第二章金属切削原理与刀具.ppt

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第二章金属切削原理与刀具第一节刀具的结构1切削运动与切削要素1.切削运动金属切削加工：

利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层（加工余量），以获得具有一定的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。

切削运动：

刀具与工件之间的相对运动，也称表面成形运动。

a）主运动：

切下切屑所需的最基本的运动。

b）进给运动：

多余材料不断被投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。

2.切削要素（切削表面、切削用量、切削层参数）切削表面a）已加工表面b）待加工表面c）加工表面（过渡表面）切削用量：

切削时各运动参数的总称，包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）三要素。

a）切削速度:

定义一：

在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。

定义二：

刀具切削刃上选定点相对主运动的速度。

b）进给量：

在主运动每转一转或每一行程时（或单位时间内），刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。

c）背吃刀量（切削深度）定义一：

待加工表面与已加工表面的垂直距离。

定义二：

在垂直于主运动方向和进给运动方向的工作平面内测量的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度。

切削层几何参数切削层是指工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻两个加工表面之间的一层金属。

a）切削宽度:

沿主切削刃方向度量的切削层尺寸。

b）切削厚度：

两相邻加工表面的垂直距离。

c）切削面积：

切削层垂直于切削速度截面内的面积。

3.切削方式的划分自由切削:

只有一条直线刀刃参加切削的切削方式。

非自由切削：

刀具的切削刃是曲线，或有几条切削刃都参加切削的切削方式。

直角切削：

刀具主切削刃的刃倾角为零的切削方式。

斜角切削：

刀具主切削刃的刃倾角不为零的切削方式。

2刀具角度1.刀具切削部分的组成前刀面主后刀面副后刀面主切削刃副切削刃刀尖2.确定刀具切削角度的参考平面切削平面（Pse）：

通过主切削刃上某一点并与工件过渡表面相切的平面。

基面（Pre）：

通过主切削刃上某一点并垂直于合成切削运动向量的平面。

3.刀具的标注角度的参考平面切削平面（Ps）：

含有刀刃在其选定点的切线和切削速度向量的平面。

基面（Pr）：

通过主切削刃上某一点并垂直于切削速度向量的平面。

测量平面正交平面（Po）通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面的投影相垂直的平面。

切削平面、基面、正交平面构成刀具角度的参考平面，称为正交平面参考系。

（以后先以刀具的标注参考平面为例讲述）4.刀具的标注角度（刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所必需的、并在刀具设计图上予以标注的角度）前角：

在正交平面内测量的前刀面与基面的夹角，前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分。

后角：

在正交平面内测量的后刀面与切削平面的夹角，后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。

主偏角：

在基面内测量的主切削刃在基面内的投影与进给运动方向的夹角，主偏角一般为正值。

刃倾角：

在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角，有正、负和零值之分。

副偏角：

在基面内测量的副切削刃在基面内的投影与进给运动反方向的夹角，副偏角一般为正值。

副后角：

在副正交平面内测量的副后刀面与副切削平面的夹角。

5.刀具标注角度的其他参考系法平面参考系切深和进给平面参考系6.刀具的工作角度（以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度，又称实际角度）进给运动对工作角度的影响。

l车端面或切断（横向进给运动的影响）l车外圆及车螺纹（纵向进给运动的影响）刀具安装位置对工作角度的影响。

l不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时。

l当刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时。

l车端面或切断时（横向进给运动的影响）l车外圆与车螺纹时（纵向进给运动的影响）l不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时。

l当刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时。

6.刀具的工作角度（以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度，又称实际角度）进给运动对工作角度的影响。

l车端面或切断（横向进给运动的影响）l车外圆及车螺纹（纵向进给运动的影响）刀具安装位置对工作角度的影响。

l不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时。

l当刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时。

l车端面或切断时（横向进给运动的影响）l车外圆与车螺纹时（纵向进给运动的影响）l不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时。

l当刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时。

3刀具种类l按照加工方式和具体用途分类l按照所用材料性质分类l按照结构形式，可分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等。

l按是否标准化，可分为标准刀具和非标准刀具。

第二节刀具材料机械工程学院董海2007.3前言机械加工工艺系统中，刀具是最活跃的因素。

（工具的发展水平是生产力发展的标志）刀具材料对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本都有着重要影响。

刀具技术和机床技术相结合，工件材料与刀具材料交替发展，成为切削技术不断向前发展的历史规律，对推动切削技术的发展起着决定性作用。

从某种意义上说，切削加工的发展史可归结为刀具材料的发展史，刀具材料的每一次进步几乎都给切削加工带来一次革命。

本讲主要内容1.刀具材料应具备的性能2.常用刀具材料、其突出性能特点和应用范围l碳素工具钢和合金工具钢l高速钢l硬质合金（包括涂层硬质合金）l陶瓷l超硬材料（金刚石和立方氮化硼）3.刀具材料的最新发展趋势1刀具材料应具备的性能l高的硬度l高的耐磨性l足够的强度和韧性l高的耐热性l良好的热物理性能和耐热冲击性能l良好的工艺性基本概念o硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。

o耐磨性材料抵抗磨损的能力。

o耐磨性的相关因素硬度、弹性模量、断裂韧性、显微组织、化学成分和温度等因素。

o强度材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

o断裂韧度反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的指标。

o导热性的相关因素导热系数、弹性模量、抗拉强度、热膨胀系数等因素。

2常用刀具材料、其突出性能和应用范围碳素工具钢（T10A、T12A等）和合金工具钢（9SiCr、CrWMn等）硬度HRC60-64，耐热性低于200，工艺性好，可进行热处理。

目前只应用于手工工具（锉刀等）和低速机动工具（丝锥、板牙、拉刀等）碳素工具钢和合金工具钢高速钢（指加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢）（1898年，美国F.W.Taylor和M.White研制成功，以切削速度高而得名）突出性能：

硬度63-70HRC，耐热性可达500-650，抗弯强度为2.9-3.9GPa（硬质合金的2-3倍，陶瓷的5-6倍），具有良好的工艺性（可进行热处理）。

主要品种：

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Co8、W6Mo5Cr4V2Al.应用范围：

用于加工250280HB以下的大部分结构钢和铸铁，主要用作复杂刀具如钻头、丝锥、铰刀、拉刀、铣刀、齿轮刀具和成形刀具。

高速钢刀具应用（球头铣刀）高速钢刀具应用（钻头、铰刀）硬质合金（由难熔的金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成）（1925年，德国人K.Schroter发明）突出性能：

硬度高达89-93HRA（高速钢为82-86HRA），耐热性达850-1000，但抗弯强度0.91.5GPa,断裂韧性也较差。

（成分性能基础：

WC的导热系数121W/（m.k）TiC的导热系数21W/（m.k）K类的抗弯强度高于P类WC的耐热性低于TiC硬质合金焊接车刀硬质合金机夹可转位刀具K类（YG类）硬质合金ISO编号K01K05K10K20中国编号YG3XYG6XYG6YG8Co（%）3668硬度HRA91.59189.589强度GPa1.11.41.451.5P（YT）类硬质合金ISO编号P30P20P10P01中国编号YT5YT14YT15YT30TiC（%）5141530Co（%）10864硬度HRA89.590.59192.5强度GPa1.401.21.150.9M（YW）类硬质合金ISO编号M10M20中国编号YW1YW2Co（%）68硬度HRA91.590.5强度GPa1.21.35M（YW）类硬质合金添加TaC、NbC后，提高了硬质合金的疲劳强度、抗弯强度和断裂韧度，同时也提高了高温强度和高温硬度、抗氧化能力，但是价格相对提高。

目前主要用于不锈钢、耐热钢、高锰钢的粗、半精加工。

N类硬质合金（金属陶瓷类）成分发生改变TiC和Ni、Mo硬度有所提高（最高达94HRA），耐磨性好，抗月牙洼磨损能力强，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲和力小，摩擦系数小，抗粘结能力强，但抗弯强度和断裂韧性差。

目前主要用于钢和铸铁的精加工和半精加工。

（但这种刀具不适合重切削和断续切削）硬质合金的应用范围1.YG类用于加工铸铁、有色金属及非金属材料2.YT类用于加工钢类3.YT类不用于加工钛合金和含钛的不锈钢4.YG类可用于高强度钢、奥氏体钢、高温合金的粗加工5.YT类可用于铸铁类的高速精加工6.YW类用于不锈钢、高锰钢、耐热钢的粗、半精加工7.金属陶瓷（N类）用于钢和铸铁的精加工和半精加工。

涂层硬质合金（化学气相沉积法CVD和物理气相沉积法PVD）oCVD涂层oMT-CVD中温化学气相沉积法主要是Ti（CN）+Al2O3oPVD主要是涂层TiAlN和TiN，优点是基本不破坏基体硬度和涂层厚度可精确控制、涂层微韧性特点。

oZX涂层TiN和AlN交互涂层，可达2000层，每层1nm。

可以达到CBN的硬度。

oCVD金刚石（薄膜和厚膜）o涂层陶瓷和多晶立方氮化硼涂层硬质合金的历史发展o1969年，世界上第一片涂层硬质合金在山特维克问世（TiC）。

后来发展了Al2O3涂层。

o1982年，PVD涂层研发成功。

（TiN、TiCN、TiAlN、TiB2）因为它具有降低涂层温度和涂层微韧性的优点。

此外,与CVD涂层相比,涂层无裂纹。

o1994年，MTCVD涂层研发成功。

TiC/TiCN/TiN涂层作内层，Al2O3涂层做外层。

这种工艺的特征是它能产生强硬的柱状结构,可增强涂层粘结强度,提高各种各样机械负荷的能力。

柱状TiCN对于抗侧面磨损产生强烈影响。

o多层PVD涂层（“超晶格”）、多层CVD涂层（TiCN/Ti和ZrN等）、纳米晶超硬涂层TiAlSiN。

涂层硬质合金的性能特点o涂层硬质合金刀具可以有比基体高得多的硬度。

o涂层硬质合金刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能。

o涂层硬质合金具有低的摩擦系数。

但是：

o涂层硬质合金的锋利性、韧性、抗剥落性和抗崩刃性均不及未涂层刀片，故在小进给切削、高硬度材料和重载切削时，还不太适用。

也不适合切削高温合金、钛合金及某些非金属和有色金属。

山特维克公司的硬质合金涂层部分产品山特维克公司的硬质合金涂层部分产品oGC2015CVDTi（C,N）-Al2O3-TiN9oGC2025CVDTi（C,N）-Al2O3TiN5.5oGC2035PVDTiAlN-TiN4oGC2135CVDTi（C,N）-Al2O3-TiN4oGC2145PVDTiAlN-TiN4oGC3005CVDTi（C,N）-Al2O3TiN9oGC3015CVDTi（C,N）-Al2O3-TiN14oGC3025CVDTi（C,N）-Al2O3-TiN9oGC3115CVDTi（C,N）-Al2O3oGC4125PVDTiAlN-TiN4目前山特维克公司的硬质合金涂层目前山特维克公司的硬质合金涂层o牌号涂层类别涂层成分涂层厚度/moGC1015PVDTiN3oGC1525PVDTi（C,N）-TiN4oMC45PVDTi（C,N）23oN145PVDTi（C,N）24oN155PVDTiN24oGC3020CVDTi（C,N）-Al2O39oGC4015CVDTi（C,N）-Al2O3-TiN14oGC4025CVDTi（C,N）-Al2O312oGC4035CVDTi（C,N）-Al2O312oCD1810等离子CVD金刚石68