第2节：刀具与刀具切削过程

第2节：刀具与刀具切削过程本节主要内容：刀具：刀具角度、常见的刀具材料刀具切削过程和切削过程中的物理现象学习要求掌握常用刀具的结构及特点，熟悉常见车刀的主要角度;了解常用的刀具材料掌握刀具切削过程的实质及切削过程中的物理现象关于刀具的认识一、刀具工件上的表面车刀－最基本的金属切削刀具1.车刀切削部分的组成“三面两刃一尖”仔细观察2.刀具种类焊接式机夹式可转位式整体式机夹式（可转位）刀具机夹式（可转位）刀片机夹式（可转位）刀具3.刀具角度刀具角度静止参考系刀具角度及其标注刀具角度的意义刀具工作角度及其意义刀具角度静止参考系基面Pr切削平面Ps正交平面(旧称主剖面)Po假定工作平面(旧称进给平面)Pf背平面Pp仔细观察另外一种静止参考系刀具角度静止参考系两种刀具角度静止参考系刀具角度标注仔细观察课外练习作图车外圆车端面切断镗通孔镗不通孔刨削平面刀具角度及其作用前角γo使刀口锋利,影响切削刃的强度，-5~25º后角αo减少刀具与工件之间的摩擦和磨损,3~12˚主偏角Kr其大小影响背向力与进给力的比例以及刀具寿命，外圆车刀的Kr可取90˚、75˚、60˚、45˚副偏角Kr´减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦,减少振动,影响已加工表面粗糙度,5~15º刃倾角λs影响刀尖强度和切屑流向背前角γp和背后角αp用于螺纹车刀、插齿刀等刀具的前角和后角标注前角作用：锋利与坚固后角的作用：锋利主偏角的作用副偏角的作用刃倾角的作用刀具的工作角度刀具的工作角度4.刀具材料结合生活中的实际,如削苹果和削铅笔等,思考刀具材料应具备什么样的性能?切削加工对刀具材料的要求:刀具材料的种类手动工具材料V<5m/min普通机加工刀具材料V<100m/min现代切削加工刀具材料V>100m/min（最高达1400m/min）常用手动工具材料碳素工具钢T8A，T10A，T12A等(HRC=61~64,HRA=81~83)切削温度200℃以内，切削速度5m/min用于手动刀具,如丝锥,板牙,锯条,铰刀,锉刀可冷热加工成形,工艺性能良好,磨削性好,需热处理合金工具钢9CrSi，CrWMn等(HRC=61~65,HRA=81~83)切削温度250~300℃以内，切削速度5－10m/min用于手动或低速机动刀具,如丝锥,板牙,拉刀可冷热加工成形,工艺性能良好,磨削性好,需热处理材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。HRA:是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度普通刀具材料高速钢20世纪初，切削速度比手动工具材料提高10倍，因此得名硬质合金一种粉末冶金产品最流行的普通刀具材料高速钢高速钢－白钢(HRC=62~70,HRA=82~87)常用牌号W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2Al，W10Mo4Cr4V等用于各种刀具,特别是复形状杂的刀具钻头，铣刀，拉刀，齿轮刀具，丝锥，板牙，刨刀，各类成形刀具等切削性能能耐650℃的切削温度切削速度达到40m/min工艺性能好可冷热加工成形：锋钢、风钢磨削性好(高钒类较差)，需热处理硬质合金硬质合金冶金制作过程WC/TiC/Co粉末－酒精成形－模具－烧结WC/TiC很硬，Co是粘结剂常见类型P、K、M类原标准是钨钴钛类YT、钨钴类YG性能能耐800－1000℃的切削温度切削速度达到80－100m/minP类硬质合金性能概要：相当于YT类外观：蓝色含：TiCWCCo适合加工长切屑的黑色金属如碳素钢，合金钢牌号P01,P10,P20,P30,P40,P50牌号越大，TiC含量越少，越不耐磨，但越耐冲击精加工：小牌号P01；半精加工：中间P20粗加工：大牌号P30K类硬质合金性能概要：相当于YG类外观：红色含：WCCo适合加工短切屑的金属与非金属材料如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料牌号K01,K10,K20,K30,K40等牌号越大，Co含量越多，粘结越牢固、越不耐磨，但越耐冲击精加工：小牌号K01；半精加工：中间K10、K20粗加工：大牌号K30M类硬质合金性能概要：相当于YW类外观：黄色性能介于P类和K类之间适合加工各种长短切屑的金属如钢、铸铁、不锈钢、灰口铸铁、有色金属牌号M10,M20,M30,M40等牌号越大，耐磨性越差，但越耐冲击精加工：小牌号M10；半精加工：中间M20粗加工：大牌号M30现代刀具材料涂层刀具材料原理：梯度材料的原型基体坚韧，保证强度，耐冲击，表层：硬度很高，耐磨、耐高温基体材料：高速钢、硬质合金涂层工艺：几微米涂层材料：TiC、TiN、Al2O3、金刚石粉末方法：化学、物理、激光涂层（金刚石粉末)性能硬质合金耐用度提高1－3倍高速钢耐用度提高2－10倍超硬刀具材料金属陶瓷主要成分：Al2O3切削性能常温硬度HRA91－95切削速度100－400m/min，甚至750m/min耐1200℃高温抗弯强度低，冲击韧性差适用于冷硬铸铁、高硬钢和高强钢等难加工材料的精加工和半精加工人造聚晶金刚石(PCD)成形工艺高温高压下将金刚石微粉聚合而成性能硬度高5000HV以上（天然金刚石HV10000）耐磨性好、韧性、抗弯强度差700－800℃失去硬度，红硬性不好高温下与黑色金属中的碳亲和力极强用途有色金属、陶瓷、合成纤维、强化塑料和硬橡胶的精加工立方氮化硼(CBN)性能硬度HV7000-8000，耐高温1200℃，耐磨性好，耐高温比金刚石好高温1200－1300℃下与铁和碳不会发生化学反应用途整体刀片、复合刀片精加工、半精加工：淬硬钢、耐磨铸铁、高温合金等难加工材料讨论现代数控机床上广泛使用的刀具材料数控机床的加工对象追求高效加工常用刀具材料金属陶瓷极端情况下高速切削（1400m/min）该用什么材料？选择合适的刀具材料为工件选择合适的刀具材料粗车钢件精车铸铁件精加工淬硬钢高速精车高硅铝合金高速加工冷激铸铁为刀具选择合适的材料麻花钻、锉刀、机用丝锥、成形铣刀二、刀具切削过程刀具切削过程实质切橡皮泥(塑性材料)挤压弹性变形塑性变形挤裂切离1、刀具切削过程不同的切削加工对象2、切削变形切削变形区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ切削变形区Ⅰ切削层金属剪切滑移区和大量塑性变形区切削力、切削热的主来源区消耗机床功率最多切削变形区Ⅱ切屑与前刀面的摩擦变形区影响前刀面磨损和积屑瘤形成切削变形区Ⅲ工件已加工表面与后刀面摩擦变形区影响后刀面磨损和工件表面变形强化和残余应力3.切屑的形成和切屑类型切离滑移3、切屑类型带状切屑的特点切削过程平稳切削力变化小加工质量高不安全3、切屑类型节状切屑又称挤裂切屑外表面呈锯齿形内表面有时有裂纹形成条件：在切削速度较低切削厚度较大刀具前角较小3、切屑类型崩碎切屑也称粒状切屑加工脆性材料形成条件：切削厚度越大越易得到这类切屑3、切屑类型三种切屑类型比较切屑类型带状切屑节状切屑粒状切屑工件塑性大塑性小脆性工件切削力变化小变化大冲击严重工件质量好较好差三、刀具切削过程中的常见现象切削力切削热积屑瘤表面强化和残余应力1、切削力F的来源克服切削层金属弹塑性变形抗力所需的力克服摩擦阻力所需的力影响切削力的因素工件硬度、强度、韧性＝>切削加工性能刀具前角、后角＝>锋利程度切削用量f和ap的影响相似主运动速度V有没有影响？切削液：润滑减小摩擦总切削力Ｆ及其分解总切削力F的分解F=Fc+Ff+Fp其中Fc消耗动力最多,占机床总功率的95~99%.因其对切削加工会产生不利影响,应尽量减小Ff只消耗机床总功率的5~10%Fp不消耗机床功率,但影响工艺系统的刚度,容易引起振动,影响加工精度F＝pfapP－一个与切削条件有关的常数2、切削热切削热的来源变形（谁？）摩擦（哪里？）传散途径切屑、刀具、工件、介质影响因素刀具、工件、切削用量、切屑液

这些功有98～99%转换为热能，因此切削功率Pc公式如下：式中：q--单位时间内产生的切削热（J/s）,q近似等于Pc。Fc--切削力，条件是用硬质合金车刀车削σb=0.637GPa的结构钢。可知，背吃刀量ap增加一倍，q也增加一倍；切削速度vc对q的影响次之；进给量f的影响最小；其它因素对q的影响与对Fc的影响相似。车削加工时，切屑带走的切削热为50%~86%，车刀传出40%~10%，工件传出9%~3%，周围介质(如空气)传出1%。切削速度愈高或切削厚度愈大，则切屑带走的热量愈多。钻削加工时，切屑带走切削热28%，刀具传14.5%，工件传出52.5%，周围介质传出5%。2、切削热切削用量（V）的影响切削温度可以用红外仪测量切削区域的温度场切削发热大＝>切削温度就高吗？实际上只有很小的区域能达到800切削液的作用降温：水类切削液润滑：油类切削液3、积屑瘤积屑瘤现象积屑瘤的动态形成过程高速摄影拍摄的积屑瘤不断形成、长大、破碎的动态过程碎片的流向切屑带走留在工件上积屑瘤积屑瘤产生的必要条件加工塑性金属材料中速切削(Vc=5~60m/min)积屑瘤对加工过程的影响精度？保护刀尖？因此：粗加工应选什么速度切削?精加工应选什么速度切削?4、表面变形强化和残余应力成因塑性变形－>冷作强化表面变形强化的利弊耐磨、抗疲劳磨损刀具残余应力的影响及消除办法成因：表面受到力和热的影响变形、精度降低通常降低塑性变形、切削力、切削热的措施均可减小表面强化和残余应力的形成趋势5、高速切削(HSM或HSC)不同工件材料大致的切削速度范围100100010000切削速度m/min10碳纤维塑料铝合金黄铜铸铁钢钛及其合金镍基合金高速切削(HSM或HSC)Salomon高速切削加工理论示意图切削不适应区切削速度Vc(m/min)高速切削(HSM或HSC)的优越性切削速度增加,单位时间内材料切除量增加,切削加工时间减少,加工效率大大提高,节约加工成本在高度切削范围,随着切削速度提高,