金屬切削的基本知識主要闡述切削加工過程中的基本理論,包含切削運(yùn)動(dòng)、刀具切削部分的幾何角度、切削變形、切削力、切削熱、刀具磨損、刀具幾何參數(shù)的合理選擇,以及切削用量的合理選擇等。以這些理論為指導(dǎo),可以解決生產(chǎn)中的許多實(shí)際問題,從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)率。因此,學(xué)習(xí)好、掌握好金屬切削的基本知識是十分重要的。車刀是一種最常見、最普通、最典型的刀具,特別是外圓車刀切削部分的形狀,可以說是其他各類刀具切削部分的基本形態(tài)。為此,本章以車床車削為例,介紹車刀的基本知識,掌握了這些知識內(nèi)容,就可為進(jìn)一步了解其他各類刀具的工作原理打好基礎(chǔ)。第二章金屬切削的基本知識視頻第一節(jié)切削運(yùn)動(dòng)與切削用量

一、切削運(yùn)動(dòng)

在金屬切削加工過程中,除了刀具的材料必須比工件材料硬之外,還必須使刀具與工件之間有相對運(yùn)動(dòng),這樣刀具才能切除工件上多余的金屬層,這種相對運(yùn)動(dòng)就稱為切削運(yùn)動(dòng)。

切削運(yùn)動(dòng)必須具備主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)。1.主運(yùn)動(dòng)

主運(yùn)動(dòng)是指由機(jī)床或人力提供的主要運(yùn)動(dòng),它使刀具和工件之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng),使刀具前面接近工件,從而使多余的金屬層轉(zhuǎn)變?yōu)榍行肌?/p>

主運(yùn)動(dòng)的速度最高,消耗功率最大。主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè),主運(yùn)動(dòng)可以是工件的運(yùn)動(dòng),如車削,如圖2-1所示;也可以是刀具的運(yùn)動(dòng),如刨削,如圖2-2所示。圖2-1車削運(yùn)動(dòng)和工件上的表面圖2-2刨削第一節(jié)切削運(yùn)動(dòng)與切削用量2.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是指由機(jī)床或人力提供的運(yùn)動(dòng),它使刀具和工件之間產(chǎn)生附加的相對運(yùn)動(dòng),加上主運(yùn)動(dòng),即可不斷地或連續(xù)地切除切屑,并得出具有所需幾何特性的已加工表面,如圖2-1、圖2-2所示。

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度較低,消耗功率較小。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以是一個(gè),也可以是幾個(gè);進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以是工件的運(yùn)動(dòng),如刨削;也可以是刀具的運(yùn)動(dòng),如車削。3.合成切削運(yùn)動(dòng)

合成切削運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的組合。二、切削過程中的工件表面

在切削加工過程中,工件上始終有三個(gè)不斷變化著的表面,如圖2-1所示。

待加工表面:工件上有待切除的表面。

已加工表面:工件上經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的表面。

過渡表面:工件上由切削刃形成的那部分表面,它在下一切削行程,即刀具或工件的下一轉(zhuǎn)里被切除,或者由下一切削刃切除。

圖2-3車削的切削速度和進(jìn)給速度圖2-4車削進(jìn)給量和背吃刀量第一節(jié)切削運(yùn)動(dòng)與切削用量

第一節(jié)切削運(yùn)動(dòng)與切削用量第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度

一、車刀的組成

車刀由刀柄和刀頭組成,如圖2-5所示。刀柄是車刀上的夾持部分,刀頭是車刀的切削部分。切削部分一般由三個(gè)刀面、兩條切削刃和一個(gè)刀尖共六個(gè)要素組成。(1)前面Aγ切屑流出經(jīng)過的表面。(2)主后面Aα與工件上過渡表面相對的表面。(3)副后面Aα'與工件上已加工表面相對的表面。(4)主切削刃S前面與主后面的相交線,擔(dān)負(fù)主要的切削任務(wù)。(5)副切削刃S'前面與副后面的相交線,配合主切削刃最終形成已加工表面。(6)刀尖主切削刃與副切削刃的連接部分。刀尖的一般形式如圖2-6所示。圖2-6a為尖角,圖2-6b為圓弧過渡刃,圖2-6c為直線過渡刃。后兩種形式可增強(qiáng)刀尖的強(qiáng)度和耐磨性。圖2-5車刀的組成圖2-6刀尖形式第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度

二、刀具的靜止角度

確定刀具的角度,僅靠車刀刀頭上的幾個(gè)面、幾條線是不夠的,還必須人為地在刀具上建立靜止參考系。刀具靜止參考系是指用于刀具設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測量幾何參數(shù)的參考系。建立刀具靜止參考系時(shí),不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響,并假定車刀刀尖與工件的中心等高;安裝時(shí)車刀刀柄的中心線垂直于工件的軸線。在這樣一個(gè)刀具靜止參考系中的刀具角度定義為靜止角度。1.刀具靜止參考系的平面

刀具靜止參考系是由參考平面組成的,如圖2-7所示。參考平面有:(1)基面pr

通過切削刃上選定點(diǎn),并垂直于該點(diǎn)切削速度方向的平面。圖2-7刀具靜止參考系平面第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度(2)主(副)切削平面ps(ps')通過主(副)切削刃上選定點(diǎn),與主(副)切削刃相切并垂直于基面的平面。在無特殊情況下,切削平面就是指主切削平面。(3)正交平面po通過切削刃上選定點(diǎn),并同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。(4)法平面pn通過切削刃上選定點(diǎn),并垂直于切削刃的平面。(5)假定工作平面pf通過切削刃上選定點(diǎn),平行于假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向,并垂直于基面的平面。(6)背平面pp通過切削刃上選定點(diǎn),并同時(shí)垂直于基面和假定工作平面的平面。2.刀具靜止角度的基本定義考慮到刀具靜止角度在設(shè)計(jì)圖樣上的標(biāo)注、刃磨和測量的方便,一般在由基面、切削平面、正交平面組成的正交平面參考系中定義刀具的靜止角度,如圖2-8所示。圖2-8車刀的靜止角度第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度(1)在基面內(nèi)的角度1)主偏角κr是主切削平面ps與假定工作平面pf之間的夾角,κr只有正值。2)副偏角κr'是副切削平面ps'與假定工作平面pf之間的夾角,κr'只有正值。3)刀尖角εr是主切削平面ps與副切削平面ps'之間的夾角,εr只有正值。εr、κr、κr'滿足如下關(guān)系式εr=180°-(κr+κr')εr不是一個(gè)獨(dú)立角度,而是一個(gè)派生角度,其大小是有κr和κr'決定的。(2)在正交平面內(nèi)的角度1)前角γo是前面Ar與基面pr之間的夾角,前角有正、負(fù)和零度之分。若基面與前面有間隙,為正值;無間隙也不重合,為負(fù)值;基面與前面重合,為零度。2)后角αo是主后面Aα與切削平面ps之間的夾角,后角有正、負(fù)和零度之分。若切削平面與后面有間隙,為正值;無間隙也不重合為負(fù)值;切削平面與后面重合為零度。3)楔角βo是前面Ar與后面Aα之間的夾角。βo是一個(gè)派生角度,只有正值。βo,γo,αo滿足如下關(guān)系式βo=90°-(γo+αo)γo,αo,βo是指在主切削刃上正交平面內(nèi)的角度,而在副切削刃上正交平面內(nèi)也有類似的角度,它們是:

第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度圖2-9刃傾角

三、刀具的工作角度

刀具工作角度是指刀具在工作時(shí)的實(shí)際切削角度。由于刀具的靜止角度是在假設(shè)不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響、規(guī)定車刀刀尖和工件中心等高以及安裝時(shí)車刀刀柄的中心線垂直于工件軸線的靜止參考系中定義的,而刀具在實(shí)際工作中不可能完全符合假設(shè)的條件,因此,刀具必須在工作參考系中定義其工作角度。

通常的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于主運(yùn)動(dòng)速度,因此刀具的工作角度近似地等于靜止角度(差別不大于1°),對多數(shù)切削加工(如普通車削、鏜削),無需進(jìn)行工作角度的計(jì)算。只有在進(jìn)給速度或刀具的安裝對刀具角度的大小產(chǎn)生顯著影響時(shí)(如刀具安裝位置高低、左右傾斜、割斷、車絲桿等),才需進(jìn)行工作角度的計(jì)算。1.刀具安裝位置的高低對工作角度的影響

以κr=90°,λs=0°的切斷刀為例,如圖2-10所示。圖2-10切斷刀安裝高低對工作角度的影響第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度1)當(dāng)?shù)都飧哂诠ぜ行臅r(shí),如圖2-10a所示,切削刃與工件接觸m點(diǎn),當(dāng)工件不運(yùn)動(dòng)時(shí),刀具基面為pr(與安裝平面平行),切削平面為ps,由此得靜止前角γo和靜止后角αo。當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)時(shí),主運(yùn)動(dòng)速度vc方向?yàn)檫^m點(diǎn)圓弧的切線方向,這時(shí),刀具工作基面pre為過m點(diǎn)垂直于vc方向的平面,工作切削平面pse為過m點(diǎn)垂直于pre的平面,由此,得工作前角γoe和工作后角αoe,則工作角度與靜止角度之間的關(guān)系式γoe=γo+θoαoe=αo-θo

式中θo——正交平面內(nèi)pr與pre的轉(zhuǎn)角。2)當(dāng)?shù)都獾陀诠ぜ行臅r(shí),如圖2-10b所示。與上述同理,得工作角度與靜止角度之間的關(guān)系式γoe=γo-θoαoe=αo+θo

轉(zhuǎn)角θo的計(jì)算公式sinθo=2h/dw

式中h——刀尖高于或低于工件中心線的距離(mm);

dw——工件的直徑(mm)。

上式說明:當(dāng)dw接近于零時(shí),即使h值很小,θo也是存在的,而且對工作角度γoeαoe影響較大,因此,安裝刀具時(shí)刀尖應(yīng)盡可能對準(zhǔn)工件中心。第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度2.刀柄中心線與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不垂直對工作角度的影響

如圖2-11所示,當(dāng)?shù)侗行木€與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不垂直時(shí),刀具主切削平面與假定工作平面(相當(dāng)于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向)之間的夾角為工作主偏角;刀具副切削平面與假定工作平面之間的夾角為工作副偏角。工作主偏角與靜止主偏角、工作副偏角與靜止副偏角之間的關(guān)系式κγe=κγ±G(2-1)κγe'=κγ'?G(2-2)圖2-11刀柄中心線與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不垂直時(shí)對工作角度的影響第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度式中G——刀柄中心線與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的垂線之間的夾角。

當(dāng)?shù)侗行木€繞刀尖逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),式(2-1)取“+”號,式(2-2)取“-”號。

當(dāng)?shù)侗行木€繞刀尖順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),式(2-1)取“-”號,式(2-2)取“+”號。3.橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對工作角度的影響

以κγ=90°,λs=0°,刀尖與工件中心等高,切斷刀的切削為例,如圖2-12所示。

當(dāng)不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí),刀具切削刃與工件任一接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一圓周,主運(yùn)動(dòng)速度vc方向?yàn)檫^該點(diǎn)的圓周切線方向。此時(shí),刀具基面pr是過該點(diǎn)并垂直于vc方向的平面,切削平面ps是過該點(diǎn)并垂直于基面pr的平面。由此得靜止前角γo和靜止后角αo。圖2-12切斷刀橫向進(jìn)給時(shí)對工作角度的影響第二節(jié)刀具切削部分的幾何角度

第三節(jié)切削層橫截面要素

切削層是指刀具切削部分的一個(gè)單一動(dòng)作所切除的工件材料層。它的形狀和尺寸規(guī)定在刀具的基面中度量。在車削加工中,工件每轉(zhuǎn)一圈,刀具移動(dòng)f距離,主切削刃相鄰兩個(gè)位置間的一層金屬成為切削層,切削層在基面的橫截面上的形狀近似地等于平行四邊形,如圖2-13所示。圖2-13切削層要素第三節(jié)切削層橫截面要素(1)切削層公稱橫截面積AD指在給定瞬間,切削層在基面內(nèi)的實(shí)際橫截面積。AD=fap=hDbD(2)切削層公稱寬度bD指在給定瞬間,作用在主切削刃截形上兩個(gè)極限點(diǎn)的距離,在基面中測量。它基本上反映了主切削刃參加切削工作的長度。bD=ap/sinκγ(3)切削層公稱厚度hD指在同一瞬間的切削層公稱橫截面積與切削層公稱寬度之比。hD=AD/bD=fsinκγ

根據(jù)上述公式可知,切削層公稱寬度和切削層公稱厚度隨主偏角值的改變而變化,當(dāng)κγ=90°時(shí),bD=ap=bDmin,hD=f=hDmax,如圖2-13b所示。切削層公稱橫截面形狀與主偏角的大小、刀尖圓弧半徑的大小、主切削刃的形狀有關(guān)。第四節(jié)常用刀具材料

一、刀具材料必須具備的性能(1)高的硬度硬度是指材料表面抵抗其他更硬物體壓入的能力。刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度,這樣,刀具才能切除工件上多余的金屬,目前在室溫條件下刀具材料的硬度應(yīng)大于或等于60HRC。(2)高的耐磨性耐磨性指材料抵抗磨損的能力,耐磨性與材料的硬度、化學(xué)成分、顯微組織有關(guān)。一般而言,刀具材料硬度越高,耐磨性越好。刀具材料組織中的硬質(zhì)點(diǎn)的硬度越高,數(shù)量越多,分布越均勻,耐磨性越好。(3)足夠的強(qiáng)度和韌性強(qiáng)度是指材料在靜載荷作用下,抵抗永久變形和斷裂的能力,刀具材料的強(qiáng)度一般指抗彎強(qiáng)度。韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下,金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力,金屬的韌性通常用沖擊韌度表示。而刀具材料的韌性一般指沖擊韌度。在切削加工過程中,刀具總是受到切削力、沖擊、振動(dòng)的作用,當(dāng)?shù)毒卟牧嫌凶銐虻膹?qiáng)度和韌性,就可避免刀具的斷裂、崩刃。(4)高的耐熱性耐熱性指材料在高溫下仍能保持原硬度的性能。刀具材料耐熱性越好,允許切削加工時(shí)的切削速度越高,有利于改善加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率,有利于延長刀具壽命。(5)良好的工藝性工藝性指材料的切削加工性、鍛造、焊接、熱處理等性能。刀具材料有良好的工藝性,便于刀具的制造。第四節(jié)常用刀具材料

二、常用刀具材料的種類

在金屬切削加工中,刀具材料的種類有許多。而數(shù)控機(jī)床,由于其自身的特點(diǎn),所以,常用的刀具有:1.高速鋼

高速鋼是指含較多鎢、鉻、鉬、釩等合金元素的高合金工具鋼,俗稱鋒鋼或白鋼。高速鋼有較高的硬度(63~66HRC)、耐磨性和耐熱性(約600~660°C);有足夠的強(qiáng)度和韌性;有較好的工藝性。目前,高速鋼已作為主要的刀具材料之一,廣泛用于制造形狀復(fù)雜的銑刀、鉆頭、拉刀和齒輪刀具等。

常用高速鋼的牌號與性能見表2-1。第四節(jié)常用刀具材料

高速鋼按其性能可分為通用高速鋼(普通高速鋼)和高性能高速鋼。按其制造工藝方法的不同又可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。(1)通用高速鋼通用高速鋼綜合性能好,能滿足一般金屬材料的切削加工要求。常用的牌號有:1)W18Cr4V屬鎢系高速鋼。其綜合性能好,可制造各種復(fù)雜刀具。淬火時(shí)過熱傾向小,碳化物含量較高,塑性變形抗力較大。但碳化物分布不均勻,影響精加工刀具的壽命,且強(qiáng)度與韌度不夠。另外,熱塑性差,不適于制造熱軋刀具。2)W6Mo5Cr4V2屬鎢鉬系高速鋼。與W18Cr4V高速鋼相比,其抗彎強(qiáng)度提高約30%,沖擊韌度提高約70%,且熱塑性較好,適用于制造受沖擊力較大的刀具和熱軋刀具。但是,其有脫碳敏感性大、淬火溫度范圍窄等缺點(diǎn)。(2)高性能高速鋼高性能高速鋼是在通用高速鋼中加入一些鈷、鋁等合金元素,使耐磨性和耐熱性進(jìn)一步提高的一種新型高速鋼,高性能高速鋼主要用于對不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金、高溫合金和超高強(qiáng)度鋼等難加工工件材料的切削加工。高性能高速鋼只有在規(guī)定的使用范圍和切削條件下才能取得良好的加工效果,加工一般鋼時(shí)其優(yōu)越性并不明顯。常用牌號有:1)W2Mo9Cr4VCo8屬鈷高速鋼。它具有良好的綜合性能,允許有較高的切削速度,特別適用于加工高溫合金和不銹鋼等難加工材料,但是其含鈷量較高,故價(jià)格昂貴。第四節(jié)常用刀具材料2)W6Mo5Cr4V2Al屬鋁高速鋼。鋁高速鋼是我國獨(dú)創(chuàng)的新型高速鋼。它是在通用高速鋼中加入少量的鋁,提高了其耐熱性和耐磨性,具有良好的切削性能,耐用度比W18Cr4V大1~4倍,價(jià)格低廉。但是,鋁高速鋼有淬火溫度范圍窄,氧化脫碳傾向較大,磨削性能較差等缺點(diǎn)。(3)粉末冶金高速鋼一般高速鋼都是通過熔煉得到的,而粉末冶金高速鋼是將高速鋼鋼液霧化成粉末,再用粉末冶金方法制成。這種鋼完全避免了碳化物偏析,具有細(xì)小均勻的結(jié)晶組織,有良好的力學(xué)性能,其抗彎強(qiáng)度、沖擊韌度分別是熔煉高速鋼的2倍及2.5~3倍,適用于對普通鋼、不銹鋼、耐熱鋼和其他特殊鋼的切削加工,但是其價(jià)格昂貴。2.硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是由高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)和金屬粘結(jié)劑(Co、Ni、Mo等)用粉末冶金的方法制成的。碳化物決定了硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性。粘結(jié)劑決定了硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌度。硬質(zhì)合金常溫硬度為89~93HRA,耐熱溫度為800~1000°C,與高速鋼相比,硬度高,耐磨性好,耐熱性高。允許的切削速度比高速鋼高5~10倍。但是,硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度只有高速鋼的1/2~1/4,沖擊韌度比高速鋼低數(shù)倍至數(shù)十倍。制造工藝性差。但硬質(zhì)合金有許多與其他刀具材料不可相比的長處,因此,目前硬質(zhì)合金已被廣泛地應(yīng)用于金屬切削加工之中。第四節(jié)常用刀具材料常用硬質(zhì)合金的種類:(1)鎢鈷類硬質(zhì)合金鎢鈷類硬質(zhì)合金的代號是YG,由Co和WC組成。常用牌號是YG3、YG6等。牌號中的數(shù)字表示Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(含Co量),其余為含WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(含WC量),如YG3表示w(Co)=3%,w(WC)=97%。鎢鈷類硬質(zhì)合金的硬度為89~91HRA,耐熱溫度為800~900°C,抗彎強(qiáng)度為1.1~1.5GPa。鎢鈷類硬質(zhì)合金中含Co量越多,則其韌度越大,抗彎強(qiáng)度越高,越不怕沖擊,但是,其硬度和耐熱性越下降。鎢鈷類硬質(zhì)合金適用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。(2)鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金鈦鈷類硬質(zhì)合金的代號是YT,由WC、TiC和Co組成。常用牌號是YT14、YT30等。牌號中的數(shù)字表示TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù),其余為含WC+Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如YT14表示w(TiC)=14%,w(WC)=78%,w(Co)=8%。鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金的硬度為89~93HRA,耐熱溫度為800~1000°C,抗彎強(qiáng)度為0.9~1.4GPa。鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金中含TiC量越多,則其抗彎強(qiáng)度、沖擊韌度越下降,但是,其硬度、耐熱性、耐磨性、抗氧化能力越高。鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金適用于加工碳鋼、合金鋼等塑性材料。(3)鎢鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金鎢鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金的代號是YGA,由WC、TaC(NbC)和Co組成。

由于在YG類硬質(zhì)合金中加入適量的TaC(NbC),使它既保持了原來的抗彎強(qiáng)度和韌度,又提高了硬度、耐磨性、耐熱性,彌補(bǔ)了YG類硬質(zhì)合金的不足。鎢鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金適用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料,也可加工碳鋼和合金鋼。第四節(jié)常用刀具材料(4)鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金的代號是YW,由WC、TiC、TaC(NbC)和Co組成。

由于在YT類硬質(zhì)合金中加入了適量的TaC(NbC),使它既保持了原來的硬度、耐磨性,又提高了抗彎強(qiáng)度、韌度和耐熱性,彌補(bǔ)了YT類硬質(zhì)合金的不足。鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金適用于加工碳鋼、合金鋼等塑性材料,也可加工脆性材料。

常用硬質(zhì)合金的牌號及性能見表2-2。3.涂層刀具材料

硬質(zhì)合金或高速鋼刀具通過化學(xué)或物理方法在其表面上涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物,這樣,既能提高刀具材料的耐磨性,又不降低其韌度。

對刀具表面進(jìn)行涂覆的方法有化學(xué)氣相沉積法(CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)兩種。CVD法的沉積溫度約1000°C,適用于硬質(zhì)合金刀具;PVD法的沉積溫度約500°C,適用于高速鋼刀具。一般涂覆的厚度為5~12μm。(1)涂層材料1)TiC涂層

TiC涂層呈銀白色,硬度高(3200HV)、耐磨性好和有牢固的粘著性。但是,涂層不宜過厚(一般為5~7μm),否則涂層與刀具基體之間會(huì)產(chǎn)生脫碳層而使其變脆。第四節(jié)常用刀具材料第四節(jié)常用刀具材料第四節(jié)常用刀具材料2)TiN涂層

TiN涂層呈金黃色,硬度為2000HV,有很強(qiáng)的抗氧化能力和很小的摩擦因數(shù),抗刀具前面(月牙洼)磨損的性能比TiC涂層強(qiáng),涂層與刀具基體之間不易產(chǎn)生脆性相,涂層厚度為8~12μm。3)Al2O3涂層

Al2O3涂層硬度為3000HV,耐磨性好、耐熱性高、化學(xué)穩(wěn)定性好和摩擦因數(shù)小,適用于高速切削。4)TiN和TiC復(fù)合涂層里層為TiC,外層為TiN,從而使其兼有TiC的高硬度、高耐磨性和TiN的不粘刀的特點(diǎn),復(fù)合涂層的性能優(yōu)于單層。

另外,還有TiN-Al2O3-TiC三涂層硬質(zhì)合金等。

一般而言,在相同的切削速度下,涂層高速鋼刀具的耐磨損比未涂層的提高2~10倍;涂層硬質(zhì)合金刀具的耐磨損比未涂層的提高1~3倍。所以,一片涂層刀片可代替幾片未涂層刀片使用。(2)選用涂層刀片需注意以下幾點(diǎn):1)硬質(zhì)合金刀片在涂覆后,強(qiáng)度和韌性都有所下降,不適合負(fù)荷或沖擊大的粗加工,也不適合高硬材料的加工。2)為增加涂層刀片的切削刃強(qiáng)度,涂層前,切削刃都經(jīng)鈍化處理,因此,刀片刃口鋒利程度減小,不適合進(jìn)給量很小的精密切削。3)涂層刀片在低速切削時(shí),容易產(chǎn)生剝落和崩刃現(xiàn)象,適合于高速切削場合。4.超硬刀具材料第四節(jié)常用刀具材料(1)陶瓷陶瓷材料的主要成分是Al2O3。陶瓷是在高壓下成形,在高溫下燒結(jié)而成。陶瓷的硬度高(90~95HRA),耐磨性好,耐熱性高,在1200°C時(shí),硬度為80HRA,摩擦因數(shù)小,化學(xué)穩(wěn)定性好。但是,陶瓷的脆性大,抗彎強(qiáng)度低,只有一般硬質(zhì)合金的1/3左右,不能承受沖擊負(fù)荷。陶瓷刀具只用于精車、半精車。近年來,一些新型復(fù)合陶瓷刀具的使用性能已大大提高,可用于粗車、刨削、銑削,甚至間斷切削等。被認(rèn)為是提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率的最有希望的刀具材料之一。(2)金剛石金剛石分為天然和人造兩種,天然金剛石數(shù)量稀少,所以價(jià)格昂貴,應(yīng)用極少。人造金剛石是在高壓、高溫條件下,由石墨轉(zhuǎn)化而成,價(jià)格相對較低,應(yīng)用較廣。金剛石的硬度極高(10000HV),是目前自然界已發(fā)現(xiàn)的最硬物質(zhì)。耐磨性很好,摩擦因數(shù)是目前所有刀具材料中最小的。但是,金剛石耐熱性較差,在700~800°C時(shí),將產(chǎn)生碳化,抗彎強(qiáng)度低,脆性大,與鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親和力,故不宜用于加工鋼鐵;工藝性差,整體金剛石的切割、刃磨都非常困難,不可能做成任意角度的刀片。目前,金剛石主要用于制成磨具如金剛石砂輪、金剛石銼刀以及作磨料使用。(3)立方氮化硼立方氮化硼是由軟的六方氮化硼在高壓、高溫條件下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成。立方氮化硼的硬度僅次于金剛石(8000~9000HV),耐磨性好,耐熱性高(1400°C),摩擦因數(shù)小,與鐵系金屬在(1200~1300)°C時(shí)還不易起化學(xué)反應(yīng),但是在高溫下與水易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以,立方氮化硼一般在干切削條件下,對鋼材、鑄鐵進(jìn)行加工。

立方氮化硼可比金剛石在更大的范圍上發(fā)揮其硬度高、耐磨性好、耐熱性高的特點(diǎn)。目前在生產(chǎn)上制成了以硬質(zhì)合金為基體的立方氮化硼復(fù)合刀片,主要用于對淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金、熱噴涂材料等難加工材料的精加工和半精加工。其刀具的耐用度是硬質(zhì)合金或陶瓷刀具的幾十倍。第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律一、金屬切削過程的變形區(qū)

金屬切削過程的實(shí)質(zhì)是指金屬切削層在刀具擠壓作用下,產(chǎn)生塑性剪切滑移變形的過程。這是一個(gè)極復(fù)雜的過程,為了研究的方便,通常把金屬切削過程的變形劃分為三個(gè)變形區(qū),如圖2-14所示。圖2-14切削變形區(qū)第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律1.第一變形區(qū)

如圖2-15所示,在金屬切削過程中,當(dāng)切削層中的某點(diǎn)P逐漸向切削刃逼近時(shí),在刀具前面的擠壓作用下,工件材料的切應(yīng)力逐漸增大,當(dāng)點(diǎn)P到達(dá)OA面上的1點(diǎn)位置時(shí),切應(yīng)力達(dá)到了工件材料的屈服點(diǎn),此時(shí)工件材料開始產(chǎn)生塑性變形,則點(diǎn)1在向前滑移的同時(shí),也向上滑移,其合成運(yùn)動(dòng)使點(diǎn)1流動(dòng)到點(diǎn)2,2—2'就是它的滑移量。隨著工件相對刀具的連續(xù)運(yùn)動(dòng),切應(yīng)力繼續(xù)增大,點(diǎn)P移動(dòng)方向不斷改變,滑移量相應(yīng)為3—3',4—4',當(dāng)點(diǎn)P到達(dá)OM面時(shí),切應(yīng)力達(dá)到最大值,滑移變形到此基本結(jié)束,切屑開始形成。圖2-15第一變形區(qū)的滑移變形第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律

由曲線AO、MO、AM包圍的區(qū)域是塑性剪切滑移區(qū),稱為第一變形區(qū),用Ⅰ表示。第一變形區(qū)是金屬切削過程中主要的變形區(qū),消耗大部分功率并產(chǎn)生大量的熱量。

曲線OA稱為始滑移面,曲線OM稱為終滑移面。實(shí)驗(yàn)證明,始滑移面到終滑移面之間的距離(即剪切區(qū))非常窄,約為0.02~0.2mm,且切削速度越快距離越近。為使問題簡化,常用一個(gè)平面OM代替第一變形區(qū),平面OM稱為剪切平面。剪切平面與切削速度之間的夾角稱為剪切角(用φ表示),如圖2-14所示。2.第二變形區(qū)

金屬切削層經(jīng)過第一變形區(qū)后絕大部分開始成為切屑,切屑沿著刀具前面流出。由于受刀具前面擠壓和摩擦的作用,切屑將繼續(xù)發(fā)生強(qiáng)烈的變形,這個(gè)變形區(qū)域稱為第二變形區(qū),用Ⅱ表示,(見圖2-14)。第二變形區(qū)的變形特點(diǎn)是:靠近刀具前面的切屑底層附近纖維化,切屑流動(dòng)速度趨緩,甚至滯留在刀具前面上;切屑產(chǎn)生彎曲變形;由摩擦而產(chǎn)生的熱量,使刀屑接觸面附近溫度升高等。第二變形區(qū)的變形,直接關(guān)系到刀具的磨損,也會(huì)影響第一變形區(qū)的變形大小。第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律3.第三變形區(qū)

在研究第一、第二變形區(qū)的變形時(shí),是把刀具切削刃視為絕對鋒利的,而且也不考慮刀具的磨損。但是,實(shí)際上再鋒利的刃口把它放大來看,總是鈍圓的,鈍圓半徑用rn表示。鋒利的切削刃,一經(jīng)切削,馬上在靠近刃口的后面上被磨損,形成后角αoe=0°的小棱面BE,如圖2-16所示。在研究第三變形區(qū)時(shí),必須考慮切削刃口鈍圓半徑rn和后角αoe=0°的小棱面BE的影響。圖2-16第三變形區(qū)已加工表面形成第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律

當(dāng)金屬切削層進(jìn)入第一變形區(qū),便發(fā)生了塑性剪切滑移變形,而在切削刃口鈍圓部分處這種變形更復(fù)雜,更激烈。切削層在刃口鈍圓O點(diǎn)處分離為兩部分:O點(diǎn)以上部分成為切屑沿刀具前面流出;O點(diǎn)以下部分繞過切削刃沿刀具后面流出,成為已加工表面。

如圖2-16所示,由于刃口鈍圓半徑rn的存在,在整個(gè)切削厚度hD中,O點(diǎn)以下厚度為ΔhD的那一層金屬切削層,不能沿OM方向剪切滑移,只能受刃口鈍圓OB的擠壓;接著與αoe=0°的小棱面BE相接觸,受擠壓和摩擦;然后,其彈性要恢復(fù),又受刀具后面EF的擠壓和摩擦。從刃口O點(diǎn)處一直到已加工表面的形成,那一層金屬切削層一次次反復(fù)的受到劇烈的擠壓和摩擦,產(chǎn)生塑性變形,這個(gè)變形區(qū)域稱為第三變形區(qū),用Ⅲ表示,如圖2-14所示。

第三變形區(qū)的變形,會(huì)造成已加工表面的加工硬化和產(chǎn)生殘余應(yīng)力,對已加工表面的質(zhì)量影響密切。

金屬切削過程中的三個(gè)變形區(qū),雖然各自有其特征,但是,三個(gè)變形區(qū)之間有著緊密的互相聯(lián)系和互相影響。第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律二、切屑類型

在金屬切削過程中,由于工件材料的不同和切削條件的不同,切削產(chǎn)生的切屑,可分為四種類型,如圖2-17所示。圖2-17切屑類型vc—切削速度第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律1.帶狀切屑

切屑連續(xù)呈較長的帶狀,底面光滑,背面無明顯裂紋,呈微小鋸齒形,如圖2-17a所示。這種切屑是較常見的。出現(xiàn)帶狀切屑時(shí),切削力波動(dòng)小,切削過程較平穩(wěn),加工表面質(zhì)量較好。但必須采取有效的斷屑、排屑措施,否則會(huì)產(chǎn)生切屑纏繞以至損壞刀具、破壞加工質(zhì)量,造成人身傷害等后果。2.節(jié)狀切屑

切屑背面有時(shí)有較深的裂紋,呈較大的鋸齒形,如圖2-17b所示。出現(xiàn)節(jié)狀切屑時(shí),切削力波動(dòng)較大、切削過程不太平穩(wěn),加工表面質(zhì)量較差。3.粒狀切屑

切屑裂紋貫穿整個(gè)切屑斷面,切屑成梯形粒狀,如圖2-17c所示。這是切削應(yīng)力超過工件材料的強(qiáng)度極限,裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。這種切屑較少見。出現(xiàn)粒狀切屑時(shí),切削力波動(dòng)大,切削過程不平穩(wěn),加工表面質(zhì)量差。

上述三種切屑,是在切削塑性金屬材料時(shí)才能產(chǎn)生的,這些不同的切屑形態(tài)與切削條件有密切關(guān)系,當(dāng)改變切削條件,可使切屑形態(tài)相互轉(zhuǎn)換,切屑形態(tài)相互轉(zhuǎn)換的切削條件是:(1)增大刀具前角可使粒狀切屑

節(jié)狀切屑

帶狀切屑。(2)增大切削速度可使粒狀切屑

節(jié)狀切屑

帶狀切屑。(3)減小進(jìn)給量可使粒狀切屑

節(jié)狀切屑

帶狀切屑。第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律

圖2-18變形因數(shù)的度量第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律四、積屑瘤

在一定的切削速度范圍內(nèi)切削塑性金屬材料時(shí),往往會(huì)在刀具切削刃及刀具部分前面上粘結(jié)堆積一楔狀或鼻狀的高硬度金屬塊。這金屬塊稱為積屑瘤,如圖2-19所示。1.積屑瘤的生長及消失

如圖2-20所示。在一定的切削速度范圍內(nèi)切削塑性金屬材料時(shí),切屑與刀具前面有劇烈的摩擦,使切屑底層流動(dòng)緩慢。流動(dòng)緩慢的稱為滯流層。在刀-屑接觸界面處,滯流層的流速接近于零,于是,滯流層與刀具前面發(fā)生粘結(jié),這是形成積屑瘤的基礎(chǔ)。隨后,新的滯流層又在這基礎(chǔ)上不斷地粘結(jié)堆積,最后生成積屑瘤。圖2-19帶有積屑瘤的切削根部顯微照片工件材料:20鋼切削條件:vc=29m/min

av=0.2mm干切削圖2-20切削層流動(dòng)示意圖第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律

積屑瘤在生長的過程中,一直受到工件材料與切屑的擠壓摩擦,受到切削的沖擊振動(dòng),受到切削溫度的升高等因素的作用和影響。因此,積屑瘤會(huì)隨時(shí)破碎、脫落、消失?？梢哉J(rèn)為,積屑瘤的不斷生成的過程,也是積屑瘤不斷破碎、脫落和消失的過程。2.積屑瘤對切削過程的影響(1)增大刀具前角積屑瘤使刀具實(shí)際工作前角增大(γb可至30°),減小切削變形和切削力,如圖2-21所示。(2)提高刀具硬度積屑瘤是由受了劇烈塑性變形而強(qiáng)化的被切材料堆積而成,其硬度是工件材料硬度的2~3倍。它可代替刀具切削刃進(jìn)行切削。(3)增大切削厚度積屑瘤前端伸出于切削刃外,如圖2-21所示,伸出量為Hb,導(dǎo)致切削厚度增大了ΔhD,不利于加工尺寸的精度。圖2-21積屑瘤前角和伸出量第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律(4)對刀具壽命的影響積屑瘤包圍著刀具切削刃及刀具部分前面,減少了刀具磨損,提高了刀具壽命。但是,積屑瘤的生長是一個(gè)不穩(wěn)定的過程,積屑瘤隨時(shí)會(huì)產(chǎn)生破裂、脫落的現(xiàn)象。脫落的碎片會(huì)粘走刀面上的金屬材料,或者嚴(yán)重擦傷刀面,使刀具壽命下降。(5)降低工件表面質(zhì)量由于積屑瘤的外形不規(guī)則,使被切削的工件表面不平整。又由于積屑瘤在不斷地破碎和脫落,脫落的碎片使工件表面粗糙,產(chǎn)生缺陷。

根據(jù)上述積屑瘤對加工的影響說明,精加工時(shí)應(yīng)防止積屑瘤的產(chǎn)生,粗加工時(shí)積屑瘤也顯不出有多大的好處。因此,通常在切削加工中,不希望出現(xiàn)積屑瘤。3.控制積屑瘤的措施(1)降低工件材料的塑性可減小刀——屑間的摩擦因數(shù),減少粘結(jié),抑制積屑瘤的生長。(2)控制切削速度取vc<5m/min的低切削速度,使切削溫度低于300°C,刀-屑間不會(huì)發(fā)生粘結(jié),不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤?；蛘?取vc>100m/min的高切削速度,使切削溫度超過500~600°C,導(dǎo)致金屬的加工硬化和變形硬化消失,也不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。(3)增大刀具前角可減小切削變形和切削溫度,從而可抑制積屑瘤的生長。(4)合理使用切削液既可減少切削摩擦,又可降低切削溫度,從而使積屑瘤的生長得到抑制。第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律五、鱗刺

鱗刺是在已加工表面上呈鱗片狀有裂口的毛刺,如圖2-22所示。

切削塑性金屬材料時(shí),若切削速度vc較低,常常會(huì)產(chǎn)生鱗刺。鱗刺使已加工表面質(zhì)量下降,表面粗糙度值增大2~4級。鱗刺形成的過程,可以分為四個(gè)階段,如圖2-23所示。圖2-22鱗刺現(xiàn)象圖2-23鱗刺現(xiàn)象的形成第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律(1)圖2-23a為抹拭階段金屬切削加工時(shí),切屑沿著刀具前面流出,逐漸擦凈刀具前面上的潤滑膜,使切屑與刀具前面之間的摩擦因數(shù)逐漸增大,摩擦因數(shù)增大到一定值時(shí),使切屑在刀具前面作短暫的停留。(2)圖2-23b為開裂階段由于停留的切屑代替刀具前面推擠切削層,導(dǎo)致切削區(qū)產(chǎn)生裂口。(3)圖2-23c為層積階段隨著推擠切削層的繼續(xù),裂口逐漸增大,同時(shí),切削力也在逐漸增大。(4)圖2-23d為刮成階段當(dāng)切削力增大到一定值時(shí),從而使切屑能克服在刀具前面上的摩擦粘結(jié)時(shí),切屑又開始沿刀具前面流出,一個(gè)鱗刺就這樣刮成了。

第二個(gè)、第三個(gè)……鱗刺的形成,就是重復(fù)上述的過程?？刂器[刺的措施:

在低的切削速度(vc≈10m/min)時(shí),減小進(jìn)給量,增大刀具前角,采用潤滑性能好的切削液,可抑制鱗刺的形成。

在較高的切削速度(vc≈30m/min)時(shí),工件材料調(diào)質(zhì)處理,減小刀具前角,可抑制鱗刺的形成。

高速切削,切削溫度達(dá)500°C以上,便不會(huì)產(chǎn)生鱗刺。六、影響切削變形的主要因素

金屬切削過程,是切削層極其復(fù)雜的變形過程。了解影響切削變形的主要因素和切削變形的規(guī)律,可在金屬切削過程中采取有效措施,使切削過程處于一種較好的狀態(tài)。影響切削變形的主要因素是:第五節(jié)金屬切削過程的規(guī)律(1)工件材料實(shí)驗(yàn)表明,如圖2-24所示,工件材料強(qiáng)度越大(一般金屬材料強(qiáng)度大,硬度也高),則變形系數(shù)越小,切削變形也越小;工件材料塑性越大,則變形系數(shù)越大。(2)刀具前角如圖2-25所示,刀具前角越大,則變形系數(shù)越小。這是因?yàn)榈毒咔敖窃酱?切削刃口越鋒利,切屑流出時(shí)的阻力減小,所以切削變形小。(3)切削速度切削塑性金屬材料時(shí),切削速度vc對切削變形的影響呈波浪形,如圖2-26所示。(4)進(jìn)給量進(jìn)給量增大,則切削厚度增大,切削變形減小,變形因數(shù)減小,如圖2-27所示。圖2-24工件材料強(qiáng)度對變形系數(shù)的影響圖2-25前角對變形系數(shù)ξ的影響工件材料:45鋼刀具類別:外圓車刀幾何參數(shù):κr=75°圖2-26切削速度vc對變形系數(shù)ξ的影加工條件:工件材料45鋼,刀具材料W18Cr4V,γo=5°,f=0.23mm/r,直角自由切削圖2-27進(jìn)給量f對變形系數(shù)ξ的影響加工條件:硬質(zhì)合金刀具,γo=10°,λs=0°rc=1.5mm,vc=100m/min,工件材料50鋼第六節(jié)切削力

切削力是金屬切削過程中重要的物理現(xiàn)象之一。它直接影響著工件質(zhì)量、刀具壽命、機(jī)床動(dòng)力消耗。它是設(shè)計(jì)機(jī)床、刀具、夾具不可缺少的要素之一。學(xué)習(xí)和掌握切削力的知識和規(guī)律,是很有實(shí)際意義的。一、切削力的產(chǎn)生

切削加工時(shí),工件材料抵抗刀具切削所產(chǎn)生的阻力,稱為切削力。

如圖2-28所示,切削加工時(shí),在刀具的作用下,切削層、切屑和工件都要產(chǎn)生彈性變形和塑性變形,這些變形產(chǎn)生的力,將轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎毫nγ和Fnα,分別作用于刀具的前面和刀具的后面上。同時(shí),又因?yàn)榍行寂c刀具前面、工件與刀具后面有相對運(yùn)動(dòng),在正壓力作用下,會(huì)產(chǎn)生摩擦力Ffγ和Ffα,分別作用于刀具的前面和刀具的后面上。把刀具前面上的力Fnγ、Ffγ合成為Fγ,把刀具后面上的力Fnα、Ffα合成為Fα,然后,再把力Fγ和Fα合成為F,F就稱為總切削力。

綜上所述,總切削力來源于兩個(gè)方面:一是三個(gè)變形區(qū)的變形力;二是切屑與刀具前面、工件與刀具后面之間的摩擦力。圖2-28切削力的產(chǎn)生和合成第六節(jié)切削力

圖2-29切削力的分解第六節(jié)切削力三、切削力的測量與計(jì)算

切削力的大小數(shù)值,可以用儀器測量的方法獲得,也可以用公式計(jì)算的方法獲得。1.切削力的測量用儀器測量切削力,主要是用測力儀測量。測力儀的種類很多,有機(jī)械式、液壓式、電感式、電阻式和壓電晶體式等等。目前常用的有電阻式測力儀。

電阻式測力儀工作原理如圖2-30所示。車刀裝在測力儀的彈性元件上,這一彈性元件實(shí)質(zhì)上是一個(gè)特殊形式的刀柄,上面粘貼著具有一定電阻值的電阻應(yīng)變片,如圖2-31所示。將電阻應(yīng)變片聯(lián)接成電橋,如圖2-30b所示。設(shè)電橋各臂的電阻為R1、R2、R3、R4,如果R1/R2=R3/R4,則電橋平衡,電路中B、D兩點(diǎn)間的電位差為零,電流表中無電流通過。在切削力作用下,彈性元件產(chǎn)生變形,粘接在它上面的電阻應(yīng)變片也隨之受到拉伸或壓縮,從而使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化,如圖2-30a所示。在Fc作用下,電阻應(yīng)變片R1受張力,其長度增加,截面積減小,電阻值增大;電阻應(yīng)變片R2受壓力,其結(jié)果相反。因此,電橋失去平衡,B、D兩點(diǎn)間產(chǎn)生了電位差,于是電流表中有電流通過。切削力越大,彈性元件產(chǎn)生的變形越大,電橋輸出端的電位差和電流也相應(yīng)增大,通過標(biāo)定,可以得到電壓或電流讀數(shù)與切削力之間的關(guān)系曲線(標(biāo)定曲線)。測量時(shí),只要測得電壓或電流讀數(shù),就能從標(biāo)定曲線上查出相應(yīng)切削力的數(shù)值。

測力儀有可測單向的、兩向的和三向的幾種。單向的只能測量一個(gè)切削分力;三向的能測量三個(gè)方向的切削分力。第六節(jié)切削力圖2-30電阻式測力儀工作原理圖2-31電阻應(yīng)變片

第六節(jié)切削力第六節(jié)切削力第六節(jié)切削力第六節(jié)切削力第六節(jié)切削力第六節(jié)切削力第六節(jié)切削力第六節(jié)切削力

第六節(jié)切削力第六節(jié)切削力

第六節(jié)切削力

第六節(jié)切削力

第六節(jié)切削力

第六節(jié)切削力六、影響切削力的主要因素1.工件材料的影響

工件材料的性能是決定切削力大小的主要因素之一。一般來說,工件材料的強(qiáng)度、硬度越高,則切應(yīng)力越大,切削力越大。在強(qiáng)度、硬度相近的情況下,工件材料的塑性、沖擊韌度越大,則加工硬化越高,切削變形越大,切削力越大。例如不銹鋼1Cr18Ni9Ti的硬度接近45鋼(229HBS),但伸長率是45鋼的4倍,所以,在切削時(shí)加工硬化嚴(yán)重,產(chǎn)生的切削力比45鋼增大25%。加工銅、鋁等有色金屬,雖然塑性也很大,但因?yàn)槠浼庸び不哪芰Σ?所以切削力小。加工鑄鐵,由于其強(qiáng)度和塑性均比鋼小,且切削時(shí)崩碎切屑與刀具前面的接觸面積小,產(chǎn)生的摩擦力小,所以,切削力比鋼小。2.切削用量的影響(1)背吃刀量

背吃刀量ap增大,切削力Fc也增大,這從切削力的指數(shù)計(jì)算公式及表2-3已證明。并且,ap增大1倍時(shí),Fc增大約1倍。其主要原因是,ap增大1倍時(shí),切削厚度hD不變,而切削寬度bD增大1倍,切削刃上的切削載荷隨之增大1倍,即第一、二變形區(qū)的變形和摩擦按比例增大,所以導(dǎo)致切削力Fc增大約1倍。(2)進(jìn)給量

進(jìn)給量f增大,切削力Fc也增大。這從切削力的指數(shù)計(jì)算公式及表2-3已證明。但是,f增大1倍時(shí),Fc僅增大75%左右。其主要原因是,f增大1倍時(shí),切削寬度bD不變,而切削厚度hD增大1倍,切削變形減少,使第一、二變形區(qū)的變形和摩擦不能按比例增長,所以,使切削力Fc只能增大75%左右。第六節(jié)切削力(3)切削速度切削一般鋼的材料,切削速度vc對切削力Fc的影響呈波浪形,如圖2-32所示。

切削鑄鐵等脆性材料,因塑性變形小,切削速度vc對切削力Fc無明顯影響。圖2-32切削速度對切削力的影響工件材料:45鋼(正火),187HBS;刀具幾何參數(shù):γo=18°,αo=6°~8°,κr=75°,λs=0°,rε=0.2mm;切削用量:ap=3mm,f=0.25mm/r第六節(jié)切削力3.刀具幾何參數(shù)的影響(1)前角如圖2-33所示。前角γo增大,若后角αo不變,楔角βo減小,則刀具鋒利,切削變形減小,使切削力下降。加工塑性大的材料,增大前角,切削力下降明顯;加工脆性的材料,增大前角,切削力下降不顯著。增大前角,使各分力Fc,Fp,Ff都減小。圖2-33前角對Fc,Fp,Ff的影響工件材料:45鋼,187HBS;刀具材料:YT15;切削用量:vc=100m/min,ap=4mm,f=0.25mm/r第六節(jié)切削力

圖2-34主偏角對Fc,Fγ,Ff的影響工件材料:45鋼(正火),187HBS;刀具結(jié)構(gòu):焊接平前面外圓車刀;刀具材料:YT15;刀具幾何參數(shù):γo=18°,αo=6°,λs=0°,bγ1=0,rε=0.2mm;切削量:vc=95.5~103.5m/min,ap=3mm,f=0.3mm/r圖2-35主偏角對圓弧過渡刃長度的影響第六節(jié)切削力

在切削鑄鐵等脆性材料時(shí),主偏角對切削力的影響很小,可忽略。

背向力Fp隨κr增大而減小;進(jìn)給力Ff隨κr增大而增大。(3)刃傾角刃傾角λs對切削力Fc的影響較小,而對背向力Fp和進(jìn)給力Ff影響較大,如圖2-36所示。(4)刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑rε增大,刀尖處圓弧部分參加切削的長度增大。因此,切削變形增大,切削力增大。

另外,刀尖處圓弧部分上各點(diǎn)的κr角不同,其平均角度值小于主切削刃直線部分的κr值,因此,使背向力Fp增大,進(jìn)給力Ff減小。4.切削液的影響

切削液具有冷卻、潤滑、清潔、防銹的作用。選用潤滑性能好的切削液,可以減小刀具前面與切屑、刀具后面與工件之間的摩擦,從而降低切削力。如礦物油、植物油、極壓切削油都有良好的潤滑性能。圖2-36λ對Fc,Ff,Fp的影響第七節(jié)切削熱與切削溫度

切削熱是金屬切削過程中又一重要的物理現(xiàn)象之一。切削熱使切屑、工件、刀具的溫度升高,從而影響工件的質(zhì)量、刀具的壽命、切削速度的提高等。為此,學(xué)習(xí)掌握切削熱和切削溫度的知識及規(guī)律,具有重要的實(shí)用意義。一、切削熱的產(chǎn)生與傳出1.切削熱的產(chǎn)生

在金屬切削過程中,刀具切削工件,產(chǎn)生切屑和形成已加工表面,需要消耗功。這些功在克服切削層的三個(gè)變形區(qū)的彈性變形、塑性變形和摩擦的過程中,絕大部分轉(zhuǎn)換成熱量,這種熱量就稱為切削熱。切削熱的產(chǎn)生來自于三個(gè)變形區(qū),如圖2-37所示。其表達(dá)式Q=Q彈+Q塑+Q前摩+Q后摩式中Q——切削熱產(chǎn)生的總熱量;

Q彈——切削層的彈性變形所消耗的功轉(zhuǎn)換成的熱量(所占比例很小,可略去不計(jì));Q塑——切削層的塑性變形所消耗的功轉(zhuǎn)換成的熱量;

Q前摩——刀具前面與切屑摩擦所產(chǎn)生的熱量;

Q后摩——刀具后面與工件摩擦所產(chǎn)生的熱量。圖2-37切削熱的產(chǎn)生和傳出第七節(jié)切削熱與切削溫度2.切削熱的傳出

切削熱是由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳出擴(kuò)散,其表達(dá)式為Q=Q屑+Q工+Q刀+Q介式中Q——切削熱傳出的總熱量;

Q屑——切屑傳出的熱量;

Q工——工件傳出的熱量;

Q刀——刀具傳出的熱量;

Q介——切削區(qū)周圍介質(zhì)傳出的熱量。

隨著加工方法的不同,由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳出的切削熱百分比是不同的。表2-8所示為車削和鉆削時(shí),切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)分別傳出的切削熱百分比。第七節(jié)切削熱與切削溫度二、切削溫度及溫度分布

切削溫度是指刀具前面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。在一定條件下,通過測量可以得到切屑、工件、刀具溫度的分布情況,如圖2-38所示。刀具前面的溫度高于刀具后面的溫度。刀具前面上的最高溫度不在切削刃上,而是在離切削刃的一定距離處。這是因?yàn)榍邢魉苄圆牧蠒r(shí),刀-屑接觸長度較長,切屑沿刀具前面流出,摩擦熱逐漸增大的緣故。而切削脆性材料時(shí),因?yàn)榍行己芏?切屑與刀具前面相接觸所產(chǎn)生的摩擦熱都集中在切削刃附近。所以,刀具前面上的最高溫度集中在切削刃附近。圖2-38切屑、工件、刀具上的溫度分布工件材料:GCr15;刀具材料:YT14;切量:vc=80m/min,ap=4mm,f=0.5mm第七節(jié)切削熱與切削溫度三、影響切削溫度的主要因素1.工件材料的影響

工件材料的強(qiáng)度、硬度高,切削時(shí),所需的切削力大,產(chǎn)生的切削熱也多,切削溫度就高。

工件材料的塑性大,切削時(shí),切削變形大,產(chǎn)生的切削熱多,切削溫度就高。

工件材料的熱導(dǎo)率大,其本身吸熱、散熱快,溫度不易積聚,切削溫度就低。2.切削用量的影響(1)背吃刀量背吃刀量ap增大,切削溫度略有增加。其原因是,當(dāng)ap增大1倍時(shí),切削力、切削熱也增大約1倍。但是,切削寬度bD增長1倍,使刀具主切削刃與切削層的接觸長度也增長1倍,從而,極大地改善了刀頭的散熱條件。因此,背吃刀量ap對切削溫度的影響很小,如圖2-39a所示。圖2-39

vc、f、ap對切削溫度的影響工件材料:45鋼(正火),187HBS;刀具材料:YT15刀具幾何參數(shù):γo=15°,αo=6°~8°,κγ=75°,λs=0°,γ1=-10°,rs=0.2mma)背吃刀量與切削溫度的關(guān)系(f=0.1mm/r,vc=107mm/min)

b)進(jìn)給量與切削溫度的關(guān)系(ap=3mm,vc=94mm/min)

c)切削速度與切削溫度的關(guān)(ap=3mm,f=0.1mm/r)第七節(jié)切削熱與切削溫度(2)進(jìn)給量

進(jìn)給量f增大,切削溫度就增加。其原因是,當(dāng)f增大時(shí),切削厚度hD增厚,切屑的熱容量增大,切屑帶走的熱量也增多。另外,hD增厚,使切削變形減小,刀-屑接觸面積增大,改善了散熱條件。但是,切削寬度bD不變,使刀具主切削刃與切削層的接觸長度未增加,刀頭的散熱條件沒有改善。所以,進(jìn)給量f對切削溫度有影響,如圖2-39b所示。(3)切削速度

切削速度vc增大,切削溫度明顯增大。其原因是,當(dāng)vc增大時(shí),在單位時(shí)間內(nèi)切除的工件余量增多,由切削消耗的變形功、摩擦功所轉(zhuǎn)換成的切削熱增多;另外,切削寬度bD、切削厚度hD沒有變化,使刀具和切屑的散熱能力也不能提高。因此,切削速度vc對切削溫度有明顯的影響,如圖2-39c所示。

綜合以上所述,切削用量對切削溫度的影響規(guī)律是,vc的變化,對切削溫度變化的影響最大,f的影響次之,ap的影響最小。3.刀具幾何參數(shù)的影響(1)前角前角γo增大,切削變形減小,產(chǎn)生的切削熱少,使切削溫度下降,如圖2-40所示。但是,如果γo過分增大,楔角βo減小,刀具散熱體積減小,反而會(huì)提高切削溫度。圖2-40前角對切削溫度的影響工件材料:45鋼(正火),187HBS;刀具料:YT15刀具幾何參數(shù):αo=8°,κγ=75°,λs=0°切削用量:ap=3mm,f=0.1mm/r第七節(jié)切削熱與切削溫度(2)主偏角在背吃刀量ap相同的條件下,增大主偏角κγ,主切削刃與切削層的接觸長度減短,刀尖角εγ減小,使散熱條件變差。因此,會(huì)提高切削溫度,如圖2-41所示。4.切削液的影響

冷卻是切削液的一個(gè)重要功能。合理選用切削液,可以減少切削熱的產(chǎn)生,降低切削溫度,能提高工件的加工質(zhì)量、刀具壽命和生產(chǎn)率等。水溶液、乳化液、煤油等都有很好的冷卻效果,在目前生產(chǎn)中,已被廣泛地應(yīng)用。圖2-41主偏角對切削溫度的影響工件材料:45鋼(正火);刀具材料:YT15刀具幾何參數(shù):γo=15°,αo=7°,λs=0°切削用量:ap=2mm,f=0.2mm/r第八節(jié)刀具磨損

刀具磨損是金屬切削過程中又一重要的物理現(xiàn)象之一,刀具在切削金屬材料的同時(shí),其自身也在磨損,當(dāng)磨損到一定程度時(shí),會(huì)引起切削力增大,切削溫度上升,刀具磨損加劇,工件質(zhì)量下降。因此,學(xué)習(xí)掌握刀具磨損的知識和規(guī)律是十分重要的。一、刀具磨損的方式

刀具磨損有正常磨損和非正常磨損之分。正常磨損是指刀具與工件、切屑的相互摩擦,在刀具的前面、后面、切削刃上的金屬微粒不斷被工件、切屑帶走,使刀具逐漸喪失切削能力的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在金屬切削中每時(shí)每刻都在產(chǎn)生,所以,正常磨損是本節(jié)主要討論的內(nèi)容。非正常磨損是指在設(shè)計(jì)、制造、使用刀具時(shí),由于失誤而造成的刀具裂紋、崩刃、卷刃、破碎的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象應(yīng)盡量避免發(fā)生。刀具正常磨損有以下兩種方式:1.前面磨損

前面磨損是指在刀具的前面上距切削刃一定距離處出現(xiàn)月牙洼的磨損現(xiàn)象,如圖2-42所示。月牙洼是刀具前面與切屑之間發(fā)生劇烈摩擦的結(jié)果,也是刀具前面上的最高溫度部位。隨著切削繼續(xù)進(jìn)行,月牙洼的寬度KB及深度KT逐漸增大,月牙洼邊緣與切削刃之間的小狹面逐漸減小,最終導(dǎo)致崩刃。前面磨損量的大小,是用月牙洼的寬度KB和深度KT表示的。第八節(jié)刀具磨損圖2-42刀具正常磨損a)前面磨損b)后面磨損第八節(jié)刀具磨損2.后面磨損

后面磨損是指刀具的后面上出現(xiàn)后角為零度的小棱面,如圖2-42所示。小棱面是刀具后面與工件之間嚴(yán)重摩擦的結(jié)果。隨著切削不斷地進(jìn)行,小棱面的面積逐漸增大。后面磨損是不均勻的,一般分為三個(gè)區(qū)域:(1)C區(qū)刀尖部分的磨損區(qū)域。由于刀尖部分受力較大,散熱條件較差,所以磨損較嚴(yán)重。磨損量用VC表示。(2)N區(qū)靠近工件待加工表面處的磨損區(qū)域。毛坯表面存在硬皮或上一次切削形成的加工硬化層,使磨損強(qiáng)烈,甚至磨出深溝。磨損量用VN表示。(3)B區(qū)磨損較均勻區(qū)域。一般用平均磨損量(磨損寬度)VB表示。也可用最大磨損量VBmax表示。

刀具切削塑性金屬材料時(shí),刀具的最高溫度在前面上離切削刃一段距離處,所以會(huì)在刀具前面產(chǎn)生月牙洼。而切削脆性金屬材料時(shí),刀具的最高溫度在切削刃附近,所以不會(huì)在刀具前面產(chǎn)生月牙洼。刀具不論是切削塑性金屬材料,還是切削脆性金屬材料,刀具后面與工件始終接觸摩擦,因此,必然產(chǎn)生后面磨損。二、刀具磨損的原因

在金屬切削過程中,刀具是在高溫(700~1200°C)和高壓(大于材料的屈服應(yīng)力)下工作,受到機(jī)械和熱化學(xué)的作用容易發(fā)生磨損,但刀具磨損的原因是比較復(fù)雜的。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)機(jī)械的、溫度的、化學(xué)的作用是造成刀具磨損的主要原因?，F(xiàn)將其具體原因敘述如下:第八節(jié)刀具磨損1.機(jī)械作用的磨損

工件材料的硬度雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刀具材料的硬度,但是工件材料中的碳化物(如TiC)、氮化物(如TiN)、氧化物(如SiO2)等所產(chǎn)生的硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤的碎片等,都有很高的硬度,有的甚至超過刀具材料的硬度。在切削中,這些硬質(zhì)點(diǎn)將對刀具表面摩擦刻劃,從而使刀具磨損。這種磨損稱為機(jī)械磨損。

無論切削速度的高低,機(jī)械磨損總是存在的,機(jī)械磨損是低速切削刀具(如拉刀、鉸刀、絲錐等)磨損的主要原因。提高刀具材料的硬度和耐磨性,是減少機(jī)械磨損的重要措施。2.化學(xué)作用的磨損(1)粘結(jié)磨損在一定的接觸壓力和稍高的切削溫度下,刀具與工件、切屑表面將會(huì)產(chǎn)生材料分子之間的粘結(jié),由于有相對運(yùn)動(dòng),粘結(jié)處將破裂。破裂時(shí),刀具表面的金屬微粒被工件、切屑帶走,從而造成刀具磨損。這種磨損稱為粘結(jié)磨損。例如,用YT類硬質(zhì)合金刀具切削1Cr18Ni9Ti不銹鋼時(shí),由于兩者Ti元素的親和力作用,極易發(fā)生粘結(jié)磨損。減輕粘結(jié)磨損的措施是,提高刀具材料的強(qiáng)度,細(xì)化組織晶粒。(2)氧化磨損在一定的切削溫度(700~800°C)條件下,刀具、工件、切屑的新鮮表面與氧化合,生成一層氧化膜,若刀具上的氧化膜強(qiáng)度較低,會(huì)被工件或切屑擦去,從而造成刀具磨損。這種磨損稱為氧化磨損。例如,空氣中的氧與硬質(zhì)合金刀具中的Co、W會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生Co3O4、CoO、WO3等疏松脆弱的氧化物,它們極易被工件、切屑帶走,使刀具磨損。第八節(jié)刀具磨損(3)擴(kuò)散磨損在切削溫度高達(dá)(900~1000°C)時(shí),硬質(zhì)合金刀具表面中的C、W、Co、Ti等元素向工件、切屑中擴(kuò)散,使刀具表面產(chǎn)生貧碳、貧鎢、貧鈷現(xiàn)象,而工件、切屑中的Fe元素則會(huì)向硬質(zhì)合金刀具表面中擴(kuò)散,使刀具表面形成低硬度、高脆性的復(fù)合碳化物,從而改變了硬質(zhì)合金刀具表層的化學(xué)成分,使刀具表層的硬度、強(qiáng)度降低,刀具磨損加快。這種磨損稱為擴(kuò)散磨損。(4)相變磨損刀具材料因切削溫度升高達(dá)到相變溫度(金屬加熱到一定溫度時(shí),內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織發(fā)生變化,這時(shí)的溫度稱為相變溫度)時(shí),使刀具表層金相組織發(fā)生變化,硬度顯著降低,從而造成刀具迅速磨損。這種磨損稱為相變磨損。如高速鋼刀具在切削溫度達(dá)到550~600°C時(shí),就會(huì)發(fā)生相變,使回火馬氏體組織變?yōu)樨愂象w、托氏體或索氏體等組織,硬度降低,磨損加快。

綜合以上所述可知,溫度越高,刀具磨損越快。這是因?yàn)闇囟仍礁?造成刀具磨損的原因越多。第八節(jié)刀具磨損三、刀具磨損的過程

刀具后面磨損的過程一般可分為三個(gè)階段,如圖2-43所示。(1)初期磨損階段圖2-43中AB段。這個(gè)階段磨損較快。原因是新刃磨的刀具剛開始切削,其后面與工件表面之間的接觸面積很小,后面壓強(qiáng)大;另外,剛?cè)心サ牡毒?由于后面粗糙度值影響,其表層組織不耐磨,所以磨損較快。(2)正常磨損階段圖2-43中BC段,這個(gè)階段磨損明顯緩和。經(jīng)過初期磨損階段,刀具后面與工件表面的接觸面積增大,后面壓強(qiáng)減小;另外,后面粗糙度值減小,耐磨性提高,所以磨損速度較緩慢。這個(gè)階段是刀具的有效工作階段。(3)急劇磨損階段當(dāng)超過圖2-43中C點(diǎn)后繼續(xù)切削,刀具后面的磨損寬度VB迅速增大,使摩擦加劇,切削力增大,切削溫度上升,刀具快速磨損,變鈍,損壞,直至完全喪失切削能力。圖2-43刀具后面磨損的三個(gè)階段第八節(jié)刀具磨損四、刀具磨損限度(刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn))

從刀具磨損的過程可知,在刀具磨損即將到達(dá)急劇磨損階段,如果繼續(xù)使用刀具,則刀具將馬上出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞的后果。為此,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:把刀具磨損達(dá)到正常磨損階段結(jié)束(對應(yīng)于磨損曲線上的C點(diǎn))前的后面磨損量VB值作為刀具磨損限度(磨鈍標(biāo)準(zhǔn))。因此,刀具越慢達(dá)到其磨損限度,說明刀具磨損越慢;反之,刀具磨損越快。

選取刀具后面磨損量VB作為磨損限度,是因?yàn)橐话愕毒吆竺娑紩?huì)發(fā)生磨損,具有普遍性,而且也便于測量。

根據(jù)磨損限度,可以明確地判斷刀具是否磨鈍,從而決定刀具是否需要重新刃磨。而一把新刀具從投入使用起,其間經(jīng)多次刃磨(多次達(dá)到磨損限度后重新刃磨),直至完全報(bào)廢(即不能再刃磨使用)為止,所經(jīng)歷的總切削時(shí)間,稱為刀具壽命。因此,刀具磨損限度對刀具壽命的長短有直接的影響。表2-9列出了硬質(zhì)合金、高速鋼車刀的磨損限度。第八節(jié)刀具磨損

磨損限度應(yīng)根據(jù)加工條件及工件的技術(shù)要求來確定。磨損限度有兩種。一種稱為經(jīng)濟(jì)磨損限度,即根據(jù)刀具不經(jīng)修磨,使用時(shí)間最長的要求所制定的磨損限度。從刀具磨損曲線可知,經(jīng)濟(jì)磨損限度取在急劇磨損階段的起始點(diǎn)C前一些的位置較為合理。經(jīng)濟(jì)磨損限度適用于粗加工、半精加工。另一種稱為工藝磨損限度,即根據(jù)被加工工件的技術(shù)要求所制定的磨損限度。例如,在切削加工中,當(dāng)工件的已加工表面粗糙度值將開始不符合技術(shù)要求,這時(shí),刀具后面的磨損量VB值就是工藝磨損限度。工藝磨損限度適用于精加工。五、影響刀具磨損限度的主要因素1.切削用量的影響隨著切削速度vc的提高,進(jìn)給量f的增大,背吃刀量ap的增加,刀具磨損限度加快到達(dá)。切削用量對刀具磨損限度的影響順序與對切削溫度的影響順序是完全相同的,即:切削速度vc對刀具磨損限度的影響最大,進(jìn)給量f次之,背吃刀量ap影響最小。2.刀具幾何參數(shù)的影響(1)前角γo前角增大,使切削力減小,切削溫度下降,刀具磨損限度減緩到達(dá);但是