机械加工工艺装备-刀具

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1、1,第1章 机械加工工艺装备,本章要点,机床的分类、型号及技术参数,典型机床的加工工艺范围,车床的传动原理,工件定位、夹紧与典型夹具,刀具几何角度、种类与选用,金属切削加工的基本概念,2,机械制造基础,第1章 机械加工工艺装备 Mechanical Manufacturing Process Equipments,3,1.2.1 金属切削加工的基本概念 1.2.2 刀具材料 1.2.3 刀具几何角度 1.2.4 刀具种类及选用 1.2.5 砂轮,4,1.2.1 金属切削加工的基本概念,5,切削加工种类,6,轨迹法成形法相切法展成法,7, 主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完

2、成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用 T 表示），也可以是回转运动（用 R 表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。,8,9,10,11,12,13,1.2.1 金属切削加工的基本概念,切削运动,待加工表面：工件上即将被切除的表面。 已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面。 过渡表面(正在加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。,主运动：速度最高、消耗机床功率最多的运动。 进给运动：金属层不断投入切削的运动，以逐渐加工出完整表面所需的运动。 合成运动：主运动、进给运动合成的运动。,加工表面,14,1.2.1

3、 金属切削加工的基本概念,工件,刀具,15,1.2.1 金属切削加工的基本概念,此方向为进给运动,主运动,刀具,16,常见机床的切削运动,17,1.2.1 金属切削加工的基本概念,切削参数（切削用量三要素）,切削速度vc：切削刃上点在主运动方向的瞬时速度，m/min 进给量f：每转刀具相对工件的位移量，mm/转（齿） 背吃刀量ap：垂直于主运动和进给运动的切削层最大尺寸，俗称切削深度。mm,切削速度的计算公式：,进给速度的计算公式：,车,铣,车、铣、磨,18,1.2.1 金属切削加工的基本概念,式中: dw-工件上待加工表面直径（mm） dm-工件上已加工表面直径（mm）,19,1.2.1 金

4、属切削加工的基本概念,切削截面参数（切削层三要素）,切削层公称厚度,（2-4）,切削层公称宽度,（2-5）,切削层公称横截面积,AD =hDbD=apf,20,1.2.1 金属切削加工的基本概念,21,刀具材料应具备的性能,足够的硬度和耐磨性：足够的耐磨性。 足够的强度和韧性：承受振动和冲击， 不致断裂。 足够的热硬性 红硬性：高温下能继续切削，高温下能抗氧化、抗粘结、抗扩散。 良好的工艺性：便于制造 经济性：寿命与加工零件数量的比值。,1.2.2 刀具材料,22,常用刀具材料,碳素工具钢,合金工具钢,高速钢,硬质合金,陶瓷、立方氮化硼、金刚石、聚晶金刚石,手工工具和切削速度较低的刀具,23,

5、24,25, 高速钢,高速钢是一种加入了较多的W钨、Mo钼、Cr铬、V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23倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRC63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：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）。,1.2.2 刀具材料,常用刀具材料,CVD（化学气相沉积法）90010500C，5um10um，用于硬质合金 PVD（物理气相沉积法）3005000C，2um5um，用于高速钢 保持原有韧性的情况下，大大提高刀具耐磨性，刃磨前刀面提高刀具寿命。,26,切削速度比碳素工具钢及

6、合金工具钢高13倍，故称为高速钢，又称锋钢、白钢。高速钢的常温硬度为6370HRC，热硬性为5406200C。高速钢刀具易磨出较锋利的刀口，特别适用于制造结构复杂的成形刀具、孔加工刀具及铣刀、拉刀、螺纹刀具、切齿刀具等。 高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢，普通高速钢常用牌号有W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V等。高性能高速钢是指在普通高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素的新钢种，常见有高碳高速钢(如9W18Cr4V)、高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo)、钴高速钢(如W2Mo9Cr4VCo8)、铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2AI)。高速钢刀具的表面进行氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)等

7、涂层后，使其硬度高和耐磨性强同时又有较好的强度与韧性，目前广泛应用在钻头、丝锥、成形铣刀、切齿刀具上。,1.2.2 刀具材料,27,1.2.2 刀具材料,28,1.2.2 刀具材料, 硬质合金,硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车

8、刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,29,钨钴类硬质合金（YG）,切削铸铁等脆性材料和有色金属及其合金,精加工YG3，半精加工YG6，粗加工YG8,Co量增加，抗弯强度和冲击韧性增加 加工钢时易发生粘结和扩散磨损,30,钨钛钴类硬质合金（YT）,切削塑性金属材料,精加工YT30，半精加工YT15，粗加工YT5,抗弯强度和冲击韧性略于YG类,添加稀有金属碳化物的硬质合金（YA、YW）,通用硬质合金 切削难加工材料,31,镍钼钛类硬质合金（YN）,填补硬质合金和陶瓷间的空白 切削碳钢、合金钢等（精加工）， 大尺寸时效果尤

9、其显著,复合材料表面涂层硬质合金刀具,TiC、TiN、A12O3等 强度、韧性和切削刃锋性有所下降。 不适合粗加工，宜小进给量和低速加工。,32,其他硬质合金刀具 超细晶粒硬质合金：0.21um 难加工材料的断续切削和低速切削 钢结硬质合金：6070高速钢为粘结相 退火状态可进行锻造和切削加工,33,1.2.2 刀具材料,34, 陶瓷刀具材料,陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA9195）和耐热性，在1200的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。,1.2.2

10、刀具材料,常用刀具材料,35,以Al2O3或Si3N4为基体，添加少量金属，高温烧结而成，高的硬度和耐热性，可切削高硬度材料。 性脆，抗冲击韧性差。,5.1 各种刀具材料的显微硬度值,36, 超硬刀具材料,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（HK65008000），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。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁，7008000C碳化。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高

11、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。,37,38,1.2.3 刀具几何角度,39,外圆车刀参与切削加工的刀头部分可粗略地概括为一点、两线、三面：,一点：刀尖主切削刃与副切削刃之间的相交处，实际在刀具上它不是一个点，而是一段过渡切削刃。特殊情况下有两个刀尖，如切断刀。,两线：主切削刃和副切削刃。有时不一定是直线，也有曲线刃。 主切削刃前刀面与主后刀面的交线，用以完成主要切除工作； 副切削刃前刀面与副后刀面的交线，辅助

12、形成加工表面。,三面：前刀面、主后刀面和副后刀面。 副后刀面与工件上已加工表面相对的表面。 前刀面切屑流经的表面； 主后刀面与工件上过渡表面相对的表面,刀具切削部分的组成车刀,40,1.2.3 刀具几何角度,41,刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合,1.2.3 刀具几何角度,42,车刀的标注角度,用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面称为参考系。参考系有两类：,刀具标注角度参考系或静止参考系：刀具设计、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称刀具标注角度；,刀具工作参考系：确定刀具切削工作时角度的基准，用此定义的刀具角度称刀具工作角度。,为了便于测量车刀，在建立刀具静止参考系时，特

13、作以下假设：不考虑进给运动的影响，f=0；安装车刀时，刀柄底面水平放置，且刀柄与进给方向垂直；刀尖与工件回转中心等高。 静止参考系是在简化了切削运动和设立标准刀具位置的条件下建立的参考系。,43,正交平面参考系（主剖面坐标系）,1）基面 Pr ：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。,图2-49 车刀正交平面参考系,2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。,3）正交平面（主剖面） Po：通过切削刃选定点同时垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。,44,正交平面参考系标注角度,45,1）前角o 在正交平面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选

14、定点的基面位于刀头实体之外时o定为正值；位于刀头实体之内时o定为负值。,o影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。,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。,1.2.3 刀具几何角度,46,2）后角o 后角o在正交平面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。,后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。,粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足

15、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。,1.2.3 刀具几何角度,47,主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。,3）主偏角r 在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。,r的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。 r的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。,1.2.3 刀具几何角度,48,4）副偏角r r在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进

16、给反方向的夹角。,副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。,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。,49,5）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。,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。,50,6）副后角 副后刀面与副切削平面之间的夹角。过副切削刃上选定点且垂直于副切削刃在基面上投影的平面称为副正交平面。过副切削刃上选定点的切线且垂直于基面的平面称为副切削平面，副正交平面、副切削平面与基面组成副正交平面参考系。,