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1、,第 1 章 金属切削基础,知识点切削运动、切削用量、切削层参数、切削方式刀具几何参数刀具材料,第一章 金属切削基础,第一节 切削运动和切削要素第二节 刀具的几何角度和结构第三节 切削层参数第四节 刀具材料,第一节 切削运动和切削用量,第一节 切削运动和切削用量,完成切削加工必须具备的两个条件：切削刀具与工件之间必须有一定的相对运动；切削刃有一定的形状；,二、切削运动分析,切削运动,直线运动,旋转运动,二、切削运动分析,主运动：直接切除工件上的切削层，使之变为切屑，以形成工件新表面的运动。通常用切削速度 vc(m/s)表示。,特点：速度高、功耗大、只能有一个。,进给运动：不断地把切削层投入切削
2、的运动。通常用vf、f或 fz表示。,特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。,合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用ve表示。,工件上待切除的表面。,工件上经刀具切削后产生的新表面。,工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。,切削过程中的加工表面,各种切削加工运动和加工表面,切削用量三要素,切削速度 v 进给量 f 切削深度 ap,三、切削用量三要素,切削速度：(vc)切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度。通常以最大线速度为准,进给量：(f)工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移,切削深度(背吃刀量)：(ap)工件上已加工表面和待加工表
3、面之间的垂直距离,外圆车削的切削速度为vc=dn/1000,主运动是回转运动时，进给量单位为mm/r；主运动是直线运动时，进给量单位为mm/单行程；,第二节 刀具的几何参数,刀具切削部的构造 提示:前刀面、后刀面 刀具的几何角度定义及其标注 提示:前角、后角、主偏角,第二节 刀具的几何参数,一、刀具切削部分的结构要素,第二节 刀具的几何角度和结构,归结起来：“三面两刃一尖”,前刀面Ar,后刀面A,副后刀面A,交线,交线,主切削刃s,副切削刃s,刀尖,连接部分,一、刀具切削部分的结构要素,前刀面:切屑流过的表面后刀面:与过渡表面相对着的表面副后刀面:与已加工表面相对着的表面主切削刃:承担主要的切
4、削工作,形成已加工 表面 副切削刃:协助主切削刃切除多余金属,二、刀具标注角度参考系,前提条件：不考虑进给运动；车刀刀尖与工件中心等高；刀杆中心线与进给方向垂直；刀具的安装面与基面Pr平行；,刀 具标注角度参考系,(每个参考系由三个平面构成)正交平面参考系:基面+主剖面+切削平面 法平面参考系:基面+法剖面+切削平面 背平面参考系:基面+进给平面+切深平面,基面,基面Pr：“通过主切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面”,切削平面,切削平面Ps：通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面,主剖面,主剖面Po：通过主切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面,法平面,法平面Pn:通
5、过主切削刃上选定点，并垂直于切削刃的平面。,进给剖面(假定工作平面),进给剖面Pf：“通过主切削刃上选定点，平行于进给方向并垂直于基面的平面”,背平面(切深平面),背平面（切深剖面）Pp:“通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面和进给剖面的平面”。,刀 具标注角度参考系,(每个参考系由三个平面构成)正交平面参考系:基面+主剖面+切削平面 法平面参考系:基面+法剖面+切削平面 背平面参考系:基面+进给平面+切深平面,刀具的标注角度,明确表示刀具切削过程中的角度 前角、后角 主偏角、付偏角 刃倾角(不表示刀具的结构，表示刀具切削参数）,正交平面参考系内:基面:主偏角、副偏角、刀楔角、刀尖园弧半径 主
6、剖面：前角、后角 切削平面：刃倾角,三、刀具的标注角度,在基面内测量的角度：,主偏角：“主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,副偏角：“副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,刀尖角：“主切削刃与副切削刃之间的夹角”。r=180-(r+r),三、刀具的标注角度,在正交平面(主剖面)内测量的角度,后角：o“后刀面与切削平面的夹角”,前角：o“前刀面与基面之间的夹角”。,在切削平面内：,刃倾角：S“主切削刃与基面之间的夹角”,正交平面参考系车削外圆角度标注,假定工作平面参考系,基面:主偏角、副偏角、刀楔角、刀 尖园弧半径 进给平面(假定工作平面）:侧前角、侧后角 切深平面（背平面）：背前
7、角、背后角,重点使用正交平面参考系 标注切削过程中的刀具角度 能够对各种加工方法的刀具角度进行标注,课堂问题？,1请解释刀具基本概念：前刀面A、主后刀面A、副后刀面A、主切削刃、副切削刃,解答,前刀面A切屑沿其流出的表面。主后刀面A与过渡表面相对的面。副后刀面A与已加工表面相对的面。主切削刃 前刀面与主后刀面相交形成的刀刃。副切削刃前刀面与副后刀面相交形成的刀刃。,课堂问题？,车刀各刀具角度的概念？前角o、后角o、主偏角r、副偏角r、刃倾角s,解答,前角o在主切削刃选定点的正交平面po内，前刀面与基面之间的夹角。后角o在正交平面内，主后刀面与切削平面之间的夹角。主偏角r主切削刃在基面上的投影与
8、进给方向的夹角。刃倾角s在切削平面ps内，主切削刃与基面pr的夹角。,刀具角度的正负,前角o：前刀面与基面之间的夹角为锐角，前角为正，夹角为钝角，前角为负值。后角o：后刀面与切削平面之间的夹角为锐角，后角为正，夹角为钝角，后角为负值。刃倾角s：刀尖是主切削刃上最高点时刃倾角为正，刀尖位于主切削刃上最低点时刃倾角为负，主切削刃与基面平行时时刃倾角为零。,四 刀具的工作角度,刀具工作时的实际状况与定义参考系的假设状态不同，所以造成实际工作角度与标注角度有所不同。刀具切削时的实际切削角度通常称为刀具的工作角度。刀具的工作角度值受刀具安装位置和进给运动影响 之前的假设:前提条件：不考虑进给运动；车刀刀
9、尖与工件中心等高；刀杆中心线与进给方向垂直；刀具的安装面与基面Pr平行,刀具的工作角度,刀杆轴线安装的偏斜的影响:改变了主偏角和副偏角(也就是说：实际的主偏角和标注时的主偏角不同),2023/1/22,47,可编辑,刀具的工作角度,进给运动的影响进给量改变了合成运动的方向(从而改变了基面的位置以及其他面的位置,影响所有的角度),刀具的工作角度,刀尖的安装位置的影响刀尖安装位置的高低改变了切削速度的方向(从而改变了基面的位置以及其他面的位置,影响所有的角度),刀具工作参考系,通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。,通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。,通过
10、切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。,2刀具工作角度的分析,第三节 切削层参数,一、切削层：刀具沿进给方向移动一个进给量 f，由一个刀齿正在切削着的金属层,二、切削层的参数,切削厚度：hD“垂直于过渡表面度量的切削层尺寸”hD=fsinr(mm),切削宽度：bD“沿着过渡表面度量的切削层尺寸”bD=ap/sinr(mm),切削面积：ADAD=hDbD(mm2)对于外圆车削：AD=fap(mm2),切削层的大小和形状影响：刀具切削部分承受的载荷大小；决定了切削的尺寸和形状；,三、残留面积：,切削方式,直角切削:刀刃垂直于合成切削运动方向斜角切削:刀刃不垂直于合成切削运动方向
11、自由切削:只有一条切削刃参加工作（车外圆)非自由切削:多条切削刃参加工作(切槽）,切削方式,较强的耐磨性和耐热性,高强度与强韧性(承受切削负荷、振动与冲击),第四节 刀具材料,刀具材料耐热性是衡量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来衡量，也称热硬性,刀具材料的基本要求刀具材料需满足一些基本要求：,高硬度(常温硬度HRC60),良好的工艺性与经济性,优良导热性,（1）高硬度,刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度应在60HRC以上。对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC70HRC；硬质合金刀具硬
12、度为89HRC93HRC。,（2）高强度与强韧性,刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。如车削45钢，在背吃刀量ap4，进给量f 0.5/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。,（3）较强的耐磨性和耐热性,刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。刀具材料耐热性是用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗
13、磨损能力越强。,优良导热性,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，减少刀具磨损。刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。,良好的工艺性与经济性,刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。,刀具材料,碳素工具钢-手工工具(耐热性低)合金工具钢-手工工具(耐热性低)高速钢-常用硬质合金-常用陶瓷-超硬材料加工 金刚石-超硬材料加工 立方氮化硼-超硬材料加工,高速钢,概念：高速钢是一种含有钨、钼、铬
14、、钒等合金元素较多的工具钢 性质：、具有良好的热稳定性、具有较高强度和韧性、具有一定的硬度(6370HRC)和耐磨性,高速钢的分类,普通高速钢 钨系高速钢 钨钼钢高性能高速钢,A、钨系高速钢（简称 W18）典型牌号：W18Cr4V优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。B、钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢）典型牌号：6 Mo 5 Cr 4 V 2 优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性。缺点：高温切削性能和W18相比稍差。,普通高速钢,高性能高速钢,在通用型高速钢的基础上，通过调整基本化学成分并添加其他合金元素，使
15、其常温与高温力学性能得到显著提高例如：高碳,在W18Cr4V基础上增加0.2%含碳量，形成95W18Cr4V此外还有高钴、高钒等,高性能高速钢 优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.53倍。缺点：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。,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末冶金方法制成。硬质合金优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高。硬质合金缺点：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1/31/2，冲击韧性只有高速钢的1/41/
16、35。硬质合金力学性能：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。,硬质合金,普通硬质合金的种类,类型 我国的代号 ISO代号钨钴类-YG K钨钛钴类-YT P钨钛钽（铌）钴类-YW M碳化钛基类-YN P01(按其化学成分的不同),合金代号为YG，对应于国标K类）(YG6、YG8、YG8N)合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工。,钨钴类（WC+Co）(YG),钨钛钴类(YT),钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为YT，对应于国标P类）此类合金有较高的硬度和耐热性。合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低 粗加工一般选择Ti
17、C含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。,钨钛钽（铌）钴类(YW),钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代号为YW，对应于国标M类）(YW1、YW2)适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。,（WC+TiC+Ni+Mo）合金代号YN，对应于国标P01类。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的粗加工和低速切削。,碳化钛基类(YN)(P01),（3）超细晶粒硬质合金,超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高
18、，已接近高速钢。适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。,特殊刀具材料,1陶瓷刀具（1）材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。（2）常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（3）优点：有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高；热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，能提高表面光洁度。（4）缺点：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。（5）适用范围：高速精细加工硬材料。,（1）分类：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。（2）优点：极高的硬度和耐磨性，
19、人造金刚石硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的6080倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。（3）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。（4）适用范围：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。,金刚石刀具,3立方氮化硼刀具（1）概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。（2）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。（3）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/51/2。（4）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。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝
20、合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。,涂层刀具,（1）概念：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，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。（2）常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al2O3等（3）涂层形式：单涂层和复合涂层（4）优点：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（5）适用范围：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。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。,高速钢的知识,高速钢又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒
21、等碳化物。合金元素总量达1025%左右。在高速切削产生高热情况下(约500)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上,即红硬性。而碳素工具钢经淬火和低温回火后，在室温下虽有很高的硬度，但当温度高于200时，硬度便急剧下降，在500硬度已降到与退火状态相似的程度，完全丧失了切削金属的能力，这就限制了碳素工具钢制作切削工具用。,高速钢的热处理工艺较为复杂，经过退火、淬火、回火。退火的目的是消除应力，降低硬度。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800850预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加 热到淬火温度12201250，后油冷。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马
22、氏体，影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行23次回火，回火温度560，每次保温1小时。,(1)生产制造方法：通常采用电炉生产，近来曾采用粉末冶金方法生产高速钢，使碳化物呈极细小的颗粒均匀地分布在基体上，提高了使用寿命。(2)用途：用于制造各种切削工具。如车刀、钴头、滚刀、机用锯条及要求高的模具等。,2.主要生产厂 我国大连钢厂、重庆钢厂、上海钢厂是生产高速钢的主要生产厂。3.主要进口生产国家 我国主要从日本、俄罗斯、德国、巴西等国进口。4.种类 有钨系高速钢和钼系高速钢两大类。钨系高速钢有W 18 CR 4 V,钼系高速钢有 6 Mo 5 Cr 4 V 2 等。,2023/1/22,92,可编辑,
