金属切削过程及其控制.ppt

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1、1,刀具切削性能的优劣取决于:刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。,材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。,3.3.3 常用刀具材料,2,1.刀具材料应具备的性能,切削时刀具要承受:高温、高压、摩擦和冲击的作用,刀具材料须满足以下基本要求:,1)高的硬度,常温硬度HRC60以上。刀具硬度工件的硬度,2)高的耐磨性,保证刀具的尺寸精度,3)足够的强度与韧性,能承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刀。,4)高的耐热性(热稳定性),在高温下保持:硬度、耐磨性、强度、韧性、化学稳定性。,刀具材料的导热性要好,不会因受到大

2、的热冲击,产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。,5)良好的热物理性能和耐热冲击性能,刀具材料应具有好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等。而且要追求高的性能价格比。,6)良好的工艺性和经济性,4,5,工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢)硬质合金、陶瓷、金刚石(天然和人造)立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢,因其耐热性很差,目前仅用于手工工具。,常用刀具材料,6,2.高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、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,陶瓷的56倍);,2)韧性高(比硬质合金高几十倍);,5)可加工性好,热处理变形较小。,3)

3、具有一定的硬度(HRC6370),且有较好的耐磨性;,4)且有较好的耐热性(500600);,分类,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)。,应用:,按制造工艺可分为:熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。,按用途可分为:通用高速钢和高性能高速钢。,通用型高速钢(含碳量0.70.9%,6266 HRC)钨系高速钢 W18Cr4V 钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 高温塑性好 主要用于一般材料的常规加工,速度不高于50m/min.,高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素,使其常温硬度可达6770HRC,耐磨性与热稳定性进一步提

4、高。典型牌号有:W6Mo5Cr4V2Co8、W6Mo5Cr4V2Al。主要用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料,加工普通材料可达90m/min.,粉末冶金高速钢 适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。,(表32)常用高速钢的力学性能,涂层高速钢。是采用物理气相沉积(PVD)方法,刀具表面生成TiN,其厚度一般为28m。特点:切削力、切削温度约下降25%,切削速度、进给量和刀具寿命显著提高。适合在钻头、丝锥、成形铣刀和切齿刀具上应用。,11,常用高速钢牌号及其应用范围,13,3.硬质合金,是用具有高耐磨性和高耐热性的金属碳化物粉末(WC、TiC、

5、TaC、NbC等)金属粘接剂(Co、Ni等)高压成形后高温烧结而成。,成分:WC(TiC、TaC)Co(Ni),特点:,高硬度(HRA8993相当于HRC 7482);高耐磨性,高耐热性(8501000),切削速度可达100300m/min;抗弯强度低和抗冲击振动性能差,很少用于制造整体刀具。,14,分类,钨钴类硬质合金 K(YG)类(WCCo),Co含量抗弯强度、韧性、耐磨性。,用途:加工铸铁和有色金属等脆性材料。,特点:,牌号:YG8、YG6、YG6X、YG3、YG3X,强度、韧性好,耐磨性、耐热性稍差。,常用硬质合金的牌号及其应用范围,钨钛钴类硬质合金 P(YT)类(WCTiCCo),用

6、途:高速切削结构钢和合金钢等塑性材料。,牌号:YT5、YT14、YT15、YT30,特点:耐磨性、耐热性好,强度、韧性较差。,TiC含量耐磨性 抗弯强度、韧性。,17,抗弯强度、韧性、进给量,硬度、耐磨性、切削速度,常用硬质合金的牌号及其应用范围,钨钛钽(铌)类硬质合金 M(YW)类(WCTiCTaC(碳化钽)(NbC(碳化铌)Co),牌号:YW1(M10)、YW2(M20),特点:强度、韧性,耐热性,耐磨性。,用途:即可加工铸铁和有色金属,又可加工钢材及高 温合金和不锈钢等难加工材料。,用途:高速精加工钢材。,镍钼钛类硬质合金YN类(TiCNiMo),牌号:YN05、YN10,特点:高硬度、

7、高耐磨性、高耐热性和抗氧化性,但强度和韧性降低。,19,特 点:外硬内韧,耐磨性、耐热性、抗氧化性和抗粘结性,但锋利性、抗剥落性和抗崩刃性,成本比较高。,在韧牲较好的刀具基体上,涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物,既能提高刀具材料的耐磨性,又不降低其韧性。,4.涂层刀具材料,涂层方法:化学气相沉积法(CVD法,1000)和物理气相沉积法(PVD法,500)。,常用的涂层材料有:TiC、TiN、Al203及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。,20,5.陶瓷刀具材料,以氧化铝Al2O3或氮化硅Si3N4为基体再添加少量金属,在高温下烧结而成的一种刀具材料。,特点:硬度高,耐磨性、耐高温性能好

8、,有良好的化学稳定性和抗氧化性,与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强。,用途:可用于钢、铸铁类零件的高速车削、铣削加工,并可切削难加工的高硬度材料。,21,陶瓷刀具是以氧化铝(Al2O3)或以氮化硅(Si3N4)为基体,添加少量金属在高温下烧结而成的。特点:高硬度和耐磨性。常温硬度达9195HRC,可以切削60HRC以上的硬材料。高的耐热性。高温下强度、韧性降低较少。高的化学稳定性。在高温下有较好的抗氧化、抗黏结性能。低的摩擦因数。切屑不易粘刀,不易产生积屑瘤。强度和韧性低。承受冲击载荷的能力较差。热导率低。抗热冲击性能较差。,5.陶瓷刀具材料,22,可加工硬度高达65HRC的高硬度难加工;

9、可进行扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削;刀具寿命可提高几倍至几十倍;切削效率提高310倍,可实现以车铣代磨。,与传统硬质合金相比,有下列优点:,用途:适用于高速精细加工硬材料,新型的陶瓷刀具也能半精、粗加工多种难加工材料。,23,6.立方氮化硼(CBN),立方氮化硼(CBN)是一种人工合成的新型刀具材料,它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。,特点:它有很高的硬度及耐磨性;可耐13001500的高温,热稳定性好;化学惰性大,与铁系金属在1300时不易 起化学反应;导热性好,摩擦系数低。,用途:)可用于冷硬铸铁、淬硬钢的粗车和精车加工。)高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的

10、高速切削。,24,聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN作为主要成分与结合剂在高温高压下烧结而成的聚晶体,结合剂主要有金属型(以CO、Ni为代表)或陶瓷型(以TiC、TiN、Al2O3为代表)。,聚晶立方氮化硼(PCBN),特点:1.具有较高的硬度和耐磨性 硬度一般为30005000HV。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具的50倍、涂层硬质合金刀具的30倍、陶瓷刀具的25倍。,25,3.具有优良的化学稳定性 CBN的化学惰性特别大,在12001300时也不与铁系材料发生化学反应,在中性、还原性的气体中,对酸、碱都是稳定的;其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多,因此PCBN刀具特别适合

11、加工钢铁材料。,2.具有很高的热稳定性 PCBN在800时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。因此PCBN刀具适于加工淬硬钢、铸铁、高温合金钢等高硬度耐磨材料。,26,金刚石是碳的同素异形体,是目前最硬的物质,其显微硬度达10000HV。(1)天然单晶金刚石刀具 主要用于非铁材料及非金属的精密加工。特点:单晶金刚石结晶界面有一定的方向,不同晶面上硬度与耐磨性有较大的差异,刃磨时须注意选择刃磨平面。(2)人造聚晶金刚石(PCD)人造金刚石是通过合金触媒的作用,在高温高压下由石墨转化而成。特点:人造聚晶金刚石抗冲击强度高,可选用较大的切削用量。结晶面无固定方向,可自由刃磨。,7.金刚石,27,(

12、3)金刚石烧结体 在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的聚晶金刚石。特点:强度较好,能进行断续切削,可多次刃磨。主要用于有色金属的高速精细切削。金刚石不是碳的稳定状态,遇热易氧化和石墨化,用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜加工铁族元素,因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力强,刀具寿命低。,常用刀具材料可切削的主要工件材料,29,应当指出,加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金,只有在加工难加工材料时,才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢,在加工高硬度材料或精密加工时,才考虑选用超硬材料。,30,磨削:用带有磨粒的工具(砂轮、砂带、油石等)对工件进行加工的方法

13、。,工具:砂轮(磨料结合剂)制坯、干 燥、焙烧、修整。,砂轮特性:由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、及形状尺寸等因素决定。,3.3.4 磨料与磨具,31,是构成砂轮的主要成分,直接担负切削工作。,磨料,1磨料,磨料应具备的特点:具有高硬度、高耐热性和一定的韧性,在磨削过程中受力破碎后还要能形成锋利的几何形状。,磨料的种类分为:氧化物系、碳化物系和超硬磨料系,32,表3-3 磨料的特性和使用范围,33,氧化物系碳化物系超硬材料,棕刚玉白刚玉,普通钢材淬火钢、高速钢,黑碳化硅绿碳化硅,铸铁、有色金属硬质合金等硬脆材料,人造金刚石立方氮化硼,高硬材料难加工材料,34,粒度即磨料颗粒的大小,对加工表面

14、粗糙度和磨削生产率影响较大。,分为两个级别:,粒度,磨粒(40m)微粉(40m),每英寸筛网长度上的筛孔数表示,一般磨削(荒磨)12#46#粗磨、半精磨、精磨 46#80#精密磨、珩磨 100#280#,以颗粒最大尺寸的微米数表示,精密磨:珩磨、研磨 W40W28 超精密磨、镜面磨 W20W5,磨削硬度低、塑性大的工件材料和磨削面积较大时,为避免砂轮堵塞,可采用粗粒度的砂轮。,(表34)常用粒度及使用范围,36,将磨粒粘结成有一定强度和形状的砂轮,分为:,结合剂,陶瓷结合剂树脂结合剂橡胶结合剂金属结合剂,结合剂的作用,影响:砂轮的强度、抗冲击性、耐热性。,37,(表38)常用结合剂的性能及选用

15、,38,磨粒在磨削力的作用下从砂轮表面脱落的难易程度,反映了磨粒与粘合剂的粘结强度和自砺性。,硬度,砂轮硬度高,磨未淬硬钢 LN 磨淬硬钢 HK磨硬质合金 HJ 精密磨 KL,砂轮硬度低,磨粒易脱落,磨粒不易脱落,39,工件硬度较低时,应选用较硬的砂轮;砂轮与工件接触面较大时,选用较软的砂轮;磨薄壁件及导热性差的工件时选用较软的砂轮;精磨和成形磨时,应选用较硬的砂轮;砂轮粒度号大时,应选用较软的砂轮。,砂轮硬度选择原则:,40,组织磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系,磨料所占比例越大,组织越紧密,气孔少 反之,组织疏松,气孔多,组织,组织号:012组织号越大磨粒所占体积越小砂轮越疏松气孔就越

16、多砂轮不易被切屑堵塞冷却液或空气带入磨削区散热条件改善。,常用:47,41,6.砂轮的形状、用途及选择,42,43,P-3005075-A60L5V-35m/s,P砂轮形状代号:平形砂轮,砂轮的标志实例:,300 砂轮外径:300mm,50 厚 度:50mm,75 内 径:127mm,A 磨 料:棕刚玉,60 粒 度:60#,L 硬 度:中软,5 组 织 号:5号(中等),V 结 合 剂:树脂(V),35 最高线速度:35m/s,砂轮选择依据:工件材料的性质、要求的表面粗糙度和金属磨除率。,选择原则:,1)磨钢,选刚玉类砂轮;磨硬铸铁、硬质合金和非金属材料,选碳化硅砂轮。,2)磨软材料,选硬砂

17、轮;磨硬材料,选软砂轮。,3)磨软而韧的材料,选粗磨粒;磨硬而脆的材料,选细磨料。,4)工件粗糙度要求低时,选细磨粒;金属切除率要求高时,选粗磨粒。,5)要求加工表面质量高时,选用树脂或橡胶结合剂的砂轮;要求最大金属切除率时,选用陶瓷结合剂的砂轮。,45,加工下列工件,请选择合理的刀具材料(简述选择理由并写出具体牌号)。1.精车黄铜轴.2.粗车45钢轴.3.拉削45钢内孔.4.精车淬硬钢.,课堂练习,46,1 粗铣灰铸铁箱体平面应该采用()刀具材料。A YT5 B.YG3 C.W18Cr4V D.YG82 拉削 45钢花键应该采用()刀具材料。A.YG3 B.YT5 C.W18Cr4V D.CBN3 通过切削刃选定点,与已加工表面相切的平面称为()。A 切削平面 B进给平面 C 基面 D 主剖面4 砂轮的粒度表示。精磨时,应选择粒度号较 的砂轮;砂轮与工件接触面积较大时,选用粒度号较 的砂轮。,课堂练习,47,K类(YG类)硬质合金,48,P(YT)类硬质合金,49,M(YW)类硬质合金,50,硬质合金涂层机夹可转位刀片,51,52,A,o,0,53,

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