖面与任意剖面的角度换算26 由于通常的进给速度远小于主运动速度，因此，在一般的安装条件下，刀具的工作角度近似等于标注角度(误差不超过l%)。这样，在大多数场合下(如普通车、镗孔、端铣、周铣)不必进行工作角度的计算。只有在角度变化值较大时(如车螺纹或丝杠、铲背和钻孔时，研究钻心附近的切削条件或刀具特殊安装时)，才需要计算工作角度。1.1.4.1 1.1.4.1 进给

18、运动对工作角度的影响进给运动对工作角度的影响 (1)横车横车 以切断车刀为例，在不考虑进给运动时，车刀主切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一圆周，切削平面Ps为通过切削刃上该点切于圆周的平面，基面Pr为平行于刀杆底面同时垂直于Ps的平面,o、o为标注前角和后角。刀具工作角度27 当考虑横向进给运动之后，切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一平面阿基米德螺旋线，切削平面Ps变为通过切削刃切于螺旋面的平面Pse,基面也相应倾斜为Pre,角度变化值为。工作主剖面 Poe仍为平面。此时在工作参考系(Pre、Pse、Poe)内的工作角度oe、oe为： oe进给运动对工作角度的影响ooe28 合成切削速度角

19、，它是主运动方向与合成切削速度方向之间的夹角。 由定义知： 式中 f 进给量； d 随着车刀进给而不断变化着的切削刃选定点处工件 的旋转直径； 随着切削刃趋近工件中心而增大的;在常用进给量下当切削刃距离工件中1mm时， ；再靠近中心， 值急剧增大,工作后角变为负值 。 dfcftan041进给运动对工作角度的影响29 (2)(2)纵车纵车 由于工作中基面和切削平面发生了变化, 形成了一个合成切削速度角,引起了工作角度的变化。图中，假定车刀s=0，在不考虑进给运动时,切削平面Ps垂直于刀杆底面,基面Pr平行于刀杆底面,标注角度为o、o ；考虑进给运动后，工作切削平面Pse为切于螺旋面的平面，刀具

20、工作角度的参考系(Pse、Pre)倾斜了一个角 ,进给运动对工作角度的影响30则工作进给面(仍为原进给剖面)内的工作角度为： , 由合成切削速度角定义知：式中:f 进给量； dw 切削刃选定点在A点时的工件待加工表面直径。 上述角度变化可以换算至主剖面内： 由上式可知：值不仅与进给量f有关,也同工件直径 dw有关; dw越小,角度变化值越大。实际上，一般外圆车削的值不超过 ,因此可以忽略不计。但在车螺纹,尤其是多头螺纹时,的数值很大,必须进行工作角度计算。 ffeffewdftanrosintantanoooe0403进给运动对工作角度的影响311.1.4.2 1.1.4.2 刀具安装对工作角

21、度的影响刀具安装对工作角度的影响 (1)刀尖安装高低对工作角度的影响 如图示,当刀尖安装得高于工件中心线,工作切削平面将变为Pse,工作基面变为Pre,工作角度也发生了变化。在背平面（Pp-Pp为标注背平面）内角度变化值p 为： 式中 h刀尖高于工件中 心线的数值(mm)； dw工件直径(mm)。222tanhdhwp刀具安装对工作角度的影响32则 注意注意：当刀尖低于工件中心线时，上述计算公式中符号相反；镗孔时计算公式同外圆车削相反。 上述都是在刀具的背平面( PpPp )内的角度变化，还需换算到工作主剖面内： pppeppperwohdhcos2tan22oooeoooe刀具安装对工作角度

22、的影响33(2)(2)刀杆安装倾斜对工作角度的影响刀杆安装倾斜对工作角度的影响 如图所示，车刀刀杆与进给方向不垂直时,工作主偏角和工作副偏角将发生变化：式中 G假定进给剖面与工作进给剖面之间的夹角,在基面内测 量。即进给运动方向的垂线和刀杆中心线间的夹角。 Grre刀具安装对工作角度的影响Grre34刀具切削部分的构造要素35a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀车刀的结构刀具切削部分的构造要素363738394041外圆纵车时切削层的参数42 牌号牌号 合金性能合金性能 使用范围使用范围YG3X 是YG类合金中耐磨性能最好的一种，但抗冲击性能差 适用于铸铁、有色金属及其合金的精镗、精车等

23、，亦可用于合金钢、淬火钢及钨、钼材料的精加工 YG6X属细晶粒合金，其耐磨性较YG6高，而使用强度接近于YG6 适用于冷硬铸铁、合金铸铁、耐热钢及合金钢的加工，亦适用于普通铸铁的精加工，并可用于制造仪器仪表工业用的小型刀具和小模数滚刀YG6耐磨性较高，但低于YG6X、YG3X，韧性高于YG6X、YG3X，可使用较YG8为高的速度 适用于铸铁、有色金属及合金与非金属材料连续切削的粗车，间断切削的半精车、精车、小端面精车，粗车螺纹，旋风车丝，连续断面的半精铣与精铣，孔的粗扩与精扩 YG8 使用强度较高，抗冲击和抗振动性能较YG6好，耐磨性及允许的切削速度较低适用于铸铁、有色金属及其合金与非金属材料

24、加工中不平整断面和间断切削时的粗车、粗刨、粗铣，一般孔和深孔的钻孔、扩孔各种硬质合金牌号刀具的应用范围表之一43 牌号牌号 合金性能合金性能 使用范围使用范围YG10H属超细晶粒合金，耐磨性较好，抗冲击和抗振动性能高 适用于低速粗车，铣削耐热合金，作切断刀及丝锥等YT5 在YT类合金中，强度最高，抗冲击和抗振动性能好，不易崩刃，但耐磨性较差 适于碳钢及合金钢，包括钢锻件、冲压件及铸铁的表面加工，以及不平整端面和间断切削时的粗车、粗刨、半精刨、粗铣、钻孔YT14 使用强度高，抗冲击性能和抗振动性能好，但较YT5稍差，耐磨性及允许的切削速度较YT5高 适于碳钢及合金钢连续切削时的粗车，不平端面和间

25、断切削时的半精车和精车，连续面的粗铣，铸孔的扩钻等 YT15 耐磨性优于YTl4，但抗冲击韧性较YTl4差 适于碳钢及合金钢加工中连续切削时的半精车及精车，间断切削时的小端面精车，旋风车丝，连续面的半精铣及精铣，孔的精扩及粗扩各种硬质合金牌号刀具的应用范围表之二44 牌号牌号 合金性能合金性能 使用范围使用范围YT30耐磨性及允许的切削速度较YTl5高，但使用强度及抗冲击韧性较YTl4差，焊接及刃磨时极易产生裂纹 适于碳钢及合金钢的精加工，如小端面精车、精镗、精扩等YG6A 属细晶粒合金，耐磨性及使用强度与 YG6X相似 适于硬铸铁、球墨铸铁、白口铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢

26、、淬火钢及合金钢的半精加工及精加工YG8A 属中颗粒合金，其抗弯强度与YG8相同，而硬度和YG6相同，高温切削时热硬性较好 适于硬铸铁、球墨铸铁、白口铁及有色金属的精加工，亦适于不锈钢的粗加工和半精加工 YW1热硬性较好，能承受一定的冲击负荷，通用性较好 适于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料的精加工，也适于一般钢材以及普通铸铁及有色金属的精加工各种硬质合金牌号刀具的应用范围表之三45切 削 层 参 数Kr不同时hD、bD的变化曲线切削刃工作时的hD、bDfapapfbD2hD1hD2RapfbD2hD2kr2kr1bD1hD1461.1 刀具材料 汽车零件切削加工中使用的刀具材料有高速钢、硬

27、质合金、立方氮化硼、陶瓷和金刚石等。 常使用的有高速钢、硬质合金和立方氮化硼等几类刀具材料。目前车刀材料主要有硬质合金和硬质合金涂层刀片。471）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性48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）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 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）49天然金刚石

28、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耐磨性图2-56 刀具材料的耐磨性与断裂韧性50刀具材料种类很多，常用的有工具钢（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）和立方氮化硼等。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。51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

29、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95W18 Cr4V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W12Cr4V4 Mo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W12Cr4V3 Mo3Co5Si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 52 53 常用的硬质合金刀片材料

30、主要有三类。 (1)钨钛钴类硬质合金 由碳化钨(WC)、碳化钛(TlC)硬质合金,称为P类硬质合金。 (2)钨钴类硬质合金 由碳化钨(WC)和粘合剂钴(Co)和粘结剂钴(Co)组成的硬质合金，称为类硬质合金。 (3)钨钛钽钴类硬质合金 在P类和 类硬质合金中加人少量稀有金属的碳化钽(TaC)或碳化铌(NbC)的硬质合金，称为M类硬质合金。54 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐

31、热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此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、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚

32、石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，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

33、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。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。表 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

34、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5

35、5 涂层硬质合金 为了提高硬质合金和高速钢刀具材料的切削性能,在刀具基体上涂覆一层耐磨性高的难熔金属化合物，将这类刀具称为涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上 ，通过化学气相 沉 积 (CD)、 物理气相沉积(PD)等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物 (TiC、TiN、 A1203等 )，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能 。 涂层硬质合金刀具的优点： （1）涂层硬质合金刀具具有良好的耐磨性和耐热 性 ，特别适合高速切 削 ； （2）由于其寿命高、通用性好，用于小批量 、 多品种的柔性自动化加工时 可有效减少换刀次数，提高加工效率；56 涂层硬质合金 涂层硬质合金

36、刀具的优点：（3）涂层硬质合金刀具抗月牙洼 磨损能力强，刃形和槽形稳定。 断屑效果及其他切削性能可靠。 （4）刀具的基体尺寸精度高， 可满足自动化加工换刀精度高 的要求。 涂层硬质合金刀具主要用于可转位刀片。 涂层刀具可显著提高刀具的切削性能。硬质合金涂层刀具通常可提高切削速度30%，或在同等切削条件下提高刀具寿命23倍。5758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0.01m，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,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。聚

37、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HV 30004500，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。59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 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3G

38、Pa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料

39、淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比60 FABOM45a）正挤压）正挤压FABOM45b）偏挤压）偏挤压OMFc）切削）切削图3-2 金属挤压与切削比较61图3-3 切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角62 第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。图3-5 切削部位三个变形区第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原

40、因。63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表3-1

41、切屑类型及形成条件64带状切屑Real挤裂切屑Real节状切屑Real崩碎切屑Real图3-6 切屑形态照片65v 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。v 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图3-7）图3-7 切屑的卷曲图3-8 断屑的产生v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图3-8） 66粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。 图3-11 切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀

42、面之间既有外摩擦，也有内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfi67n切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDhDhACFE图3-12 已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。68rFcFFpFf pFfFf pFf pfv图3-15 切削力的分解 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力69FFc

43、cccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK（3-6）式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。701FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAafaf（3-7） 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1）式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。 （3

44、-8）310()ccPFvKW71式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 （3-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（3-9）指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率72切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂（图3-16） 强度高加工硬化倾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）图3-16 切削速度对切削力的影响73 前角0 增大，切削力减小（图3-17） 主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，F

45、f，图3-18）图3-17 前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff图3-18 主偏角r对切削力的影响主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp200600100014001800220074 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fp，Ff） 刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff） ； 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著 ；75

46、切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具图3-19 切削热的来源与传出 主要来源 QA=QD+QFF+QFR （3-12）cccvFPq（3-11）式中，QD , QFF , QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量76TJ University 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。750刀具图3-20 二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削条件：干切削， 预热

47、611C77q 切削用量的影响 式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。 经验公式ZyxcpC vfa （3-12）刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2 切削温度的系数及指数78q 刀具几何参数的影响 q 工件材料的影响 vc（m/min）图3-21 切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH131 21Cr18Ni9Ti 3

48、45钢(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q 刀具磨损的影响 q 冷却液的影响 79工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。 用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（图3-22）。mV图3-22 人工热电偶工件刀具金属丝小孔 可测量刀

49、具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。80 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化 增大前角，保护刀刃 影响加工精度和表面粗糙度滞留粘接长大切屑刀具图3-23 积屑瘤积屑瘤RealReal金属切削过程控制金属切削过程控制813. 3.积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响 （1 1）增大了实际前角）增大了实际前角 它增大了刀具的实际前角，可以减小切削力，对切削过程起它增大了刀具的实际前角，可以减小切削力，对切削过程起着积极作用。积屑瘤高度愈大，实际前角愈大。着积极作用。积屑瘤高度愈大，实际前角愈大。（2 2）增大了切削厚度）增大了切削厚度

50、 积屑瘤使切削厚度增大了。因为切削过程中除积屑瘤底部较积屑瘤使切削厚度增大了。因为切削过程中除积屑瘤底部较稳定外，顶部不断形成和脱落，呈周期性变化，所以值也是变稳定外，顶部不断形成和脱落，呈周期性变化，所以值也是变化的，这就会引起切削力波动，从而有可能引起振动。化的，这就会引起切削力波动，从而有可能引起振动。（3 3）使加工表面粗糙度增大）使加工表面粗糙度增大 积屑瘤顶部很不稳定，其形状不规则，在加工表面产生宽度积屑瘤顶部很不稳定，其形状不规则，在加工表面产生宽度和深度不同的沟纹，使加工表面的粗糙度增大，脱落时一部分和深度不同的沟纹，使加工表面的粗糙度增大，脱落时一部分附在切屑底部被切屑带走，

51、另一部分也可能嵌在加工表面上形附在切屑底部被切屑带走，另一部分也可能嵌在加工表面上形成硬质点。成硬质点。（4 4）对刀具耐用度的影响）对刀具耐用度的影响 积屑瘤粘附在前面上，相对稳定时，可以代替刀刃切削，有积屑瘤粘附在前面上，相对稳定时，可以代替刀刃切削，有减小刀具磨损，起提高刀具耐用度的作用。不稳定时，积屑瘤减小刀具磨损，起提高刀具耐用度的作用。不稳定时，积屑瘤的脱落，可使刀具产生粘结磨损。的脱落，可使刀具产生粘结磨损。824. 4.防止积屑瘤的措施防止积屑瘤的措施（1 1）降低切削速度）降低切削速度，使切削温度较低，可避免使切屑底层不与，使切削温度较低，可避免使切屑底层不与前面粘结。前面粘

52、结。（2 2）高速切削）高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的温度。，使切削温度高于积屑瘤消失的温度。 例如，高速精车塑性金属既可避免积屑瘤产生，又可提高生产例如，高速精车塑性金属既可避免积屑瘤产生，又可提高生产效率。效率。（3 3）采用润滑性能良好的切削液）采用润滑性能良好的切削液，减小前面与切屑底层的摩擦，减小前面与切屑底层的摩擦，降低切削温度，可防止积屑瘤产生。降低切削温度，可防止积屑瘤产生。（4 4）增大刀具前角）增大刀具前角，可减小刀屑接触区的压力，可防止积屑，可减小刀屑接触区的压力，可防止积屑瘤的生成。瘤的生成。（5 5）提高工件材料的硬度）提高工件材料的硬度，减小加工硬化，可避免积

53、屑瘤的产，减小加工硬化，可避免积屑瘤的产生，这可以通过对工件材料正火或调质来实现。生，这可以通过对工件材料正火或调质来实现。 83未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。 残余张应力： 易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度残余压应力： 有利于提高零件疲劳强度残余应力分布不均： 会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度84热塑变形效应：表层张应力，里层压应力里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力实际应力状态是上述各因素

54、影响的综合结果控制切削过程：尽可能减小残余应力时效处理：最大限度减小残余应力残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法85已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化硬化程度00100%HHNH（3-13）式中 H 硬化层显微硬度（HV）； H0 基体层显微硬度（HV）。硬化层深度指硬化层深入基体的距离hd（m）86减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等进行适当的热处理距表面深度HVH0hiH0图3-24 加工硬化与表面深度的关系87正常磨损形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，

55、hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料, v 较小, hD 较小；加工脆性材料影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量VBVBmaxa) KTKBb)图3-25 刀具磨损形态88非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）图3-26 刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具磨损过程3个阶段（图3-26）常取后刀面最大允许磨损量VB磨钝标准89 磨粒磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊） 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏

56、低切速粘结磨损加剧 扩散磨损 高温下发生 氧化磨损 高温情况下，在切削刃工作边界发生90刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T 表示。刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。111TpmnpCTvfa（3-14）式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数 。52.250.75TpCTvfa（3-15）可见v 的影响最显著；f 次之；ap 影响最小 。用硬质合金刀具切削碳钢（b= 0.763GP a）时，有：91图3-27 不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）1 2 3 5

57、6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min）92规定刀具切削时间，离线检测切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍 93刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择1 1. .前角、前刀面的功用和选择前角、前刀面的功用和选择 前角选择原则：前角选择原则：在刀具强度许可条件下，尽量选用大的前在刀具强度许可条件下，尽量选用大的前角。对于成形刀具来说角。对于成形刀

58、具来说( (车刀、铣刀和齿轮刀等车刀、铣刀和齿轮刀等) )，减小前，减小前角；可减少刀具截形误差，提高零件的加工精度。前角的角；可减少刀具截形误差，提高零件的加工精度。前角的数值应由工件材料、刀具材料和加工工艺要求决定。数值应由工件材料、刀具材料和加工工艺要求决定。2. 2.后角和后刀面的功用和选择后角和后刀面的功用和选择 后角的选择原则后角的选择原则：在粗加工以确保刀具强度为主，可在：在粗加工以确保刀具强度为主，可在4 6 范围内选取；在精加工时以保证加工表面质量范围内选取；在精加工时以保证加工表面质量为主，一般为主，一般08 12 。943. 3.主偏角、副偏角的功用与选择主偏角、副偏角的

59、功用与选择 主偏角主偏角k kr r主要影响切削宽度主要影响切削宽度b bD D和切削厚度和切削厚度h hD D的比例并影响刀具的比例并影响刀具强度。此外，增大主偏角强度。此外，增大主偏角k kr r是控制断屑的一个重要措施。是控制断屑的一个重要措施。 主偏角主偏角k kr r选择原则主要是：选择原则主要是： 在工艺系统刚性不足的情况下，为减小切削力，选取较大的主偏角。在工艺系统刚性不足的情况下，为减小切削力，选取较大的主偏角。 在加工强度高、硬度高的材料时，为提高刀具耐用度，选取较小主偏在加工强度高、硬度高的材料时，为提高刀具耐用度，选取较小主偏角；角； 根据加工表面形状要求选取，如车削台阶

60、轴取根据加工表面形状要求选取，如车削台阶轴取k kr r 90 90 ，车外圆又车，车外圆又车端面取端面取k kr r45 45 、镗盲孔取、镗盲孔取k kr r90 90 。 副偏角副偏角k kr r影响加工表面粗糙度和刀具强度。通常在不产生摩擦和振动影响加工表面粗糙度和刀具强度。通常在不产生摩擦和振动条件下应选取较小的副偏角。下表为不同加工条件时的主、副偏角值，条件下应选取较小的副偏角。下表为不同加工条件时的主、副偏角值，供选择参考。供选择参考。刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择95适用范围适用范围 加工条件加工条件加工系统刚加工系统刚性足够、淬性足够、淬硬钢、冷硬硬钢、冷硬铸铁