金属工艺学(邓文英, 郭晓鹏, 邢忠文主编) 01第一章

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涂层刀片 就是在韧性较好的硬质合金(K类) 基体表面,涂敷约5μ m厚的一层TiC或TiN(氮化鈦) 或二者的复合,以提高其表层的耐磨性。
(3)人造金刚石 人造金刚石硬度极高(接 近10000 HV,而硬质合金仅达(1000~2000HV), 耐热性为700 ~ 800 ℃。
适于加工高硬度的硬质合金、陶瓷、玻璃等, 但不宜加工铁族金属。
机夹可转位式车刀的主要优点如下: (1)避免了因焊接而引起的缺陷,在相同的切削条件下刀 具切削性能大为提高。 (2)在一定条件下,卷屑、断屑稳定可靠。 (3)刀片转位后,仍可保证切削刃与工件的相对位置,减 少了调刀停机时间,提高了生产效率。 (4)刀片一般不需要重磨,有利于涂层刀片的推广使用。 (5)刀体使用寿命长,可节约刀体材料及制造费用。
4)主切削刃刃倾角
λs=+3 °,使切屑 向待加工表面排出
,不致损伤已加工 表面。
图 1-15 银白屑车刀
(3)刀具的工作角度 它是指在工作参考系中定义的刀具角度
三、刀具结构
车刀的结构形式有整体式、焊接式、机夹重磨 式和机夹可转位式等几种。
图 1-18 机夹重磨式切断刀 图 1-19 杠杆式可转位车刀
三、切削力和切削功率
1. 切削力的构成与分解 以车削外圆为例,总切
削力F一般常分解为以下三个 互相垂直的分力:
(1)切削力Fc (2)进给力Ff (3)背向力FP 分力。
总切削力F在主运动方向上的分力; 总切削力F在进给运动方向上的分力; 总切削力F在垂直于工作平面方向上的
三个切削分力与总切削力F有如下关系:
第一章 金属切削的基础知识
第一节 切削运动及切削要素
一、零件表面的形成及切削运动
1.零件表面的形成
母线
内、外圆柱表面
直线
平面
直线
轨迹 圆
直线
成形表面
母线 直线或曲线
轨迹 直线或曲线
2. 切削运动 1)主运动--使刀具和工件之间产生相对运动,
促使刀具前面接近工件而实现切削。
2)进给运动--使刀具与工件之间产生附加的相 对运动,与主运动配合,即可连续地切除切屑,获 得具有所需几何特性的已加工表面。
2. 切削力的估算 1)经验公式法
例如车削外圆时,计算FC的经验公式如下:
式中: CFc——与工件材料、刀具材料及切削条件等有关的系数; ap——背吃刀量,mm; f——进给量,mm/r; xFc、yFc——指数; KFc——切削条件下不同时的修正系数。
例如用 件外圆时:
的硬质合金车刀,车削结构钢
正交平面和假定工作平面等(图1-8)
1)基面Pr—通过切削刃某选定点,与主运动假定方 向相垂直的平面
2)切削平面Ps—通过切削刃某选定点,与切削刃相 切且垂直于基面的平面
3)正交平面(主剖面)Po —通过切削刃某选定点, 同时垂直于基面与切削平面的平面
4)假定工作平面Pf —通过切削刃某选定点,垂直于 基面并平行于假定进给运动方向的平面
也可以用粉末冶金法细化晶粒(碳化物晶粒2 ~ 5μ m),消除碳化物的偏析,适于制造各种高精度 的刀具。
(2) 硬质合金的改进 改进的方法是增添合金 元素和细化晶粒,例如加入碳化钽(TaC )或碳化 铌(NbC)形成万能型硬质合金M10(YWl )和M20 (YW2),既适于加工铸铁等脆性材料,又适于加工 钢等塑性材料。
分析切削运动
图 1-1 零件不同表面加工时的切削运动
实际的切削运动
图 1-2 切削运动
图 1-2 切削运动
二、切削用量
1. 切削速度vc 切削刃上选定点相对与工件主运动的瞬时速度
称为切削速度,以vc表示,单位为m/s或m/min。若主 运动为螺旋运动,切削速度一般为其最大线速度, vc按下式表示:
国产的硬质合金一般分为两大类: K类硬质合金 WC+Co 适于加工铸铁、青铜等脆 性材料。常用的牌号有KO1、K20、 K30等,其中数字 大的表示Co含量的百分率高。 P类硬质合金 WC+TiC+Co 适于加工钢件等塑 性材料。常用的牌号有PO1、P10、P30等,其中数字 大的表示TiC含量的百分率低。
陶瓷材料 大致可分为氧化铝( A1203 )系和 氮化硅( Si3N4)系两大类。
各国已先后研究成功多种“金属陶瓷”。如 我国制成的SG4、DT35、HDM4、P2、T2等牌号的陶 瓷材料。
3.其他新型刀具材料简介
(1)高速钢的改进 为了提高高速钢的硬度和耐 热性,可在高速钢中增添新的元素,如我国制成的 铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2A1等)。又称超高速钢。
第三节 金属切削过程
一、切屑形成过程及切屑种类
1. 切屑形成过程 切屑厚度压缩比Λh——切 屑厚度与切削层公称厚度 之比
2. 切屑的种类
(1)带状切屑 (2)节状切
(3)崩碎切屑
图 1-21 切屑的种类
二、积屑瘤
1. 积屑瘤的形成
图 1-22 积屑瘤
2. 积屑瘤对切削加工的影响 利 代替切削刃进行切削,增大了刀具实际工作前角 弊 影响尺寸精度 ,使表面变得粗糙 3. 积屑瘤的控制 1)改变工件材料的力学性能; 2)控制切削速度; 3)选用适当的切削液。
似的认为它们相等,即:
第二节 刀具材料及刀具构造
无论哪种刀具,一般都由切削部分和夹持部分 构成。刀具切削性能的优劣,取决于切削部分的材 料、角度和结构。
一、刀具材料
1. 对刀具材料的基本要求 (1)较高的硬度,常温硬度一般在60HRC以上; (2)足够的强度和韧性; (3)较好)较好的工艺性,工艺性包括锻造、轧制、焊接、 切削加工、磨削加工和热处理性能等。
图 1-14
1)采用90 °主偏角,以减小背向力,使工件变形小。
图 1-15 银白屑车刀
2)前角大(15 ° ~30 ° ),切削力小,前面上 磨有宽3~4mm的卷屑槽,卷屑排屑顺利,发热量 小,切屑呈银白色。
图 1-15 银白屑车刀
3)主切削刃磨有0.1~0.15mm的倒棱,以增加主切
削刃的强度。
图 1-9 车刀的主要角度
后角取较小值: αo =6 °~8°
。反之,主要希望减小摩擦 和已加工表面的粗糙度值,后
角可取稍大的值: αo =8°
~12°。
5)刃倾角λs 在主切削平面中测量的主切削刃与基 面间的夹角。与前角类似,刃倾角也有正、负和零 值之分(图1-14)。
车刀的刃倾角一般在-5 ° ~+5 °之间选取。有 时为了提高刀具耐冲击的性能,λs可取较大的负值。
三、切削层参数
切削层是指切削过程中,由刀具切削部分的 一个单一动作(如车削时工件转一圈,车刀主切 削刃移动一段距离)所切除的工件材料层。
切削层的尺寸和形状,通常是在切削层尺寸 平面中测量的。
1. 切削层公称横截面积AD 在给定瞬间,切削层在
切削层尺寸平面里的实际横 截面积,单位为mm2。
2. 切削层公称宽度bD 在给定瞬间,作用主
每齿进给量 用多齿刀具(如铣刀、钻头等)加工时,
刀具每转或每行程中每齿相对于工件在进给运 动方向上的位移量,以fz表示,单位为mm/z。 进给速度。
进给运动的瞬时速度,以vf表示,单位为 mm/s或mm/min。
3. 背吃刀量aP 在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向
的切削层尺寸平面中,垂直于进给运动方向测量的切 削层尺寸,称为背吃刀量,以ap表示(图1-3),单位为 mm。车外圆时,背吃刀量可以用下式计算:
(1)前面 切屑流过的表面 (2)后面
与前面相交形成主切削刃 的后面称为主后面;
与前面相交形成副切削刃 的后面称为副后面。
(3)切削刃(图1-7) 有主切削刃和副切削
刃之分。 主切削刃与副切削刃
的连接处相当少的一部分 切削刃,称为刀尖。
2. 车刀切削部分的主要角度 (1)刀具静止参考系 它主要包括基面、切削平面、
高速钢 是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具 钢。
普通高速钢如W18Cr4V是国内使用最为普遍的刀具 材料,广泛地用于制造形状较为复杂的各种刀具。
硬质合金 是以高硬度、高熔点的金属碳 化物(WC、TiC等)作基体,以金属Co等作粘结剂 ,用粉末冶金的方法制成的一种合金。常制成 形状较为简单的各种形式刀片。
四、切削热和切削温度
1. 切削热的产生、传出及对加工的影响 1)产生 (1)切屑变形所产生的热量,
是切削热的主要来源; (2)切屑与刀具前面之间的摩擦
所产生的热量; (3)工件与刀具后面之间的摩擦
所产生的热量。
2)传出 由切屑、工件、刀具及周围的介质(如空气)传出, 用高速钢车刀,不加切削液,用与之相适应的切削速度
2. 常用的刀具材料
目前, 常用的刀具材料有: 碳素工具钢、合金工具 钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。
碳素工具钢是碳质量分数较高(0.7 % ~1.2%)的优质钢 (如T10A 等),在碳素工具钢中加入少量的Cr、w、Mn、Si 等元素,形成合金工具钢(如 9SiCr等)。但由于它们的耐热 性较差,允许的切削速度不高,常用来制造一些手工工具, 如锉刀、锯条、铰刀等。
生产中常用切削层单位切削力kc 来估算切削力的大小,
kc为单位切削面积(1mm2)所需的主切削力Fc,所以 Fc = kcAD = kc bD hD ≌ kc ap f N
kc的值可从表1-2中查出。
3. 切削功率
式中:Fc——切削力,N; vc——切削速度,m/s。
机床电动机的功率PE可以用下式计算: 式中, ——机床传动效率,一般取0.75~0.85。
(4) 立方氮化硼(CBN) 硬度7300 ~9000HV , 仅次于人造金刚石,但它的耐热性和化学稳定性 都大大高于金刚石,能耐1300~1500 ℃的高温, 不但适于非铁族难加工材料的加工,也适于铁族 材料的加工。
二、刀具角度
1. 车刀切削部分的组成
车刀切削部分由三面、两刃、一尖组成。
图 1-6 外圆车刀
若主运动为往复直线运动(如刨削、插削等), 则常以其平均速度为切削速度, vc按下式表示:
2. 进给量
刀具在进给方向上相对于工件的位移量称为 进给量。
用单齿刀具(如车刀、刨刀等)加工时, 进给量常用刀具或工件每转或每行程,刀具在进 给运动方向上相对与工件的位移量来度量,称为 每转进给量或每行程进给量,以 f 表示,单位为 mm/r或mm/st。
影响因素:
1)切削用量:切削速度对温度的影响最大;
进给量次之;背吃刀量最小。
2)工件材料:强度、硬度大、切削热 大 , 温度↑
导热性好 ,散热快,
温度↓
3)刀具材料及角度: 刀具前角大,主偏角变小, 温度↓
五、刀具磨损和刀具耐用度
1. 刀具磨损的形式与过程 1)刀具磨损 的形式
切削刃截形上两个极限点
间的距离,在切削层尺寸
平面中测量,单位为mm。
3. 切削层公称厚度hD 在同一瞬间的切削层
公称横截面积与其公称宽
度之比,单位为mm。由定 义可知:
AD=bDhD mm2
因AD不包括残留面积,而且在各种加工方法中AD 与进给量和背吃刀量的关系不同,所以AD不等于f和aP 的积。只有在车削加工中,当残留面积很小时才能近
切削钢料时: 切屑传出的热约为50%~86%; 工件传出的热约为40%~10%; 刀具传出的热约为9%~3%; 周围介质传出的热约为1%。
2. 切削温度及其影响因素 切削温度一般是指切削区的平均温度。
切削碳钢切屑为淡黄色时,切削温度约为200 ℃ ,蓝色 约为320 ℃ 。
切削温度也可以用以下经验公式进行估算:
(2)车刀的主要角度(图1-9)
1)主偏角κr 在基面中测量的
主切削平面与假定工作平面的 夹角。
2)副偏角κr ′ 在基面中测量的
副切削平面与假定工作平面的 夹角。
图 1-9 车刀的主要角度
主偏角对切削层参数的影响
图 1-10 主偏角对切削层参数的影响
图1-11 主、副偏角对残留面积的影响
主、副偏角应根据工件的刚度及加工要求选 取合理的数值。一般车刀常用的主偏角有45°、 60°、75°、90°等几种;副偏角为5°、15°, 粗加工时取较大值。
3)前角γo 在正交平面中测量的前面与基面间的夹角。
图 1-9 车刀的主要角度
图 1-12 前角的正与负
用硬质合金车刀切
削结构钢件, γo 可取
10 ° ~20 ° ;切削灰
铸铁件, γo可取5 °
~15 °等。
4)后角αo 在正交平面中测量的刀具后面与切削平面
件的夹角。
粗加工或工件材料较 硬时,要求切削刃强固,
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