金屬切削條件的合理選擇

1.5金屬切削條件的合理選擇金屬切削過程除了要求刀具具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)外，還要求刀具材料對(duì)工件要有良好的切削性能。

刀具材料(cuttingtoolmaterials)在切削時(shí)要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊、振動(dòng)，金屬切削過程中的加工質(zhì)量、加工效率、加工成本，在很大程度上取決于刀具材料的合理選擇。金屬切削原理(三)1.刀具材料應(yīng)具備的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足夠的強(qiáng)度和韌性（3）高的耐熱性與化學(xué)穩(wěn)定性（4）有鍛造、焊接、熱處理、磨削加工等良好的工藝性（5）導(dǎo)熱性好，有利于切削熱傳導(dǎo)，降低切削區(qū)溫度，延長刀具壽命，便于刀具的制造，資源豐富，價(jià)格低廉。

1.5.1刀具材料的選擇2.常用刀具材料工具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼。硬質(zhì)合金有鎢鈷類硬質(zhì)合金、鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金和鎢鈦鉭(鈮)類硬質(zhì)合金。陶瓷超硬刀具材料推廣使用新型刀具材料如涂層刀具、陶瓷刀具、天然金剛石、聚晶金剛石、立方氮化硼等。

(2)高速鋼高速鋼(highspeed

steel)是一種加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼。熱處理后硬度可達(dá)62～66HRC,抗彎強(qiáng)度約3.3GPa,有較高的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐熱性。切削溫度在500～650°C時(shí)仍能進(jìn)行切削。適合于制造結(jié)構(gòu)和刃型復(fù)雜的刀具,如成形車刀、銑刀、鉆頭、插齒刀、剃齒刀、螺紋刀具和拉刀等。按用途可分為:通用高速鋼和高性能高速鋼。按制造工藝可分為:

熔煉高速鋼、粉末冶金高速鋼和表面涂層高速鋼。按基本化學(xué)成份可分為:

鎢系和鉬系。

1)高速鋼的分類

2)常用高速鋼的牌號(hào)與性能通用型高速鋼W18Cr4V(18-4-1)由于鎢價(jià)高,熱塑性差,碳化物分布不均勻等原因,目前國內(nèi)外已很少采用。高性能高速鋼

高性能高速鋼是指在通用型高速鋼中增加碳、釩、鈷或鋁等合金元素,使其常溫硬度可達(dá)67～70HRC,抗氧化能力、耐磨性與熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高?？梢杂糜诩庸げ讳P鋼、高溫合金、耐熱鋼和高強(qiáng)度鋼等難加工材料。典型牌號(hào)有M42。粉末冶金高速鋼

粉末冶金高速鋼是用高壓氬氣或純氮?dú)忪F化熔融的高速鋼鋼水而得到細(xì)小的高速鋼粉末,然后再熱壓鍛軋制成。適用于制造精密刀具、大尺寸(滾刀、插齒刀)刀具、復(fù)雜成形刀具、拉刀等。硬質(zhì)合金(carbides)是由高硬度和高熔點(diǎn)的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NbC等)和金屬粘結(jié)劑(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工藝制成。硬質(zhì)合金刀具常溫硬度為89～93HRA,化學(xué)穩(wěn)定性好,熱穩(wěn)定性好,耐磨性好,耐熱性達(dá)800～1000°C。硬質(zhì)合金刀具允許的切削速度比高速鋼刀具高5～10倍。但強(qiáng)度、韌度均較高速鋼低,工藝性也不如高速鋼。常制成各種型式的刀片,焊接或機(jī)械夾固在車刀、刨刀、端銑刀等的刀柄(刀體)上使用。

(3)硬質(zhì)合金鎢鈷類(WC+Co);YG,屬K類鎢鈦鈷類(WC+TiC+Co);YT,屬P類鎢鈦鉭(鈮)類硬質(zhì)合金(WC+TiC+TaC+(NbC)+Co)

:YW,屬M(fèi)類1)硬質(zhì)合金的分類

2)常用硬質(zhì)合金的牌號(hào)及其性能K(YG)(鎢鈷類)類硬質(zhì)合金:有較好的韌性、磨削性、導(dǎo)熱性,適合加工短切屑的金屬或非金屬材料,如淬硬鋼、鑄鐵、銅鋁合金、塑料等。其代號(hào)有K01、K10、K20、K30、K40等,數(shù)字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用K01;半精加工可用K10,K20;粗加工選用K30。P類(YT)(鎢鈦鈷類)硬質(zhì)合金:

以WC為基體,添加TiC,用Co作粘結(jié)劑燒結(jié)而成。合金中TiC含量提高,Co含量就低,其硬度、耐磨性和耐熱性進(jìn)一步提高,但抗彎強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、特別是沖擊韌性明顯下降,適合于精加工。適合加工長切屑的黑色金屬,如鋼、鑄鋼等。其代號(hào)有P01、P10、P20、P30、P40、P50等,數(shù)字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用P01;半精加工選用P10、P20;粗加工選用P30。

M類(YW)(鎢鈦鉭(鈮)類):在YT(P)類硬質(zhì)合金中加入TaC或NbC,可提高抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、抗氧化能力、耐磨性和高溫硬度等,既適用于加工脆性材料,又適用于加工塑性材料。適合加工長(短)切屑的金屬材料,如鋼、鑄鋼、不銹鋼等難切削材料等。其代號(hào)有M10、M20、M30、M40等,數(shù)字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用M10;半精加工可用M20;粗加工選用M30。

(4)涂層刀具材料通過氣相沉積或其它技術(shù)方法,在韌牲較好的刀具基體上,涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物,既能提高刀具材料的耐磨性,又不降低其韌性。常用的涂層(coated)材料有TiC、TiN、Al203及其復(fù)合材料等,涂層厚度隨刀具材料不同而異。1）TiC涂層硬度高、耐磨性好、抗氧化性好,切削時(shí)能產(chǎn)生氧化鈦膜,減小摩擦及刀具磨損。2）TiN涂層在高溫時(shí)能產(chǎn)生氧化膜,與鐵基材料摩擦系數(shù)較小,抗粘結(jié)性能好,并能有效降低切削溫度。3）TiC—TiN復(fù)合涂層第一層涂TiC,與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂TiN,減少表面層與工件間的摩擦。4）TiC-Al203復(fù)合涂層第一層涂TiC,與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂Al203可使刀具表面具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能。目前單涂層刀片已很少應(yīng)用,大多采用TiC-TiN復(fù)合涂層或TiC-Al2O3-TiN三復(fù)合涂層。(5)其它刀具材料1)陶瓷刀具材料以氧化鋁或以氮化硅為基體再添加少量金屬,在高溫下燒結(jié)而成的一種刀具材料。其優(yōu)點(diǎn)是硬度高,耐磨性、耐高溫性能好,有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性,與金屬的親合力小、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng);其缺點(diǎn)是脆性大、抗彎強(qiáng)度低,沖擊韌性差,易崩刃,所以使用范圍受到限制;可用于鋼、鑄鐵類零件的車削、銑削加工。2)金剛石刀具材料

碳的同素異形體,在高溫、高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成,是目前人工制造出的最堅(jiān)硬物質(zhì)。由于硬度極高,耐磨性好,切削刃口鋒利,刃部表面摩擦系數(shù)較小,不易產(chǎn)生粘結(jié)或積屑瘤,可用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷等硬度達(dá)65～70HRC的材料。也可用于加工高硬度的非金屬材料,如石材、壓縮木材、玻璃等,還可加工有色金屬,如鋁硅合金材料以及復(fù)合難加工材料的精加工或超精加工。缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差,強(qiáng)度低、脆性大,對(duì)振動(dòng)敏感,只宜微量切削,與鐵有強(qiáng)烈的化學(xué)親合力,不能用于加工鋼材。3)立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是一種人工合成的新型刀具材料,它由六方氮化硼在高溫、高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)化而成。它有很高的硬度及耐磨性,熱穩(wěn)定性好,化學(xué)惰性大,與鐵系金屬在1300℃時(shí)不易起化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)熱性好,摩擦系數(shù)低。因此可用于高溫合金、冷硬鑄鐵、淬硬鋼等難加工材料的加工。

應(yīng)當(dāng)指出,加工一般材料大量使用的仍是普通高速鋼及硬質(zhì)合金,只有在加工難加工材料時(shí),才考慮選用新牌號(hào)合金或高性能高速鋼,在加工高硬度材料或精密加工時(shí),才考慮選用超硬材料。1.5.2刀具角度的選擇1.前角γO

（1）功用γO

刀刃鋒利,切屑變形切削力和切削功率刀刃和刀尖強(qiáng)度,散熱體積刀具壽命γo1Prγo2（2）選擇取決于:工件材料、刀具材料及加工要求。工件材料強(qiáng)度、硬度較低時(shí),應(yīng)取較大前角,反之應(yīng)取較小的前角。加工塑性材料時(shí),應(yīng)取較大前角,加工脆性材料時(shí),應(yīng)取較小的前角。刀具材料韌性好(高速鋼),取較大前角,反之(硬質(zhì)合金)取較小前角。粗加工時(shí),取較小前角,精加工時(shí),取較大前角。

2.后角αo

（1）功用αo

后刀面與工件的摩擦后刀面的磨損率（2）選擇取決于:加工要求、工件材料及工藝系統(tǒng)剛度。粗加工或工件材料較硬,后角取較小值;工件材料越軟、塑性越大,后角越大;工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí),適當(dāng)減小后角;3.主偏角κr

和副偏角κr′

（1）功用Kr和Kr′

刀刃強(qiáng)度表面粗糙度背向力FP殘留面積高度,散熱條件刀具壽命,工件易變形kr1Kr’kr2FpFf（2）選擇工藝系統(tǒng)剛性較好時(shí),主偏角取較小值;反之取較大值。副偏角大小取決于表面粗糙度(5°?15°),粗加工時(shí)取大值,精加工取小值。4.刃傾角λs

（1）功用（2）選擇主要影響刀頭的強(qiáng)度、切削分力和切屑的流動(dòng)方向。加工一般鋼料和鑄鐵,無沖擊時(shí):粗車λs

＝0°?－5°,精車λ

s

＝0°?+5°;有沖擊時(shí):λ

s

＝－5°?－15°;特別大時(shí):λ

s

＝－30°?－45°。切削加工高強(qiáng)度鋼、冷硬鋼時(shí):λ

λ

s

＝－30°?－45°。1.5.3刀具耐用度的選擇原則復(fù)雜的、高精度的、多刃的刀具耐用度應(yīng)選得比簡單的、低精度的、單刃的刀具高。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具,由于換刀時(shí)間短,為使切削刃始終處于鋒利狀態(tài),刀具耐用度可選得低些。對(duì)于換刀、調(diào)刀比較復(fù)雜的數(shù)控刀具、自動(dòng)線刀具以及多刀加工時(shí),刀具耐用度應(yīng)選得高些,以減少換刀次數(shù),保證整機(jī)和整線的可靠工作。精加工刀具切削負(fù)荷小,刀具耐用度應(yīng)比粗加工刀具選得高些。大件加工時(shí),為避免一次進(jìn)給中中途換刀,刀具耐用度應(yīng)選得高些。1.5.4切削用量的選擇1.選擇切削用量的原則合理切削用量是指使刀具的切削性能和機(jī)床的動(dòng)力性能得到充分發(fā)揮,并在保證加工質(zhì)量的前提下,獲得高生產(chǎn)率和低加工成本的切削用量。粗加工時(shí),一次走刀盡可能切除全部余量,被吃刀量等于加工余量。半精加工時(shí),被吃刀量取為0.5～2mm。精加工時(shí),被吃刀量取為0.1～0.4mm(1)被吃刀量的選定2.被吃刀量、進(jìn)給量和切削速度的選定(2)進(jìn)給量的選定生產(chǎn)實(shí)際中多采用查表法確定進(jìn)給量。粗加工時(shí),進(jìn)給量由機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、刀具強(qiáng)度與剛性、工件的裝夾剛度決定。精加工時(shí),進(jìn)給量由加工精度和表面粗糙度決定。(3)切削速度的選定

在ap、f值選定后,根據(jù)合理的刀具耐用度或查表來選定車削速度。在生產(chǎn)中選擇切削速度的一般原則是:

1)粗車時(shí),

ap、f較大,故選擇較低的v;精車時(shí),ap

、f

均較小,故選擇較高的v。

2)工件材料強(qiáng)度、硬度高時(shí),應(yīng)選較低的v。

3)切削合金鋼比切削中碳鋼切削速度應(yīng)降低20％～

30％;切削調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼比正火、退火狀態(tài)鋼要降低20％～30％;切削有色金屬比切削中碳鋼的切削速度可提高100％～300％;(4)刀具材料的切削性能愈好,切削速度也選得愈高。(5)精加工時(shí),應(yīng)盡量避開積屑瘤和鱗刺產(chǎn)生的區(qū)域。(6)斷續(xù)切削及加工大件、細(xì)長件和薄壁工件時(shí),應(yīng)適當(dāng)降低切削速度。(7)在易發(fā)生振動(dòng)的情況下,切削速度應(yīng)避開自激振動(dòng)的臨界速度。

3.粗、精加工選擇切削用量的原則

粗加工:首先選取盡可能大的被吃刀量;其次根據(jù)機(jī)床動(dòng)力和剛性限制條件或加工表面粗糙度的要求,選取盡可能大的進(jìn)給量;最后利用切削用量手冊(cè)選取或者用公式計(jì)算確定切削速度。

精加工:主要考慮加工質(zhì)量,常選用較小的背吃刀量和進(jìn)給量,較高的切削速度,只有在受到刀具等工藝條件限制不宜采用高速切削時(shí)才選用較低的切削速度。

1.5.5切削液選擇1.切削液的作用(1)切削液的冷卻作用(2)切削液的潤滑作用使用切削液后,切屑、工件與刀面之間形成完全的潤滑油膜,成為流體潤滑摩擦,此時(shí)摩擦系數(shù)很小;實(shí)際情況是屬于邊界潤滑摩擦,其摩擦系數(shù)