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金属切削原理1

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金属 切削 原理
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金属切削原理及刀具与机床 一 本课程的目的 本课程是机械设计制造及其自动化专业的专业必修课 通过学习该课程 使学生了解金属切削的基本理论和机 械加工系统的基本知识 二 本课程的主要内容 l金属切削刀具 l金属切削原理 l机械加工机床 三 本课程的特点 l涉及知识面广 l实验理论多 l实践性强 绪 论 定义 金属切削加工是运用机床和刀具 按预定 的加工要求 从坯件上切去多余金属的加工方 法 刀具是进行切削加工的重要工具和最活跃 的因素 它直接改变着被加工零件的形状 无 论何种机床 没有刀具就无法进行加工 机械加工所经历的技术变迁机械加工所经历的技术变迁 l十六世纪 Leonardo da Vinci 提出车床 镗床等机加工机床的雏形 l工业革命前 生产加工是低效的手工劳作方式 l1785年 瓦特 蒸汽机在纺织工厂使用 机器代替手工劳动的序幕 机械化生 产的基础 机器生产机器 l1797年 发明第一台滑动刀架车床 l1873年 第一台凸轮控制的自动车床 机械加工所经历的技术变迁机械加工所经历的技术变迁 l1910 1920年 福特汽车公司 泰勒按节拍生产的理论 首先建立了流水线生产方式 创造了平 均每分钟生产一辆T型车的记录 l1952年 美国首先研制成功数控 Numerical Control NC 机床及自动编程 CAM的开端 l1953年 同一台机床上通过自动换刀实现铣 钻 镗 锪 铰 磨及攻丝等多种工艺的数 控加工中心 l1958年 MIT美国麻省理工学院 Machining Center l1962年 美国第一台工业机器人 Industrial Robot l1967年 英 美FMS Flexible Manufacturing system 柔性制造系统 解决十批量 离散 形生产自动化 我国金属切削方面的发展我国金属切削方面的发展 l公元前2000多年 青铜器时代 青铜刀 锯锉 磨石 l春秋中晚期 考工记 金工知识 l唐代 原始的车床 l1668年 畜力铣磨机 脚踏刃磨机 l1915年 第一台国产车床 l1947年 各类20000多台 碳素工具钢刀具 V 10m min 直径2丈 6 7米 加工天文仪器上 的铜环 脚踏刃磨机 现代机加工过程现代机加工过程 车削加工钻削加工镗孔插削加工 刨削加工钻孔 绞孔 拉削 磨外圆 无心磨插齿 剃齿 磨齿 滚齿 现代金属加工刀具简介现代金属加工刀具简介 现代金属加工刀具简介现代金属加工刀具简介 现代金属加工刀具特点现代金属加工刀具特点 重要性 现代高效刀具是现代数值化制造3大要素之一 数控机床 数控 测量仪 市场巨大 2008 年我国刀具消费290亿人民币 约合40 亿美元 其中进口刀具达到 100 亿人民币 约合14 亿美元 战略意义 我国近年发展的现代高效刀具 基本上处于仿制阶段 充其量是仿 创结合 第一章 刀具的几何角度和切削要素 l刀具的分类 l了解切削运动与切削用量 l了解刀具切削部分的基本定义 l了解刀具角度的换算 l了解刀具角度的一面二角分析法 l了解刀具的工作角度 l了解切削层与切削方式 l l刀具种类繁多 例如有单刃刀具 多刃刀具 成刀具种类繁多 例如有单刃刀具 多刃刀具 成 形刀具 形刀具 l l有整体高速刀具 镶片硬质合金刀具 机夹 可有整体高速刀具 镶片硬质合金刀具 机夹 可 转位式刀具等 转位式刀具等 l l标准刀具和非标准刀具标准刀具和非标准刀具 1 1 刀具的种类 1 1 刀具的种类 l l切刀 包括各种车刀 刨刀 插刀 镗刀 成型车刀等 切刀 包括各种车刀 刨刀 插刀 镗刀 成型车刀等 l l孔加工刀具 包括各种钻头 扩孔钻 铰刀 复合孔加工刀具 孔加工刀具 包括各种钻头 扩孔钻 铰刀 复合孔加工刀具 l l拉刀 包括圆拉刀 平面拉刀 成形拉刀拉刀 包括圆拉刀 平面拉刀 成形拉刀 如花键拉刀如花键拉刀 等 等 l l铣刀 包括加工平面的圆柱铣刀 面铣刀等 加工沟槽的立铣刀 键铣刀 包括加工平面的圆柱铣刀 面铣刀等 加工沟槽的立铣刀 键 槽铣刀 三面刃铣刀 锯片铣刀等 加工特殊形面的模数铣刀 凸槽铣刀 三面刃铣刀 锯片铣刀等 加工特殊形面的模数铣刀 凸 凹凹 圆弧铣刀 成型铣刀等 圆弧铣刀 成型铣刀等 l l螺纹刀具 包括螺纹车刀 丝锥 板牙 螺纹切头 搓丝板等 螺纹刀具 包括螺纹车刀 丝锥 板牙 螺纹切头 搓丝板等 l l齿轮刀具 包括齿轮滚刀 蜗轮滚刀 插齿刀 剃齿刀 花键滚刀等齿轮刀具 包括齿轮滚刀 蜗轮滚刀 插齿刀 剃齿刀 花键滚刀等 l l磨具 包括砂轮 砂带 油石和抛光轮等 磨具 包括砂轮 砂带 油石和抛光轮等 l l其它刀具 包括数控机床专用刀具 自动线专用刀具等 其它刀具 包括数控机床专用刀具 自动线专用刀具等 如外圆车削时 工件做旋转运动 刀具作纵向直线运动 形成了工件的外圆 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 车削时的切削运动 待加工表面 即将被切去金属层的表面 加工表面 切削刃正在切削着的表面 已加工表面 已经切去一部分金属 形成的新表面 1 2 切削运动与切削用量 1 2 1 切削运动 金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动 但是 按切削时 工件与刀具相对运动所起的作用来分 可分为主运动和进给运动 1 主运动 主运动是切下金属所必须的最主要的运动 通常它的速度最高 消耗机床功率最多 2 进给运动 使新的金属不断投入切削的运动 进给运动可以是连续运动 也可以是间歇运动 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 其大小与方向用合成速度向量ve表示 合成速 度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和 即 ve vc vf 1 1 3 合成运动与合成切削速度 1 2 2 切削用量三要素 ve f ap称之为切削用量三要素 1 切削速度 大多数切削加工的主运动采用回转运动 回旋体 刀具或 工件 上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下 vc m s 或 m min 1 2 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 进给速度vf是单位时间的进给量 单位是mm 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 单位是mm r 毫米 转 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fz 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 显而易见 vf f n fz z n mm s或mm min 1 3 2 进给速度 进给量和每齿进给量 3 背吃刀量 对于车削和刨削加工来说 背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加 工表面间的垂直距离 单位为mm 外圆柱表面车削的深度可用下式计算 ap dw dm 2 mm 1 4 对于钻孔工作 ap dm 2 mm 1 5 上两式中 dm 已加工表面直径 mm dw 待加工表面直径 mm 1 3 1 刀具切削部分的基本定义 1 3 1 1 刀具切削部分的构成要素 典型外圆车刀切削部分的构成 1 前刀面 3 切削刃 2 后刀面 4 刀尖 1 前刀面 前刀面Ar是切屑流过的表面 分为 与主切削刃毗邻 的称为主前刀面 与副切削刃毗邻的称为副前刀面 2 后刀面 后刀面分为主后刀面与副后刀面 3 切削刃 切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋 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锋边 副切削 刃指前刀面与副后刀面相交的锋边 4 刀尖 刀尖可以是主 副切削刃的实际交点 也可以是主 副 两条切削刃连接起来的一小段切削刃 它可以是圆弧 也可以是直 线 通常都称为过渡刃 1 3 1 2 刀具标注角度的参考系 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vc近似代替合成速度向量 ve 然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系 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 反之也可以说 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 刀具标注角度的参考系由下列诸平面构成 1 基面Pr 通过切削刃选定点 垂直于假定主运动方向的平面 通常 基面应 平行或垂直于刀具上便于制造 刃磨和测量的某一安装定位平面或轴 例如 图1 6所示为普通车刀 刨刀的基面Pr 它平行于刀具底面 图1 6普通车刀的基面Pr 2 切削平面Ps 通过切削刃选定点 与主切削刃 相切 并垂直于基面Pr的平面 也就是主切削刃与切削速度方向 构成的平面 3 主剖面P0和主剖面参考系 4 法剖面Pn和法剖面参考系 主剖面P0是通过切削刃选定点 同时垂直于Pr和切削平面Ps的 平面 图1 8表示由Pr Ps P0组成的一个正交的主剖面参考系 法剖面Pn是通过切削刃选定点 垂直于切削刃的平面 如 图1 8所示 由 Pr Ps Pn组成的一个法剖面参考系 图1 8 主剖面与法剖面参考系 5 进给剖面Pf和背平面Pp及其组成的进给 背平面参考系 进给剖面Pf是通过切削 刃选定点 平行于进给运动 方向并垂直于基面Pr的平面 通常 它也平行或垂直与 刀具上便于制造 刃磨和测 量的某一安装定位平面或轴 线 由Pr Pf Pp组成一个 进给 背平面参考系 如图 1 9 所示 背平面Pp是通过切削刃 选定点 同时垂直于Pr 和Pf 的平面 图1 9 进给 背平面参考系 Pr Pf Pp 前角 0 前刀面与基面间的夹角 在主 剖面中测量 图1 11 a 主剖面系标注的刀具角度 后角 0 后刀面与切削平面间的夹角 在主剖面中测量 图1 11 b 主剖面系标注的刀具角度 图1 11 c 主剖面系标注的刀具角度 kr 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 图1 11 d 主剖面系标注的刀具角度 由于图1 11所示车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上 因此 当 0 s两者确定后 前刀面的方位已经确定 0 s两个 角度可由 0 s r r 等角度换算出来 称为派生角度 由上分析 可知 图1 11中外圆车刀有三个刀面 两个切削刃 所需标注的独立 角度只有六个 此外 根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度 它们的名 称与定义如下 楔角 0 主剖面中测量的前 后刀面间夹角 0 90 0 0 1 6 刀尖角 r 基面中测量的主 副切削刃间夹角 r 180 r r 1 7 前角 后角 刃倾角正负的规定如图1 12所示 在主剖面中 前刀 面与基面平行时前角为零 前刀面与切削平面间夹角小于90 时前角为 正 大于90 时后角为正 大于90 时后角为负 刃倾角的正负如 图 1 12 所示 a s 0 b s c s 图1 12 刃倾角 s的符号 1 1 3 刀具角度的换算 1 1 3 1 主剖面与法剖面内的角度换算 在刀具设计 制造 刃磨和检验中 常常需要知道主切削刃在法剖面内 的角度 许多斜角切削刀具 特别是大刃倾角刀具 必须标注法剖面角度 它们的计算公式如下 在设计和和制造刀具时 需要对不同参考系内的标注角度进行换 算 也就是主剖面 法剖面 背平面 进给剖面之间角度换算 tan n tan 0 cos s cot n cot 0 cos s 1 1 3 2主剖面与法剖面内的角度换算 以前角计算公式为例 公式推导如下 1 1 3 3 主剖面与任意剖面的角度换算 求解任意剖面P 内的前角 tan 得 tan tan 0 sin tan s cos 1 10 当 0时 tan tan s s 当 90 kr时 可得切深前角 p tan p tan 0 cos kr tan s sin kr 1 11 当 180 kr时 可得切深前角 f tan f tan 0 sin kr tan s coskr 1 12 对式1 10利用微商求极值 可得最大前角 g tan g 1 13 或 tan g 1 14 1 1 3 4 主剖面与任意剖面的角度换算 最大前角所在剖面同主切削刃在基面上投影之间夹角 max 为 tan max 1 15 同理 可求出任意剖面内的后角 当 90 kr时 当 180 kr时 1 17 1 18 1 1 3 5 主剖面与任意剖面的角度换算 1 1 4 刀具工作角度 1 横车 如 图1 15 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的平面 0 0为标注前角 和后角 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 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P0e仍为平面 此时 在工作参考系 Pre Pse P0e 内的 工作角度 0 e和 0e为 0e 0 0e 0 1 1 1 4 进给运动对工作角度的影响 角称为合成切削速度角 它是主运动方向与合成运动切削速 度方向之间的夹角 由 角定义可知 tan 1 19 1 横车 式中d为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 值是随着切 削刃趋近工件中心而增大的 在常用进给量下当切削刃 距离工件中心1mm时 1 40 再靠近中心 值急剧 增大 工作后角变为负值 2 纵车 同理 也是由于工作中基面和 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 如图1 16所示 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 0 0 考虑进给运动进给运动 后 工作切削平面Pse为切于螺旋 面的平面 刀具工作角度的参考系 Pse Pre 倾斜一个角 则 工作进给剖面 仍为原进给剖面 内的工作角度为 fe f fe f 由合成切削速度角 的定义可知 tan 式中 f 进给量 dw 切削刃选定在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 tan 0 tan sinkr 0e 0 0 1 20 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 2 纵车 1 1 4 2 刀具安装对工作角度的影响 1 刀尖安装对工作角度的影响 当刀尖安装得高于工件中心线时 工作切削平面将变为Pse 工作基面 变为Pre 工作角度 pe增大 pe减小 在背平面 P P仍为标注背平面 内 角度变化值为 p tan p 1 21 式中h 刀尖高于工件中心线 的数值 mm dw 工件直径 则工作角度为 pe p p 或 pe p p 1 22 上述都是在刀具的背平面 Pp Pp 内的角度变化 还需要换算到工 作主剖面内 tan 0 1 23 或 1 24 1 刀尖安装对工作角度的影响 2 刀杆安装倾斜对工作角度的影响 车刀刀杆与进给方向不垂直时 工作主偏角kre和工作副偏角k re将 发生变化 1 25 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 也就是进给运动方向的垂线和刀杆中心线间的夹角 1 1 5 切削层参数与切削形式 1 1 5 1 切削层 各种切削加工的切削层参数 可用典型的外圆纵车来说明 如 图 1 19 所示 车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动就轨迹是一条 空间螺旋线 它们的各义及说明如下 工件每转一转 车刀沿工件轴线 移动一段距离 即进给量 f mm r 由车刀正在切削 着的这一层金属 就叫切削层 在特殊情况下 kr 90 为矩形 在外圆纵车时 当 k r 0 s 0时 切削层的表面形状 为一平行四边形 1 切削厚度 为了简化计算工作 切削层的表面形状和尺寸 通常都在垂直于切 削速度vc的基面Pr内观察和量度 切削层参数为 垂直于加工表面来度量的切削层尺寸 图1 19 称为切削厚度 以hD 表示 在外圆纵车 s 0 时 hD f sinkr 1 26 2 切削宽度 沿加工表面度量的切削层尺寸 称为切削宽度 以bD表示 外圆纵车 当 s 0 时 bD ap sinkr 1 27 可见 在f与ap一定的条件下 主偏角kr越大 切削厚度hD也就越大 但切削宽度bD越小 kr越小时 hD越小 bD越大 当kr 90时 hD f 曲线形主切削刃 切削层各点的切削厚度互不相等 3 切削面积 切削层在基面Pr的面积 称为切削面积 以AD表示 其计算公式为 AD hD bD 1 28 对于车削来说 不论切削刃形状如何 切削面积均为 AD hD bD f ap 1 29 上面所计算的均为名义切削面积 实际切削面积等于名义切削 面积减去残留面积 残留面积是指刀具副偏角k r 0 时 刀具经过切削后 残留在已 加工表面上的不平部分 ABE 的剖面面积 1 1 5 2 切削形式 1 正切削与斜切削 切削刃垂直于合成切削方式称为正切削或直角切削 如果切削刃不 垂直于切削方向则称为斜切削或斜角切削 图1 23所示为刨削时的正切 削和斜切削 图1 23 正切削与斜切削 a b 2 自由切削与非自由切削 只有直线形主切削刃参加切削工作 而副切削刃不参加切削工 作 称为自由切削 曲线主切削刃或主 副切削刃都参加切削者 称为非自由切削 这是根据切削变形是二维问题或三维问题进行区 分的 为了简化研究工作 通常采用自由切削变形区和观察和研究 1 1 2 3 刀具工作角度的参考系 上述刀具标注角度参考系 在定义基面时 都只考虑主运动 不考虑进给运动 即在假定运动条件下确定的参考系 但刀具在实 际使用时 这样的参考系所确定的刀具角度 往往不能确切地反映 切削加工的真实情形 只有用合成切削运动方向ve来确定参考系 才符合切削加工的实际 例如 图1 10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ve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 同样 刀具实际安装位置也影响工作角度的大小 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 用实际进 给运动方向取代假定进给运动方向 图 a 刀具后刀面同工件之间有适宜的间隙 切削情况正常 a 图1 10 刀具工作角度示意图 图 b 该两个表面全面接触 摩擦严重 b 图1 10 刀具工作角度示意图 刀具工 作角度 示意图 图 c 刀具的背棱顶在已加工表面上 切削刃无法切入 切削 条件被破坏 可见 在这种场合下 只考虑主运动的假定条件是不合 适的 还必须考虑进给运动速度的影响 也就是必须考虑合成切削运 动方向来确定刀具工作角度的参考系 图1 10 刀具工作角度示意图 1 1 2 4 刀具的标注角度 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 在切削刃是曲线或前 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或切 平面代替曲刃或曲面 主剖面参考系里的标注角度的名称 符号与定义如图1 11 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 要四个角度 即副偏角 r 副刃倾角 s 副前角 0 副后角 0 它们的定义与主切削刃上的四种角度类似 前角 0后角 0主偏角 r刃倾角 s 1 2 刀具材料 1 2 1 刀具材料应具备的性能 1 2 2 常用的刀具材料 1 2 3 其它刀具材料 在切削过程中 刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面 刀 具材料对金属切削的生产率 成本 质量有很大的影响 因此要重视刀 具材料的正确选择与合理使用 1 2 1 刀具材料应具备的性能 作为刀具材料应满足以下基本要求 1 高的硬度和耐磨性 刀具材料要比工件材料硬度高 常温硬度在HRC62以上 耐磨性 表示抵抗磨损的能力 它取决于组织中硬质 数量 大小和分布 2 足够的强度和韧性 为了承受切削中的压力冲击和振动 避免崩刃和折断 刀具材料 应该具有足够的强度和韧性 一般强度用抗弯强度来表示 韧性用冲击 值表示 3 高的耐热性 刀具材料在高温下保持硬度 耐磨性 强度和韧性的能力 4 良好的工艺性 为了便于制造 要求刀具材料有较好的可加工性 如切削加工性 铸造性 锻造性 热处理性等 5 良好的经济性 1 2 2 常用的刀具材料 目前 生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多 炭素工具钢 如T10A T12A 工具钢 如9SiCr CrWMn 因耐热性差 仅用于一些手工或切削速度较低的刀具 1 2 2 1 高速钢 是一种加入较多的钨 钼 铬 钒等合金元素的高合金工具 钢 有较高的热稳定性 较高的强度 韧性 硬度和耐磨性 其 制造工艺简单 容易磨成锋利的切削刃 可锻造 这对于一些形 状复杂的工具 如钻头 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等尤为重要 是制造这些刀具的主要材料 高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢 按制造工 艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢 各类高速钢刀具 1 通用 型高速钢 钨钢 典型牌号为W18Cr4V 简称W18 含W18 Cr4 V1 有良好的综合性能 可以制造各种复杂刀具 淬火时过热倾向 小 磨加工性好 碳化物含量高 塑性变形抗力大 但碳化物分布 不均匀 影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度 强度和韧性显得不够 热塑性差 很难用作热成形方法制造的刀具 如热轧钻头 钨钼钢 将钨钢中的一部分钨以钼代替而得 典型牌号为 W6MoCr4V2 简称M2 具有良好的机械性能 可做尺寸较小 承 受冲击力较大的刀具 热塑性特别好 更适用于制造热轧钻头等 磨加工性也好 目前各国广为应用 是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量 含钒量及添 加钴 铝等元素 按其耐热性 又称为高热稳定性高速钢 具 有更好的切削性能 耐用度较通用型高速钢高1 3 3倍 适合于 加工高温合金 钛合金 超高强度钢等难加工材料 典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V 高钒高速钢 W6MoCr4V3 钴高速钢W6MoCr4V2Co8 超硬高速钢 W2Mo9Cr4Co8等 2 高性能高速钢 3 粉末冶金高速钢 用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水 直接得到细小的高速 钢粉末 高温下压制成致密的钢坯 而后锻压成材或刀具形状具有 良好的机械性能 其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2 5 3倍 磨加工性能好 物理机械性能高度各向同性 淬火变形小 耐磨 性能提高20 30 适合制造切削难加工材料的刀具 大尺寸刀 具 如滚刀 插齿刀 精密刀具 磨加工量大的复杂刀具 高压 动载荷下使用的刀具等 由难熔金属化合物 如WC TiC 和金属粘结剂 Co 经粉末 冶金法制成 因含有大量熔点高 硬度高 化学稳定性好 热稳定性好的金 属碳化物 硬质合金的硬度 耐磨性和耐热性都很高 硬度可达 HRA89 93 在800 1000 C还能承担切削 耐用度较高速钢高几 十倍 当耐用度相同时 切削速度可提高4 10倍 唯抗弯强度较高速钢低 冲击韧性差 切削时不能承受大的振 动和冲击负荷 碳化物含量较高时 硬度高 但抗弯强度低 粘结剂含量较高 时 抗弯强度高 但硬度低 硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料 约占50 如大多数的车刀 端铣刀以至深孔钻 铰刀 齿轮刀具等 它还 可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料 1 2 2 2 硬质合金 各类硬质合金钢刀具 1 YG K 类 即WC Co类硬质合金 由WC和Co组成 牌号有YG6 YG8 YG3X YG6X 含钴量 分别为6 8 3 6 组织结构有粗晶粒 中晶粒 细晶粒 之分 一般 YG6 YG8 为中晶粒组织 细晶粒硬质合金 如 YG3X YG6X 在含钴量相同时比中晶粒的硬度 耐磨性要高些 但抗弯强度 韧性则低些 此类合金韧性 磨削性 导热性较好 较适于加工产生崩碎切屑 有冲击切削力作用在刃口附近的脆性 材料 如铸铁 有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃 口韧性要求高 如端铣 的钢料等 ISO将切削用的硬质合金分为三类 2 YT P 类 即WC TiC Co类硬质合金 硬质点相除WC外 还含有5 30 的TiC 牌号有YT5 YT14 YT15 YT30 TiC的含量分别为5 14 15 30 相应的 钴含量为10 8 6 4 TiC含量提高 Co含量降低 硬度和 耐磨性提高 但是冲击韧性显著降低 此类合金有较高的硬度和耐磨性 抗粘结扩散能力和抗氧化能力好 但抗弯强度 磨削性能和导热系数下降 低温脆性大 韧性差 适于 高速切削钢料 含钴量增加 抗弯强度和冲击韧性提高 适于粗加工 含钴减少 硬度 耐磨性及耐热性增加 适于精加工 应注意 合金不适合加工不锈钢和钛合金 因YT中的钛元素之间 的亲合力会产生严重的粘刀现象 在高温切削及摩擦系数大的情况下 会加剧刀具磨损 3 YW M 类 即WC TiC TaC Co类硬质合金 在YT类中加入TaC NbC 可提高其抗弯强度 疲劳强度 冲击 韧性 高温硬度 强度和抗氧能力 耐磨性等 既可用于加工铸铁 也可加工钢 因而又有通用硬质合金之称 常用的牌号为YW1和 YW2 以上三类的主要成分均为WC 所以又称为WC基硬质合金 表1 1 各种硬质合金牌号的应用范围 牌号合金性能使用范围 YG3X是YG类合金中耐磨性最好的一种 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 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 其耐磨度较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 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 适用于碳钢及合金钢 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 表1 1列出了各种硬质合金牌号刀具的应用范围 牌号合金性能使用范围 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YT14 但抗冲击性韧性较YT4 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 YT30耐磨性及允许的切削速度较YT15高 但使 用强度及抗冲击韧性较YT14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 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 表1 1 各种硬质合金牌号的应用范围 续 1 2 3 其它刀具材料 1 涂层刀具 它是在韧性较好的硬质合金基体上 或在高速钢刀具基体上 涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的 常用的涂层 材料有TiC TiN Al2O3等 涂层刀具具有较高的抗氧化性能 因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力 有低的摩擦系数 可 降低切削时的切削力及切削温度 可提高刀具的耐用度 提高硬 质合金耐用度1 3倍 高速钢刀具耐用度2 10倍 但也存在 着锋利性 韧性 抗剥落性 抗崩刃性及成本昂贵之弊 2 陶瓷 有纯Al2O3陶瓷及Al2O3 TiC混合陶瓷两种 以其微粉在高 温下烧结而成 陶瓷刀具有很高的硬度 HRA91 95 和耐磨性 有很高的耐热性 在高温1200 以上仍能进行切削 切削速度 比硬质合金高2 5倍 有很高的化学稳定性 与金属的亲合力小 抗粘结和抗扩散的能力好 可用于加工钢 铸铁 车 铣加工也都适用 但其脆性大 抗弯强度低 冲击韧性差 易崩刀 使其使用 范围受到限制 但作为连续切削用的刀具材料 还有很大发展前 途的 是目前人工制造出的最硬的物质 硬度高达HV10000 耐磨性 好 可用于加工硬质合金 陶瓷 高硅铝合金及耐磨塑料等高硬 度 高耐磨的材料 刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍 其切削刃锋利 能切下极薄的切屑 加工冷硬现象较少 有较 低的摩擦系数 其切屑与刀具不易产生粘结 不产生积屑瘤 很 适于精密加工 但其热稳定性差 切削温度不宜超过700 800 强度低 脆性大 对振动敏感 只宜微量切削 与铁有极强的 化学亲合力 不适于加工黑金属 目前主要用于磨具和磨料 对 有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔 加工铝合金 铜合金时 切削速度可达800 3800m min 3 金刚石 4 立方氮化硼 由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成 有很高的硬度 HV8000 9000 及耐磨性 其比金刚石高得多的热稳定性 1400 可用 来加工高温合金 化学惰性大 与铁族金属直至1300 时也不易起化学反应 可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁 有良好的导热性 较低的摩擦系数 它目前不仅用于磨具 也逐渐用于车 镗 铣 铰 它有两种类型 整体聚晶立方氮化硼 能像硬质合金一样焊接 并可多次 重磨 立方氮化硼复合片 即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0 5mm的立方 氮化硼而成 本章小结 本章主要学习了金属切削过程的基础知识 它包括基本 定义与刀具材料两方面的内容
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