金属切削加工基本知识.ppt
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1、模块一模块一 金属切削加工基本知识金属切削加工基本知识项目一项目一 金属切削基础金属切削基础任务一任务一 切削运动和切削用量切削运动和切削用量 1.1.切削运动切削运动 在切削加工中刀具与工件的相对运动,使刀具和工件之间产生相对运动,称为切削运动。1)1)主运动主运动 由机床或人力提供的主要运动。特点:特点:切削速度最高,消耗功率最大。如如车削时工件工件的旋转运动,刨削时工件或刀具刀具的往复运动,铣削时铣刀铣刀的旋转运动等。.2)2)进给运动进给运动 由机床或人力提供的运动,它使刀具和工件之间产生附加的相对运动。3 3)合成切削运动)合成切削运动 由主运动和进给运动合成的运动,称为合成切削运动
2、。.2.2.工件上的加工表面工件上的加工表面 切削加工时在工件上产生的表面。待加工表面待加工表面 工件上有待切除的表面。已加工表面已加工表面 工件上经刀具切削后产生的表面。过渡表面过渡表面 工件上由刀具切削刃形成的正在切削的那一部分表面。.3.切削用量切削用量是切削速度、进给量(或进给速度)和背吃刀量的总称。1)切削速度(Vc)是指在切削加工时,切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。Vc=Dn/1000.2)进给量(f)是指工件(或刀具)每回转一周时,刀具(或工件)在进给运动方向上的相对位移量。3)背吃刀量(ap)指待加工表面和已加工表面之间的垂直距离。.4.切削层参数切削层是指在切削过
3、程中,刀具的切削部分沿进给方向在一次走刀中切除的工件材料层。切削层参数包括切削层公称宽度bD、切削层公称厚度hD和切削层公称横截面积AD,它的形状和尺寸规定在刀具的基面中度量。.任务二 刀具角度一、刀具切削部分的组成前刀面A、后刀面A、副后面A、主切削刃S、副切削刃S 、刀尖。安装车刀时,规定刀尖与工件中心等高,刀杆中心线垂直于进给运动方向。.几个平面.刀具静止角度 1)主偏角Kr 2)副偏角Kr 3)刃倾角s 4)前角o 5)后角o 6)副后角o.(3)较强的耐磨性和耐热性)较强的耐磨性和耐热性(2)高强度与强韧性)高强度与强韧性刀具材料 3.1.1 3.1.1 刀具材料的基本要求刀具材料的
4、基本要求刀具材料需满足一些刀具材料需满足一些基本要求基本要求 :刀具材料耐热性刀具材料耐热性是衡量刀具切削是衡量刀具切削性能的主要标志性能的主要标志,通常用高温下,通常用高温下保持高硬度的性保持高硬度的性能来衡量,也称能来衡量,也称热硬性热硬性(1)高硬度)高硬度(5)良好的工艺性与经济性)良好的工艺性与经济性(4)优良导热性)优良导热性.(1 1)高硬度)高硬度刀具是从工件上去除材料,刀具是从工件上去除材料,所以刀具材料所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度应在刀具材料最低硬度应在60HRC60HRC以上。以上。对于对于碳素工具钢碳素工具钢材
5、料,在室温条件下硬度材料,在室温条件下硬度应在应在62HRC62HRC以上;以上;高速钢高速钢硬度为硬度为63HRC63HRC70HRC70HRC;硬质合金刀具硬质合金刀具硬度为硬度为89HRC89HRC93HRC93HRC。.(2 2)足够强度和韧性)足够强度和韧性刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。力。如车削如车削4545钢,在背吃刀量钢,在背吃刀量a ap p4 4,进给量,进给量f f 0.50.5/r/r的条件下,刀片所承受的的条件下,刀片所承受的切削力达切削力达到到4000N4000N,可见,刀具材料必须具有较高的强,可见,刀具材料必须具
6、有较高的强度和较强的韧性。度和较强的韧性。一般刀具材料的韧性用冲击韧度一般刀具材料的韧性用冲击韧度a aK K表示,反表示,反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。映刀具材料抗脆性和崩刃能力。.(3 3)高的耐磨性和耐热性)高的耐磨性和耐热性A A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。一般刀具一般刀具硬度硬度越高,越高,耐磨性耐磨性越好。越好。刀具金相组织中刀具金相组织中硬质点硬质点(如碳化物、氮化物(如碳化物、氮化物等)越多,颗粒越小,分布越均匀,则刀具等)越多,颗粒越小,分布越均匀,则刀具耐磨性越好耐磨性越好。B B、刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的、刀具材料耐热性是衡量
7、刀具切削性能的主要标志,通常用高温下保持高硬度的性能主要标志,通常用高温下保持高硬度的性能来衡量,也称来衡量,也称热硬性热硬性。刀具材料刀具材料高温硬度越高,则耐热性越好高温硬度越高,则耐热性越好,在在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。.(4 4)优良导热性)优良导热性刀具导热性好,表示切削产生的热量容易刀具导热性好,表示切削产生的热量容易传导出去,降低了刀具切削部分温度,减传导出去,降低了刀具切削部分温度,减少刀具磨损。少刀具磨损。刀具材料导热性好,其抗耐热冲击和抗热刀具材料导热性好,其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。裂纹性能也强。.(5 5)良好的工艺性
8、与经济性)良好的工艺性与经济性刀具不但要有良好的切削性能,本身还应刀具不但要有良好的切削性能,本身还应该易于制造,这要求刀具材料有较好的该易于制造,这要求刀具材料有较好的工工艺性艺性,如锻造、热处理、焊接、磨削、高,如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。温塑性变形等功能。经济性也是刀具材料的重要指标之一,选经济性也是刀具材料的重要指标之一,选择刀具时,要择刀具时,要考虑经济效果考虑经济效果,以降低生产,以降低生产成本。成本。.3.1.2 3.1.2 刀具材料的种类和用途刀具材料的种类和用途1.1.碳素工具钢:(碳素工具钢:(C=0.65%C=0.65%1.35%1.35%)常用的牌号
9、有常用的牌号有T8AT8A、T10AT10A、T12AT12A等。等。切削温度切削温度200200,切削速度,切削速度8 8m/minm/min,硬度硬度60 60 65HRC65HRC 主要用于手用工具,如锉刀锯条等。主要用于手用工具,如锉刀锯条等。2.2.合金工具钢:(合金工具钢:(锰、铬、钨、硅锰、铬、钨、硅)常用的牌号有常用的牌号有9SiCr9SiCr、GCr15GCr15、CrWMnCrWMn等。等。切削温度切削温度600600,硬度硬度63 63 66HRC66HRC 主要用于制造低速手用工具,如丝锥绞刀等。主要用于制造低速手用工具,如丝锥绞刀等。.3.3.高速钢高速钢(1 1)概
10、念:)概念:高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合 金元素较多的工具钢金元素较多的工具钢 (2 2)性质:)性质:高速钢具有良好的热稳定性高速钢具有良好的热稳定性 高速钢具有较高强度和韧性高速钢具有较高强度和韧性 高速钢具有一定的硬度高速钢具有一定的硬度(6363 70HRC70HRC)和耐磨性和耐磨性 .(3 3)高速钢的分类)高速钢的分类 普通高速钢普通高速钢 A A、钨系高速钢(简称钨系高速钢(简称 W18W18)优点:钢磨削性能和综合性能好,通用性强。优点:钢磨削性能和综合性能好,通用性强。缺点缺点:碳化物分布常不均匀,强度与韧性不够:碳化物分布常不均匀,
11、强度与韧性不够强,热塑性差,不宜制造成大截面刀具。强,热塑性差,不宜制造成大截面刀具。B B、钨钼钢钨钼钢(将一部分钨用钼代替所制成的钢(将一部分钨用钼代替所制成的钢 )优点:减小了碳化物数量及分布的不均匀性优点:减小了碳化物数量及分布的不均匀性 。缺点缺点:高温切削性能和:高温切削性能和W18W18相比稍差。相比稍差。.高性能高速钢高性能高速钢 优点优点:具有较强的耐热性,:具有较强的耐热性,刀具耐刀具耐用度是普通高速钢的用度是普通高速钢的1.51.53 3倍倍 。缺点缺点:强度与韧性较普通高速钢:强度与韧性较普通高速钢低,高钒高速钢磨削加工性差。低,高钒高速钢磨削加工性差。适合加工的零件:
12、奥氏体不锈钢、高适合加工的零件:奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。工材料。.粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢 优点:优点:无碳化物偏析,提高钢的强度、韧性和无碳化物偏析,提高钢的强度、韧性和硬度,硬度值达硬度,硬度值达696970HRC70HRC;保证材料各向同性,减小热处理内应力和变形;保证材料各向同性,减小热处理内应力和变形;磨削加工性好,磨削效率比熔炼高速钢提高磨削加工性好,磨削效率比熔炼高速钢提高2 23 3倍;倍;耐磨性好。耐磨性好。适于制造切削适于制造切削难加工材料难加工材料的刀具、大尺寸刀具的刀具、大尺寸刀具(如滚刀和插齿刀),精
13、密刀具和磨加工量大(如滚刀和插齿刀),精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。的复杂刀具。.4 4硬质合金硬质合金(1 1)硬质合金组成)硬质合金组成 硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉 末冶金方法制成。末冶金方法制成。(2 2)硬质合金的)硬质合金的性能特点性能特点 优点优点:硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量:硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量 高,热熔性好高,热熔性好 ,热硬性好,切削速度高。热硬性好,切削速度高。缺点缺点:脆性大,抗弯强度和抗冲击韧性不强。:脆性大,抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的抗弯强度只有高速钢的1/31/31
14、/21/2,冲击韧性只有,冲击韧性只有 高速钢的高速钢的1/41/41/351/35。力学性能力学性能:主要由组成硬质合金碳化物的种类、主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。.(3 3)普通硬质合金的种类、牌号及应用)普通硬质合金的种类、牌号及应用 按其化学成分的不同可分为按其化学成分的不同可分为 :钨钴类钨钴类(WC+CoWC+Co)(代号(代号YGYG)硬度硬度898991.5HRA91.5HRA,耐热性,耐热性800800900900 ,常用牌号常用牌号YT3YT3、YT6YT6、YT8YT8等。等。用于铸铁有色金
15、属合和非金属材料。用于铸铁有色金属合和非金属材料。金钴含量越高,韧性越好,适于粗加工;金钴含量越高,韧性越好,适于粗加工;钴含量低,适于精加工。钴含量低,适于精加工。.钨钛钴类钨钛钴类(WC+TiC+CoWC+TiC+Co)(代号(代号YTYT)硬度硬度89.589.592.5HRA92.5HRA,耐热性,耐热性90090010001000 常用牌号常用牌号YT5YT5、YT14YT14、YT15YT15,数值表示数值表示T Ti iC C 的百分含量。的百分含量。用于加工塑性材料,不适合加工含用于加工塑性材料,不适合加工含T Ti iC C不锈不锈 钢。钢。合金中合金中TiCTiC含量高,则
16、耐磨性和耐热性提高,含量高,则耐磨性和耐热性提高,但强度降低但强度降低 粗加工一般选择粗加工一般选择TiCTiC含量少的牌含量少的牌 号,精加工选择号,精加工选择TiCTiC含量多的牌号。含量多的牌号。.钨钽(铌)钴类钨钽(铌)钴类(WC+TaCWC+TaC(NbNb)+Co+Co)(代号(代号YAYA)常温有常温有高硬度、耐磨性、高温强度和抗氧化性。高硬度、耐磨性、高温强度和抗氧化性。常用的牌号:常用的牌号:YA6YA6 用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工,用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工,也能用于高锰钢、淬火钢等材料的半精加工和也能用于高锰钢、淬火钢等材料的半精加工和 精加工
17、。精加工。钨钛钽(铌)钴类钨钛钽(铌)钴类(WC+TiC+TaCWC+TiC+TaC(NbNb)+Co+Co)(代号(代号YWYW)性能高于性能高于钨钛钴类,通用性好等。钨钛钴类,通用性好等。常用的牌号:常用的牌号:YW1YW1、YW2YW2 用于加工钢材、铸铁、有色金属及合金。用于加工钢材、铸铁、有色金属及合金。.碳化钛基类(碳化钛基类(WC+TiC+Ni+MoWC+TiC+Ni+Mo)()(代号代号YNYN)具有很具有很高硬度、耐磨性,较高耐热性和抗氧化高硬度、耐磨性,较高耐热性和抗氧化 性,摩擦系数较小,抗黏结能力较强,耐用度高性,摩擦系数较小,抗黏结能力较强,耐用度高 于于WCWC基硬
18、质合金,抗弯强度和冲击韧性低于基硬质合金,抗弯强度和冲击韧性低于WCWC 基硬质合金。基硬质合金。常用的牌号:常用的牌号:YN05YN05、YN10YN10 用于精加工和半精加工,对于大长零件且加工用于精加工和半精加工,对于大长零件且加工 精度较高的零件尤其适合,但不适于有冲击载荷精度较高的零件尤其适合,但不适于有冲击载荷 的粗加工和低速切削。的粗加工和低速切削。.5.5.特殊刀具材料特殊刀具材料 1 1)陶瓷刀具)陶瓷刀具 (1 1)材料组成:材料组成:主要由硬度和熔点都很高的主要由硬度和熔点都很高的AlAl2 2O O3 3 Si Si3 3N N4 4 等氧化物、氮化物和少量的金属碳化物
19、、氧化物等添等氧化物、氮化物和少量的金属碳化物、氧化物等添 加剂组成。通过粉末冶金工艺方法制粉,再压制烧结加剂组成。通过粉末冶金工艺方法制粉,再压制烧结 而成。而成。(2 2)常用种类:常用种类:AlAl2 2O O3 3基陶瓷和基陶瓷和Si Si3 3N N4 4基陶瓷基陶瓷 (3 3)优点:优点:硬度硬度919195HRA95HRA,耐热性为耐热性为1200 1200 ,耐磨,耐磨 性很高,摩擦系数低,切削力比硬质合金小,切削速性很高,摩擦系数低,切削力比硬质合金小,切削速 度高于硬质合金度高于硬质合金3 35 5倍,刀具寿命比硬质合金高。倍,刀具寿命比硬质合金高。(4 4)缺点:缺点:强
20、度和韧性差,热导率低;陶瓷最大缺点是强度和韧性差,热导率低;陶瓷最大缺点是 脆性大,抗冲击性能很差。脆性大,抗冲击性能很差。(5 5)适用范围:适用范围:高速精细加工硬材料。高速精细加工硬材料。.2 2)金刚石刀具)金刚石刀具(1 1)分类:分类:天然金刚石刀具;人造聚晶金刚石刀天然金刚石刀具;人造聚晶金刚石刀 具;复合聚晶金刚石刀具。具;复合聚晶金刚石刀具。(2 2)优点:优点:极高的硬度和耐磨性,人造金刚石硬极高的硬度和耐磨性,人造金刚石硬 度达度达10000HV10000HV,耐磨性是硬质合金的,耐磨性是硬质合金的60608080 倍;切削刃锋利,能实现超精密微量加工和倍;切削刃锋利,能
21、实现超精密微量加工和 镜面加工;很高的导热性。镜面加工;很高的导热性。(3 3)缺点:缺点:耐热性差,强度低,脆性大,对振动耐热性差,强度低,脆性大,对振动 很敏感。很敏感。(4 4)适用范围:适用范围:用于高速条件下精细加工有色金用于高速条件下精细加工有色金 属及其合金和非金属材料。属及其合金和非金属材料。.3 3)立方氮化硼刀具)立方氮化硼刀具(1 1)概念:立方氮化硼(简称)概念:立方氮化硼(简称CBNCBN)是由六方氮化)是由六方氮化 硼为原料在高温、高压下合成。硼为原料在高温、高压下合成。(2 2)优点:硬度高)优点:硬度高800080009000HV9000HV,耐热性为,耐热性为
22、1200 1200 热稳定性好,导热性较高,摩擦系数较小热稳定性好,导热性较高,摩擦系数较小(3 3)缺点:强度和韧性较差,抗弯强度仅为陶瓷刀)缺点:强度和韧性较差,抗弯强度仅为陶瓷刀 具的具的1/51/51/21/2。(4 4)适用范围:适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸)适用范围:适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸 铁和高温合金材料。铁和高温合金材料。不宜加工塑性大的钢件、镍基合金、铝合金和不宜加工塑性大的钢件、镍基合金、铝合金和 铜合金。铜合金。.6.6.涂层刀具涂层刀具 1 1)概念:概念:涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高 速钢刀具基体上,涂覆一
23、层速钢刀具基体上,涂覆一层(5 51212mm)耐磨性较高耐磨性较高 的难熔金属化合物而制成。的难熔金属化合物而制成。2 2)常用的)常用的涂层材料涂层材料有:有:TiCTiC、TiNTiN、AlAl2 2O O3 3等等 3 3)涂层形式:涂层形式:可以采用单涂层和复合涂层可以采用单涂层和复合涂层 4 4)优点:优点:涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能,涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能,因此具有较高的耐磨性因此具有较高的耐磨性 5 5)适用范围:适用范围:主要用于车削、铣削等加工,由于成本较主要用于车削、铣削等加工,由于成本较 高,还不能完全取代未涂层刀具的使用。高,还不能完全取代
24、未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工,高硬材料的加工以不适合受力大和冲击大的粗加工,高硬材料的加工以 及进给量很小的精密切削。及进给量很小的精密切削。.第一章金属切削及机床的基本知识第一章金属切削及机床的基本知识基本内容基本内容:主要介绍刀具几何角度及工作角度、切削变形主要介绍刀具几何角度及工作角度、切削变形 与积屑瘤、切削力、切削热、切削温度、刀具磨与积屑瘤、切削力、切削热、切削温度、刀具磨 损与刀具耐用度、切削液及刀具几何参数的合理损与刀具耐用度、切削液及刀具几何参数的合理 选择、机床的基本知识等。选择、机床的基本知识等。2.2.基本要求基本要求:刀具几何角度和积屑瘤的成因、作用
25、及控制措施刀具几何角度和积屑瘤的成因、作用及控制措施 影响切削力、切削热、切削温度、刀具磨损的因影响切削力、切削热、切削温度、刀具磨损的因 素;素;合理选择刀具材料、几何参数、切削液等。合理选择刀具材料、几何参数、切削液等。.3.23.2金属切削加工基本知识金属切削加工基本知识 一、切削运动和切削用量一、切削运动和切削用量 1.1.切削切削运动运动:1)1)主运动主运动 2)2)进给运动进给运动 3)3)合成切削运动合成切削运动 2.2.工件上的加工表面工件上的加工表面:待加工表面、已加工表面、待加工表面、已加工表面、过渡表面过渡表面。3.3.切削用量切削用量 1)1)切削速度切削速度Vc 2
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