刀具材料及切削工藝

切削工藝、刀具材料及刀具刃磨

機加工張博眾第一章切削加工的基本知識本章的主要內容：一、切削運動及切削要素（零件典型表面、切削用量、切削層幾個參數(shù)）二、刀具及刀具材料（刀具材料、刀具標注角度、工作角度、刀具磨損、刀具耐用度等）三、金屬切削過程中的各種物理現(xiàn)象（切屑形成、積屑瘤、切削力、切削功率，切削熱、切削溫度）四、圍繞切削加工的主要經濟指標（產品質量、生產率、經濟性），合理選擇切削用量、切削液。

五、材料切削加工性的概念和衡量指標，及改善的主要途徑。

第一節(jié)切削運動和切削要素一、零件的加工表面及切削運動任何一種機電產品都是由許多零件組成，每一個零件的幾何形狀雖不同，但分析起來主要由三種典型表面構成：即內、外圓柱面，平面，成形面等。

2．切削運動：刀具與工件之間的相對運動稱為切削運動。按其功能的不同，切削運動分為主運動和進給運動。主運動：消耗功率最大進給運動：與主運動配合，可以保持切削的連續(xù)進行，以形成零件的幾何表面。

總結：常用機床的主運動與進給運動：

車削

銑削

刨削

平面磨削主運動：工件旋轉

刀具旋轉

滑枕帶刀具往

砂輪旋轉運動復直線移動進給運動：刀具運動

工件移動

工件間歇移動

工作臺移動

砂輪移動

切削運動有旋轉的、直線的、曲線的、連續(xù)的和間歇的等運動形式。工件加工表面以車削為例，工件在車削過程中有三個不斷變化著的表面

待加工表面—即將被切除金屬層的表面

已加工表面—已經切去一部分金屬而形成的新表面

加工表面—切削刃正在切削的表面

二、切削用量三要素：切削用量是用來衡量切削運動的大小。在一般的切削過程中，包括切削速度、進給量和背吃刀量三要素。切削用量的變化對零件加工質量和生產率有十分重要的影響。

1）切削速度Vc：在單位時間內，工件與刀具沿主運動方向相對移動的距離。以車削加工為例（主運動為旋轉運動）：

d：工件（或刀具）直徑（mm）n：工件（或刀具）轉速（r/s或r/min）刨削加工為例（主運動為往復直線運動）L----往復行程長度，mmnr----主運動每秒或每分鐘的往復次數(shù)，st/s或st/min

2）進給量：刀具在進給運動方向上相對于工件的位移

f(mm/r)如車削加工：工件每轉一轉，刀具相對工件的位移

mm/r。牛頭刨床：刀具每走一個行程，在進給方向上相對于工件的位移，mm/st對于多齒刀具加工時，進給運動的瞬時速度稱為進給速度，即

（每轉的位移×每秒多少轉）

（每齒進給量fz×刀具齒數(shù)z×每秒多少轉）

(mm/s或mm/min)3）背吃刀量(切削深度)ap(mm)：切削加工時，待加表面與已加工表面間的垂直距離(mm)，也就是垂直于進給運動方向上主切削刃切入工件的深度。

dw：待加工表面

dm：已加工表面

在切削層尺寸平面中，垂直于進給方向測量的切削層尺寸。第二節(jié)刀具材料及及刀具結構構刀具材料是是決定刀具具切削性能能的根本因因素，對于于加工效率率，加工質質量、加工工成本及刀刀具耐用度度影響很大大。使用碳工具具鋼作為刀刀具材料時時，切削速速度只有10m/min20世紀初出現(xiàn)現(xiàn)了高速鋼鋼刀具材料料，切削速速度達到幾幾十米每分分30年代出現(xiàn)硬硬質合金，，切削速度度提高到每每分鐘一百百米至幾百百米陶瓷刀具和和超硬材料料刀具，使使切削速度度達到每分分鐘1000米以上。一、刀具材材料：在切削加工工時，刀具具材料要在在高溫條件件下承受較較大的切削削力、摩擦擦、沖擊、、振動。為為了保證零零件的加工工精度和刀刀具的耐用用性，刀具具材料必須須具有特殊殊的綜合性性能。1）刀具材料料的主要性性能要求：：高硬度及耐磨性足夠的強度及沖擊韌性高耐熱性良好的工藝性和經濟性常用刀具材材料1.高速工具鋼鋼特點：合金金元素鎢、、鉻、鉬、、釩含量較較高，淬火火硬度可達達HRC62-70。在6000攝氏度高溫溫下仍能保保持較高的的硬度。刃口強度和和韌性好，，抗振性強強，可用于于制造切削削速度一般般的刀具，，剛性較差差的機床，，采用高速速鋼刀具仍仍能順利切切削。工藝性能好好，鍛造、、加工和刃刃磨都比較較容易，還還可制造形形狀較復雜雜的刀具。。與硬質合金金相比，硬硬度較低，，紅硬性和和耐磨性較較差。2.硬質合金金屬碳化物物，碳化鎢鎢，碳化鈦鈦和以鈷為為主的金屬屬粘結劑經經粉末冶金金工藝制造造而成。主要特點：：耐高溫，在在800-10000攝氏度仍可可保持良好好的切削性性能。切削削時可選用用比高速鋼鋼高4-8倍的切削速速度。常溫時，硬硬度高，耐耐磨性好。?？箯潖姸鹊偷停瑳_擊韌韌性差，刀刀刃不易磨磨得很鋒利利。常用硬質合合金可分為為三大類：：鎢鈷類硬質質合金：常常用牌號YG3/YG6/YG8，數(shù)字表示示含鈷量的的百分比。。含量越高高，韌性，，抗振性及及耐沖擊性性越高;同時硬度和和耐磨性越越低。適用用于切削鑄鑄鐵及有色色金屬。鈦鈷類硬質質合金：常常用牌號YT5/YT15/YT30。數(shù)字表示示碳化鈦含含量的百分分率，含量量越高，硬硬度與耐磨磨性越高，，抗彎強度度和韌性越越差。常用用來切削鋼鋼類零件。。通用硬質合合金：以上上兩種硬質質合金中加加入稀有金金屬碳化物物，提高其其常溫及高高溫硬度，，耐磨性、、粘結溫度度和抗氧化化性，也能能使合金的的韌性有所所增加，具具有良好的的綜合切削削性能和通通用性。牌牌號：YW1/YW2/YA6。價格較貴貴，主要用用于加工難難加工材料料，如高強強度鋼，耐耐熱鋼，不不銹鋼等。。高速切削3）常用刀具種種類常用刀具種種類切刀孔加工刀具具拉刀銑刀螺紋刀具齒輪刀具磨具第三節(jié)金屬切削過過程一.切屑形成過過程及切屑屑種類二.積屑瘤；三.切削力和切切削功率；；四.切削熱和切切削溫度五.刀具磨損及及耐用度1．切屑的形形成過程材料在刀具具及切削力力作用下，，經過彈性變變形→塑性性變形(OA-0B)→被擠裂(切斷）。ＢＡ工件刀具Ｏυ在切削過程程中，被切切金屬層在在前刀面的的推動作用用下產生剪剪應力，當當剪應力達達到并超過過工作材料料的屈服極極限時，被被切金屬層層將沿著某某一方向產產生剪切滑滑移變形而而逐漸累積積在前刀面面上，隨著著切削運動動的進行，，這層累積積物將連續(xù)續(xù)不斷的沿沿前刀面流流出，從而而形成了被被切除的切切屑金屬切削層層的變形金屬切削層層的三個變變形區(qū)第一變形區(qū)區(qū)從從OA線開始發(fā)生生塑性變形形，到OD線晶粒的剪剪切滑移基基本完成第二變形區(qū)區(qū)切切屑沿刀刀具前面排排出時，進進一步受到到前面的擠擠壓和摩擦擦，使靠近近前面處的的金屬纖維維化，其方方向基本上上和前面相相平行第三變形區(qū)區(qū)已已加工面面受到切削削刃鈍圓部部分與刀具具后面的擠擠壓和摩擦擦，產生變變形與回彈彈，造成纖纖維化與加加工硬化三個變形區(qū)區(qū)匯集在切切削刃附近近，此處的的應力比較較集中而復復雜，金屬屬的被切削削層就在此此處與工件件母體材料料分離，大大部分變成成切屑，很很小的一部部分留在已已加工表面面上ＡＢＣＤＥ切削層刀具工件ⅠⅢⅡＯ金屬切削層層的變形第一變形區(qū)區(qū)內金屬的的剪切變形形主要特征沿沿滑移線的的剪切變形形，以及隨隨之產生的的加工硬化化工件原材料料的晶粒AB變成A’B’受到切應力力時，晶格格內的晶面面就發(fā)生滑滑移，就是是剪切面方方向晶粒伸長方方向即金屬屬纖維化的的方向A”B”纖維化方向向與剪切面面方向不重重合，夾角角ψ金屬切削層層的變形第一變形區(qū)區(qū)內金屬的的剪切變形形晶粒伸長方方向即金屬屬纖維化的的方向纖維化方向向與剪切面面方向不重重合，夾角角ψ剪切面在在一般般切削速度度范圍內，，寬度僅約約0.2~0.02mm，OM剪切角剪剪切面面和切削速速度方向的的夾角φ塑性金屬的的切削過程程模擬示意意圖剪切角φ對于同一工工件材料，，用同樣的的刀具，切切削同樣大大小的切削削層，當切切削速度高高時，φ較大，剪切切面積變小小，切削比比較省力，，說明切屑屑變形較小小。須用某某種方法來來表示切削變變形程度變形系數(shù)ξ〉1切屑厚度與與切削層厚厚度之比ξa切削層長度度與切屑長長度之比ξL在金屬切削削過程中，，經過塑性性變形的切切屑，其外外形與原切切削層不同同，其切屑屑層的厚度度ach要大于切削削層厚度ac，而切屑層層的長度Lch要小于切削削層Lc，這種現(xiàn)象象稱為切屑屑收縮。變形系數(shù)對對切削力、、切削溫度度及表面粗粗糙度Ra都有重要的的影響變形系數(shù)愈愈大，則切切削力愈大大、切削溫溫度愈高，，表面愈粗粗糙。增大前角，，或降低材材料塑性，，可減小變變形系數(shù)§。2．切屑種類類：帶狀切切屑、節(jié)狀狀切屑，崩崩碎切屑等等多種帶狀切屑節(jié)狀切屑崩碎切屑不同的切屑屑種類對切切削力平穩(wěn)穩(wěn)性，表面面粗糙度，，機床振動動和生產安安全性均有有影響。帶狀切屑：切削塑性材料時采用用大前角，較高的切削速速度和較小的進給量量容易形形成帶帶狀切屑。。形成帶狀切切屑時，切切削力平穩(wěn)穩(wěn)，加工表表面光潔，，但不安全全。節(jié)狀切屑：當采用較較低的切削削速度和較較大的進給給量容易形形成節(jié)狀切切屑。形成節(jié)狀切切屑時，切切削力波動動大，產生生振動，加加工表面粗粗糙。崩碎切屑：切削鑄鐵鐵、青銅等等脆性材料時容易易形成崩碎碎切屑。形成崩碎切切屑時刀尖尖磨損嚴重重，產生振振動，影響響加工表面面質量。切屑形狀應應通過改變變切削條件件、刀具角角度和材料料性能來獲獲得所需要要的切屑，，以保證加加工的勝利利進行。形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達到斷裂程度局部剪切應力達到斷裂強度剪切應力完全達到斷裂強度未經塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小，刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大，刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料，刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小，妨礙切削工作，應設法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑切屑類型及形成條件切屑類型帶狀切屑Real擠裂切屑Real單元切屑Real崩碎切屑Real圖3-6切屑形態(tài)照照片國際標準化化組織的切切屑分類法法切屑的類型型及控制切屑的類型型（按外形形，影響切切屑處理和和運輸）帶狀屑高速切削塑塑性金屬，，一般應力力求避免C形屑車削一般碳碳鋼和合金金鋼時，采采用帶卷屑屑槽的車刀刀時易得，，較好長緊卷屑普通車床上上較好發(fā)條狀卷屑屑重型機床上上較好寶塔狀卷屑屑自動機或自自動線上較較好螺卷屑車削脆性材材料較好崩碎屑切屑的類型型及控制切屑的控制制采采取適當當?shù)拇胧﹣韥砜刂魄行夹嫉木砬?、流出與折折斷，使形形成“可接接受”的良良好屑形“不不可可接接受受””的的切切屑屑劃傷傷工工件件的的已已加加工工表表面面，，使使表表面面粗粗糙糙度度惡惡化化劃傷傷機機床床，，卡卡在在機機床床運運動動副副之之間間造成成刀刀具具的的早早期期破破損損甚至至影影響響操操作作者者的的安安全全衡量量切切屑屑可可控控性性的的主主要要標標準準不妨妨礙礙正正常常的的加加工工不影影響響操操作作者者的的安安全全易于于清清理理、、存存放放和和搬搬運運切屑屑控控制制措措施施前刀刀面面上上磨磨制制斷斷屑屑槽槽或或使使用用壓壓塊塊式式斷斷屑屑槽槽可轉轉位位刀刀具具二、、積積屑屑瘤瘤在一一定定范范圍圍的的切切速速下下，，切切削削塑性性金金屬屬材材料料時，，在在刀刀具具前前刀刀面面靠靠近近切切削削刃刃的的部部位位粘粘附附著著一一小小塊塊很很硬硬的的金金屬屬，，即即為為積積屑屑瘤瘤。。（1）積積屑屑瘤瘤的的形形成成：：高溫溫高高壓壓下下，，由由于于摩摩擦擦力力而而阻阻留留在在前前刀刀面面上上部部分分切切屑屑轉轉化化而而成成。。（（第第二二變變形形區(qū)區(qū)的的變變形形和和摩摩擦擦））（2）積積屑屑瘤瘤對對切切削削過過程程的的影影響響①其硬硬度度高高于于工工件件材材料料，，可可代代替替切切削削刃刃起起切切削削作作用用，，有有保保護護刀刀刃刃作作用用。。（2）積屑瘤瘤的產生生會對切切削加工工過程產產生重要要影響：：②積屑瘤可可增大前前角，使使刀具更更鋒利。。③改變了實實際切削削深度和和切削厚厚度，影影響尺寸寸精度。。④導致切削削力變化化、引起起振動。。⑤影響工件件表面粗粗糙度。。因此，由由①＋②②，在粗粗加工時時希望有有積屑瘤瘤存在。。由③＋④④＋⑤，，在精加加工時不不希望生生成積屑屑瘤。（3）控制積積屑瘤生生成的方方法：1）通過熱熱處理等等方法降降低工件件材料的的塑性2）控制切切削速度度。例如如：中碳碳鋼V＜5m/min，不易生生成V＝5―50m/min易生成V＞100m/min不易生成成3）采用適當當?shù)睦鋮s卻液，降降低切削削溫度，，減少磨磨擦等減減少生成成積屑瘤瘤。三、切削力和和切削削功率1、切削力力切切削削加工時時刀具使使切削層層形成切切屑需要要克服的的阻力切削時刀刀具需克克服來自自工件和和切屑兩兩方面的的力，即即工件材材料被切切過程中中所發(fā)生生的彈性性變形和和塑性變變形的抗抗力，以以及切屑屑對刀具具前刀面面的摩擦擦力和加加工表面面對刀具具后刀面面的摩擦擦力1）切削力力的產生生：工件材料料的變形形抗力工藝系統(tǒng)統(tǒng)變形→→精度刀具與工工件磨擦擦力切削力切削熱→→精度，，刀具與切切屑磨擦擦力表面粗糙糙切削力是是機床、、刀具和和工藝裝裝備的設設計的依依據(jù)。2）切削力力的分解解：總切削削力Fr可分解為為x、y、z三個互相相垂直的的分為：：①Fz（主切削削力）：：切削速度度方向分分力占Fr的80~90%，占消耗耗總功率率90%以上。也稱切削削力或切切向力Fz是設計機機床動力力、主傳傳動系統(tǒng)統(tǒng)零件強強度和剛剛度的主主要依據(jù)據(jù)。②Fx（進給拉拉力）：：Fr在進給方方向分力力。也稱稱進給力或或軸向力Fx方向也做做功，但但占總功功率的1~5%。是設計計計算進給給系統(tǒng)的的主要依依據(jù)。③Fy（切深抗抗力）：：Fr在切深方方向的分分力。也稱背向向力、徑徑向力、、吃刀力力Fy方向不做做功，但但Fy的大小直直接影響響工件剛剛度，引起變形形振動，，影響加加工精度度。(4)影響切削削力的因因素切削力來來源于工工件材料料的彈塑塑性變形形及刀具具與切屑屑、工件件表面的的摩擦，，因此凡凡是影響響切削過過程中材材料的變變形及摩摩擦的因因素都影影響切削削力。影影響因素素主要為為：工件件材料；；切削用用量；刀刀具幾何何參數(shù)；；其他因因素。1．切削熱熱的產生生及傳出出：產生：1）切屑變變形2）刀具與與切屑磨磨損產生切削削熱和切切削溫度度3）刀具與與工件磨磨損傳出：切切屑傳出出工件傳出出刀具傳出出周圍介質質傳出50~80%10~40%3~9%1%2．切削溫溫度及影影響因素素：切削削溫度一一般是指指切削區(qū)區(qū)平均溫溫度四、切切削熱和和切削溫溫度切削溫度度的分布布刀具前刀刀面溫度度較高其次是切切屑底層層工件表面面溫度最最低各點處溫溫度不等等最高溫度度在前刀刀面上離離切削刃刃一定距距離處影響因素素：1）切削用用量：V影響最大大，f其次,ap最小2）工件材材料：強強度、硬硬度大、、切削熱熱大溫溫度度↑導熱性好好溫溫度↓↓3）刀具材材料及角角度，導熱性好好溫溫度度↓刀具前角角大，主主偏角變變小溫溫度度↓五、刀刀具磨損損及耐用用度1.刀具磨損損形式前刀面磨磨損切削塑性性材料時時產生連連續(xù)切屑屑與前刀刀面發(fā)生生劇烈摩摩擦而引引起月牙牙洼磨損損后刀面磨磨損無論切削削塑性或或脆性材材料，后后刀面總總會磨損損前后刀面面同時磨磨損或邊界磨損損切削塑性性