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切削刀具丨切削过程的切削变形和刀具磨损等现象处理

--金属切削刀具基础

供稿:中国工控网 2016/7/26 14:56:12

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  • 关键词: 切削刀具 切削现象
  • 摘要:切削刀具基本知识的基础上,将对切削过程中产生的切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等现象进行深入分析,揭示它们的产生机理和相互间的内在联系

切削过程是刀具从工件表面上切去多余材料的过程,伴随着切削过程的进行,将有切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等现象产生。本章在讲授切削刀具基本知识的基础上,将对切削过程中产生的上述各种现象进行深入分析,揭示它们的产生机理和相互间的内在联系。学习掌握切削过程基本理论和基本规律对控制加工质量、提高生产效率和降低生产成本具有重要意义。

一、切削加工的基本概念

(一)切削运动与切削中的工件表面

用刀具切除工件材料,刀具和工件之间必须要有一定的相对运动,它由主运动和进给运动组成。主运动是使刀具和工件间产生相对切削速度并消耗大部分切削动力的运动;刀具相对于工件的主运动速度称为切削速度。进给运动是使切削能持续进行以形成所需工件表面的运动;进给运动的速度称为进给速度。主运动和进给运动合成后的运动称为合成切削运动。

切削过程中,工件上有以下三个变化着的表面:待加工表面为工件上即将被切除的表面;已加工表面为切去材料后形成的新的工件表面;过渡表面为加工时主切削刃正在切削的表面,它处于已加工表面和待加工表面之间

(二)切削用量

切削加工中,需根据加工要求(加工质量、加工效率和加工成本)选用适宜的切削速度

、进给量 (或进给速度 )和背吃刀量,称为切削用量三要素。

1.切削速度

(m/sm/min)

切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。计算切削速度时,应选取刀刃上速度最高的点进行计算。

2.进给量

工件或刀具转一周(或每往复一次),两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量,其单位为mm/r (或 mm/双行程)。对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具,还规定每刀齿进给量,单位为mm/z

3.背吃刀量 (mm)

背吃刀量为工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。

(三)切削层参数

切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。

1.切削层公称厚度

垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度(以下简称为切削厚度) 的大小影响切削刃的切削负荷。。

2.切削层公称宽度

沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度(以下简称为切削宽度)。 值反映了切削刃参加切削的工作长度。

3.切削层公称横截面积

切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积(以下简称为切削面积  )。

二、刀具角度

切削刀具的种类繁多,结构各异,但是各种刀具的切削部分却具有共同的特征。外圆车刀是最基本、最典型的刀具,车刀的切削部分与其它各种刀具刀齿上的切削部分是基本相同的。下面以外圆车刀为例,给出刀具几何参数的有关定义。

(一)刀具切削部分的构造

刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分。外圆车刀的切削部分由以下六个基本结构要素构造而成:

1)前刀面 切屑沿其流出的刀具表面;

2)主后刀面 与工件上过渡表面相对的刀具表面;

3)副后刀面 与工件上已加工表面相对的刀具表面;

4)主切削刃 前刀面与主后刀面的交线,它承担主要切削工作,也称为主刀刃;

5)副切削刃 前刀面与副后刀面的交线,它协同主切削刃完成切削工作,并最终形成已加  工表面,也称为副刀刃;

6)刀尖 连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃,它可以是一段小的圆弧,也可以是一段直  线。

通常将刀具只有一条直线主切削刃参与切削的切削过程,称为自由切削;将曲线刃参与切削  或主、副切削刃同时参与切削的切削过程,称为非自由切削。

(二)刀具的标注角度

1.刀具标注角度的参考系

刀具要从工件上切除材料,就必须具有一定的切削角度。切削角度大小决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度,此处引入一个由以下三个参考平面组成的空 间坐标参考系:

1)基面

通过主切削刃上某一指定点,并与该点切削速度方向相垂直的平面。

2)切削平面

通过主切削刃上某一指定点,与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。

3)正交平面

通过主切削刃上某一指定点,同时垂直于该点基面和切削平面的平面。

上述三个参考平面是互相垂直的,由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系。除正交平面参考系外,常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。

2.刀具的标注角度

在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中,用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中,刀具的主要标注角度有以下五个:

1)前角

在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值,前刀面在基面之上时前角为负值。

2)后角

在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角,一般为正值。

3)主偏角

在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。

4)副偏角

在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间的夹角。

5)刃倾角

在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。

在主切削刃上,刀尖为最高点时刃倾角为正值,刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时,刃倾角为零。以刃倾角为零的刀具进行切削时,主切削刃与切削速度方向垂直,称作直角切削;以刃倾角不等于零的刀具进行切削时,主切削刃与切削速度方向不垂直,称作斜角切削。

要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置,还需标注副后角,副后角确定副后刀面的空间位置。

3.刀具的工作角度

上面讨论的外圆车刀的标注角度,是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响,参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定,这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。

1)进给运动对工作角度的影响 当刀具对工件作切断或切槽工作时,刀具进给运动是沿横向进行的,进给量的取值也不宜过大。刀具沿纵向进给且进给量 的取值较大时(例如车螺纹),进给运动对工作角度的影响也不可忽视。

2)刀具安装位置对工作角度的影响 安装刀具时,如刀尖高于或低于工件中心,会引起刀具工作角度的变化。

三、刀具材料

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。

(一)刀具材料的性能要求

切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用,刀具切削部分的材料须满足以下基本要求:

1)较高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须比工件材料高,并具有良好的耐磨性,刀具材料的常温硬度要求在以上。

2)足够的强度和韧性 刀具材料要能够承受冲击和振动的作用,不产生崩刃和断裂。

3)较高的耐热性 刀具材料在高温作用下应具有足够的硬度、耐磨性、强度和韧性。

4)良好的导热性和耐热冲击性能 刀具材料的导热性要好,有利于散热;刀具材料的耐热  冲击性能要好,材料内部不得因承受热冲击的作用而产生裂纹。

5)良好的工艺性 刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、刃磨性能等,便于刀具  制造。

(二)常用刀具材料

刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前,在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢(如T10AT12A)、合金工具钢(如 、CrWMn)因耐热性差,仅用于手工切削或切削速度较低的场合。

1.高速钢

高速钢是加入了较多的钨( W)、钒(V )等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度(62~67HRC )和耐热性,在切削温度高达 ℃时仍能进行切削;高速钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的2~3倍,陶瓷的5~6倍)、韧性好,可在有冲击、振动的场合应用;高速钢的制造工艺性好,容易磨出锋利的切削刃,适于制造各类刀具,尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。高速钢刀具可用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等材料制作的工件。

高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢;按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

普通高速钢是切削硬度在250~280HBW以下的结构钢和铸铁的基本刀具材料,切削普通钢料时的切削速度一般不高于40~60m/min 。普通高速钢的典型牌号有 (简称W18 )和(M2)。W18的综合性能较好,在600℃时的硬度为 ,可用于制造各种复杂刀具。M2的碳化物分布细小、均匀,它的抗弯强度比W1810%~15%,韧性比W1850%~60%,可用来制造尺寸较大,承受较大冲击力的刀具;M2的热塑性好,适合于制造热轧钻头等刀具。

高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成,其耐热性好,在630~650℃时仍能保持接近 的硬度,适用于加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。高性能高速钢的典型牌号有W2Mo9Cr4Co8(M42)和   W6Mo5Cr4V2Al(501)M42的综合性能好,常温硬度接近 ,600℃时其硬度为55HRC ,刃磨性能好;但M42含钴多,成本较贵。501钢是一种含铝的无钴高速钢,600℃时硬度达 ,501钢的切削性能与M42大体相当,成本较低,但刃磨性能较差。

粉末冶金高速钢是在用高压惰性气体(氩气或氮气)把钢水雾化成粉末后,经热压、锻轧成材,结晶组织细小均匀。与熔炼高速钢相比,粉末冶金高速钢材质均匀,韧性好,硬度高,热处理变形小,质量稳定,刃磨性能好,刀具寿命较高。可用它切削各种难加工材料,特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。

2.硬质合金

硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(WC TiC 等)和金属粘结剂(Ni 等)在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达 ,760℃时其硬度为 ,在  800~1000℃的高温条件下硬质合金还能进行切削,刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍,可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差,常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8~1/30,硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。硬质合金是最常用的刀具材料之一,常用于制造车刀和端铣刀,也可用硬质合金制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形状复杂的刀具,可采用整体硬质合金制造;但整体硬质合金刀具成本高,其价格是高速钢刀具的8~10倍。

ISO(国际标准化组织)把切削用硬质合金分为三类:P类、K类和M类。

P类(相当于我国YT类)硬质合金由 、 和 组成,也称钨钛钴类硬质合金。这类合金主要用于加工钢材。常用牌号有 (含 5%)、 (含 15%)等,随着含 量的提高,含钴量相应减少,硬度及耐磨性增高,抗弯强度下降。此类硬质合金不宜加工不锈钢和钛合金。

K类(相当于我国 类)硬质合金由 和 组成,也称钨钴类硬质合金。这类合金主要用来加工铸铁、有色金属及其合金。常用牌号有 (含钴6%)、 (含钴8%)等,随着含钴量增多,硬度和耐磨性下降,抗弯强度和韧性增高。

M类(相当于我国 类)硬质合金是在的基础上再加入TaC(或NbC)而成。加TaC(或NbC)后,改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属,又可以加工钢材,还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料,有通用硬质合金之称。常用牌号有 和 等。

为提高高速钢刀具、硬质合金刀具的耐磨性和使用寿命,近年来在刀具制造中广泛采用涂层技术。涂层刀具是在高速钢或硬质合金基体上涂覆一层难熔金属化合物,如TiCTiN、 等。涂层 一般采用 法(化学气相沉积法)或 法(物理气相沉积法)制作。涂层刀具表面硬度高,耐磨性好,其基体又有良好的抗弯强度和韧性。涂层硬质合金刀片的寿命可提高1~3倍以上,涂层高速钢刀具的寿命可提高1.5~10倍以上。随着涂层技术的发展,涂层刀具的应用前景很好。

(三)其它刀具材料

1.陶瓷

用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类:氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。

基陶瓷硬度高达,耐磨性好,耐热性好,化学稳定性高,抗粘结能力强,但抗弯强度和韧性差;这种陶瓷适于对冷硬铸铁、淬硬钢工件作精加工和半精加工。

基陶瓷有较高的抗弯强度和韧性,适于加工铸铁及高温合金,切削钢料效果不显著。

2.立方氮化硼

立方氮化硼( )是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成,其硬度高达 ,仅次于金刚石。 是一种新型刀具材料,它可耐1300~1500℃的高温,热稳定性好;它的化学稳定性也很好,即使温度高达1200~1300℃也不与铁产生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。

3.人造金刚石

金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两种,由于天然金刚石价格昂贵,工业上多使用人造金刚石。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)。聚晶金刚石的晶粒随机排列,属各向同性体,常用于制造刀具。人造金刚石是借助某些合金的触媒作用,在高温高压条件下由石墨转化而成。金刚石的硬度高达 ,是目前已知的最硬物质,可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高耐磨材料。人造金刚石目前主要用于制作磨具及磨料,用作刀具材料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制造的工件,因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大,其碳原子易扩散到被切表面中去,刀具寿命低。

审核编辑(王雪)
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