机械制造技术-2

增大前角可减小切削变形，降低切削 温度，减小积屑瘤的高度
采用润滑性能优良的切削液可减少 甚至消除积屑瘤
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切削热
——机械制造技术——
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金属切削的实质
弹性变形 切离 切屑
塑性变形 挤裂
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切削热的产生
• 切削热来源于切削时消耗的变形和刀具与切 削、刀具与工件间的摩擦功。
剪切面区 切屑与前刀面接触区 后刀面与加工表面接触区
注意：热处理变形小、能锻易磨，适合于制 造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、 铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。
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常用高速钢
• 钨系高速钢：
W18Cr4V（含W 18%、Cr 4%、V 1%）：有较 好的综合性能， 在600℃时其高温硬度为 HRC48.5，刃磨和热处理工艺控制较方便，可以 制造各种复杂刀具。
f ——进给量（mm/r）;
a p ——背吃刀量（mm）;
v z y x a ,
,
——分别为的
c 、f 、 p指数。
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切削热的计算
• 忽略后刀面摩擦功、进给运动给运动功， 假定主运动所做的功全部转化为热能，则 单位时间内切削热为
Pc ——每秒钟产生的切削热（J/s）； Fc ——切削力（N）； vc ——切削速度（m/s）。
• 加工钢和铸铁； • 以TiC为主要成分用Ni和Mo作粘结剂的TiC－Ni－
Mo合金； • 硬度高，高耐磨性，较高的耐热性和抗氧化能力，
化学稳定性好，抗粘结能力强，刀具耐用度高。
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涂层刀具
• 在韧性较好的硬质合金基体或高速钢刀具 基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属 化合物而制成的；
• 涂层硬质合金刀具耐用度提高1～3倍，涂 层高速钢耐用度提高2～10倍。
• 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。
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硬质合金
注意：不是合金钢
• 硬质合金由难熔金属碳化物（如WC、 TiC）和金 属粘结剂（如Co）经粉末冶金法制成。
• 硬度、耐磨性、 耐热性都很高，硬度可达HRA 89～93，在800～1000℃还能承担切削， 耐用度 较高速钢高几十倍；当耐用度相同时，切削速度 可提高4～10倍；
• 主要用于磨具及磨料，可用于加工硬质合 金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬 度、高耐磨的材料，也可用于加工高硬度 的非金属材料与有色金属。
• 用作刀具材料时，多用于高速精车或镗削 有色金属及非金属材料。
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金刚石
• 优点：硬度高，耐磨性好，刀具耐用度比 硬质合金可提高几倍到几百倍。切削刃口 锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生 粘结或积屑瘤，加工冷硬现象较少，很适 于精密加工。
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常用高速钢
• 钨钼系高速钢：
W6Mo5Cr4V2（含W 6%、Mo 5%、Cr4%、 V2%）：碳化物分布细小、均匀，机械性能良好， 抗弯强度比W18Cr4V高10%～15%，韧性高 50%～60%；可做尺寸较大、承受冲击力较大的 刀具；热塑性特别好， 更适用于制造热轧钻头等； 磨加工性也好。
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• 可用于高硬钢、铸铁类等难加工材料零件 的车削、铣削加工。
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陶瓷
• 优点：硬度高，耐磨性、耐高温性能好， 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；
• 缺点：脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差， 易崩刃，所以使用范围受到限制。
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金刚石
• 碳的同素异形体，目前人工制造出的最坚 硬物质。
刀具材料
——机械制造技术——
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刀具材料
• 机床与刀具材料交替进展 • 金属切削的发展史可归结
为刀具材料的发展史
2
3
刀具应具备的性能
硬度和耐磨性
强度和韧性
耐热性
热物理性能和耐热冲击性能
工艺性 经济性
注意：性能中有些是相互矛盾的（如 硬度越高，耐磨性越好的材料的韧 性和抗破损能力就越差，耐热性好 的材料韧性也较差）
• 刀具材料的导热系数：刀具材料的导热系数高， 切削区的热量向刀具内部传导快，可以降低切削 区的温度；
• 周围介质：采用冷却性能好的切削液能有效地降 低切削区的温度。
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切削热的计算
Cv f a ——刀具cz与切y屑 接xp（ 触 平2 均2温） 2 度（ C ）；
C ——切削温度系数;
v c ——切削速度（m/min）;
• 当滞流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内 部的结合力时，滞流层的金属与切屑分离 而粘附在切削刃附近形成积屑瘤。
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有利方面
保护刀具 积屑瘤硬 度很高
可代替切削刃 进行切屑，减 少刀具的磨损
增加工 作前角
积屑瘤的存在， 可减小切削变
使刀具的实际工 形和切削力，
作前角增大
使切削轻快
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不利 方面
影响工件 尺寸精度
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切削热的产生
• 切削热来源于：切屑的变形功和前、后刀 面的摩擦功。
• 切削塑性材料：变形和摩擦功都较大，切 削热量大；
• 切削脆性材料：主要是刀 工接触区的摩 擦，发热量较小。
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切削热影响因素
• 工件材料的导热系数：工件材料的导热系数高， 由切屑和工件传导出去的热量就多，切削区温度 低；工件材料寻热系数低，切削热传导慢，切削 区温度高，刀具磨损快；
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刀具角度影响切削热
• 前角增大，切削热下降；
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刀具角度影响切削热
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WC-TiC-TaC－Co类硬质合金（YW）M类
• 牌号有YW1和YW2； • 可用于加工铸铁、钢、有色金属； • 在YT类中加入TaC（NbC）； • 含钴量高时强度和冲击韧度高，可用于粗加工和
断续切削；含钴量低，耐磨性、耐热性好，用于 半精加工和精加工。
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附：TiC基硬质合金 （YN）
• 立方氮化硼不仅用于磨具， 也逐渐用于车、 镗、 铣、 铰等加工。
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立方氮化硼（CBN）
• 属超硬材料（HV8000～9000） ，硬度极 高但韧性极差，很高的硬度及耐磨性，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。
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作业（每组两人分别完成） 列表描述各种刀具材料的名称、材质、特点、适应加工对
4
常用刀具材料
• 工具钢：碳素工具钢、合金工具钢、高速 工具钢；
• 硬质合金：普通硬质合金、细颗粒硬质合 金 、微颗粒硬质合金；有钨钴类硬质合金、 钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质 合金；
• 陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷； • 超硬材料：立方氮化硼、金刚石。 ……
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碳素工具钢
• 淬火后具有较高的硬度HRC≈61-65 ，价格 低廉；
时大时小，时有时无，使切削 力产生波动而引起振动
积屑瘤的顶端突出于切削刃之外， 使实际的切削深度不断变化
影响工件表 面粗造度
积屑瘤破裂后会划伤表面，加 快刀具磨损
会形成硬点和毛刺，使工件表面粗 造度值增大
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积屑瘤的控制
影响积屑瘤 的因素
控制措施
工件材料 切削用量
刀具角度 切削液等
要避免在中温、中速加工塑性材料
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附：涂层刀具
• 常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等； • 涂层厚度：硬质合金为4～5 μm，表层硬度
可达HV2500～4200； 高速钢为2 μm， 表 层硬度可达HRC 80。
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附：涂层刀具
• 高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力； • 摩擦系数低，可降低切削时的切削力及切
削温度，可提高刀具耐用度； • 具有锋利性、 韧性、 抗剥落性、抗崩刃性
• 缺点：热稳定性差，切削温度不宜超过 700～800℃；强度低、脆性大，对振动敏 感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲 合力，不能用于加工钢铁材料。
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立方氮化硼（CBN）
• 一种人工合成的新型刀具材料，由六方氮 化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。
• 可胜任高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等多 种难加工材料的半精加工和精加工，加工 精度高，表面粗糙度低，可以代替磨削加 工。
• 切削区形成热电偶的热端；刀具尾端及工 件引出端保持室温，形成热电偶的冷端。
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切削温度的测量——人工热电偶法
• 用两种预先经过标定的金 属丝组成热电偶，它的热 端焊接在测混点上，冷端 接在毫伏表上。
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注意：
①剪切面上各点温度几乎相同，说明剪切面上各点的应力 应变规律基本相同；
②前刀面上温度最高点不在切削刃上，而是在离切削刃有 一定距离的地方。
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附：粉末冶金高速钢
• 用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得 到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。
• 有效解决粗大碳化物共晶偏析问题，得到细小均 匀的结晶组织；
• 强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.5～3倍； 磨削加工性好；物理、机械性能高度各向同性， 淬火变形小；耐磨性提高20%～30%。
象。
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切屑
——机械制造技术——
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切屑的种类
切屑种类视频
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切屑的形成
切削层 金属
随着切应力、切应变逐渐 增大，达到其屈服强度时， 产生塑性变形而滑移
弹性变形 塑性变形 挤裂 切离
切削层的金属 受到刀具前刀 面的推挤后产 生弹性变形
刀具继续切入时，材 料内部的应力、应变 继续增大，当切应力 达到其断裂强度时， 金属材料被挤裂
反之抗弯强度和冲击韧度高。
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WC-TiC-Co类硬质合金（YT）P类
• 牌号：有YT5、 YT14、YT15、YT30等； • 适于加工钢料； • 不宜用于加工不锈钢和钛合金，因YT中的钛元素
和工件中的钛元素之间的亲合力会产生严重粘刀 现象； • 除WC外，还含5%～30%的TiC； • 数字为TiC的含量百分数，TiC含量提高，Co含量 降低。
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切削热的传出 车削
• 切屑——大部分，超过50% • 刀具——次于切屑，不足40% • 工件——不到10% • 周围介质——极少部分，1%
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切削热的传出 钻削
• 切屑——约28% • 刀具——约15% • 工件——超过50% • 周围介质——不足5%
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切削热的传出
• 工件、刀具材料导热系数、热容量大小直 接影响工件、刀具传出热量的多少；
• 强度和韧性小于高速钢，仅为0.9～1.5 GPa （90～150 kgf／mm）、工艺性差，切削时不能 承受大的振动和冲击负荷；
• 适于制造高速切削刀具，大多数车刀、端铣刀等 均由硬质合金制造；
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注意：切削用WC基硬质合金分为三类（P类、K类、M类）
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WC-Co类硬质合金（YG） K类
• 牌号：YG6、 YG8、 YG3X、YG6X • 较适于加工铸铁、有色金属和非金属材料； • 数字是含钴量的百分数，X代表细晶粒； • 含钴少时硬度高，耐热、耐磨性好，但脆性增加；
差及成本昂贵等缺点。
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附：涂层材料
• 常有的涂层材料有TiC涂层、TiN涂层、 TiC—TiN复合涂层、TiC-Al203复合涂层；
• 单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN 复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。
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陶瓷
• 以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（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；
注意：耐热性差，常用于制造手工工 具和一些形状较简单的低速刀具 （如拉刀、丝锥、扳牙）。
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高速钢
• 加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高 合金钢。
• 热处理后硬度可达62～66HRC, 抗弯强度约 3.3GPa；
• 有较高的热稳定性、耐磨性 、耐热性，切 削温度在500～650°C时仍能进行切削。
• 切削速度大小影响切屑带走热量多少； • 切屑与刀具接触时间的长短，也影响刀具
的切削温度。
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切削温度
• 指切削区的平均温度。 • 是切削过程中产生的切削热与切屑、工件、
刀具和介质传出的热两者综合后使切削区 形成的温度。
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切削温度的测量——自然热电偶法
• 利用工件材料和刀具材料化学成分不同组 成热电偶的两极。
• 耐热性较差250-300℃ ； • 淬火时容易产生变形和裂纹。
注意：耐热性差，常用于制造手工工 具和一些形状较简单的低速刀具 （如拉刀、丝锥、扳牙）。
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合金工具钢
• 在碳素工具钢的基础上，加入适量的合金 元素（如Cr，Si，W，Mn等）；
• 与碳素工具钢相比，其热处理变形有所减 少，耐热性提高至350-400℃。
切 屑
沿刀 具前 刀面 流出
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切屑形态改变
增大前角
提高切 削速度
减小进给量
有ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ于
使粒状切屑、 节状切屑向带 状切屑转化
使切削过 程平稳
降低加工表面 粗造度数值
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积屑瘤
• 金属的挤压和强烈摩擦，使切屑与前刀面 之间产生很大的应力和很高的切削温度。
• 当应力和温度条件适当时，切屑底层与前 刀面之间的摩擦力很大，使得切屑底层流 出速度变得缓慢，形成一层很薄的“滞流 层”。