机械加工工艺编制课题一(第5节)课件.ppt

1、1-51-5 轴类零件加工车刀的选择轴类零件加工车刀的选择一、刀具材料一、刀具材料 在切削时，刀具切削部分直接完成切削工作。切削刃和刀面承受很大的切削抗力和剧烈的摩擦，断续切削时，还要受到强烈的冲击和振动。另外，在切削过程中，很硬的工件材料要发生剧烈的塑性变形。剧烈的变形和摩擦使切削区产生很高的温度。刀具能否在上述恶劣条件下顺利进行切削工作，不仅取决于刀具切削部分合理的几何形状和刀具合理的结构，而且取决于刀具切削部分的材料切削性能的优劣。实践证明，刀具材料的切削性能关系着刀具的寿命、生产率以及工件的加工精度、表面质量。目前，随着性能优良的难加工材料不断出现和日益广泛地得到应用，加工效率要求不断

2、地提高，促使研究和发展性能更为优异的新型刀具材料，以适应不断发展的切削加工的需要。(一)刀具材料的基本要求刀具在切削中要承受很大的切削抗力和强烈的冲击、振动、剧烈的摩擦和很高的切削温度，因此必须对刀具材料的性能提出下列基本要求。1.物理和力学性能(1)硬度和耐磨性刀具本身的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料常温硬度应在60HRC以上，常用高速钢的硬度为6266HRC，硬质合金的硬度为8995HRA，金钢石的硬度为10000HV。刀具材料的耐磨性不仅与硬度有关，而且与组织中硬质点的性质、数量、颗粒大小和分布形状有关。硬度越高、碳化物越多、越细化、分布越均匀，耐磨性越高。刀具材料对工件材料的抗粘

3、结能力越强，切削区允许的温度就越高，可允许采用较高的切削速度，意味着耐磨性越好。(2)强度和韧性刀具必须具有足够的强度，以承受较大的切削力，一般用抗弯强度b来表示。刀具还必须具有足够的韧性，以承受冲击载荷和振动。韧性表示刀具在断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力，一般用冲击韧度K来表示。(3)热硬性热硬性是刀具在高温下保持高硬度的性能。由于切削区的温度很高，刀具材料在高温下，强度、硬度和耐磨性均会显著地下降而丧失切削能力。如高速钢在600700，硬质合金在8001000的高温以上将失去切削能力。刀具材料高温硬度高则热硬性好，抗塑性变形的能力亦越强。(4)导热性刀具材料应具有良好的导热性，热量传出

4、容易，能降低切削区的温度。良好的导热性能使刀具具有良好的耐热冲击性能和耐热龟裂性能。2.工艺性能良好的工艺性能使刀具制造容易，成本低，热处理变形小，不易脱碳，刃磨时砂轮不易堵塞，砂轮的磨损量小。(二)工具钢工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢。1.碳素工具钢 碳素工具钢碳的质量分数在0.65%1.35%之间。钢号用平均碳的质量分数的千分数表示，如T12表示碳的质量分数千分之十二。碳素工具钢可用来制造各种手用和切削速度较低的刀具，使用前均要进行热处理。T7、T8硬度高、韧性好，用来制造铲子、凿子等。T9、T10、T11硬度更高，韧性适中，用来制造钻头、刨子、丝锥、手锯条等。T12、T13硬度

5、很高，韧性低、用来制造锉刀、刮刀等。2.合金工具钢 合金工具钢是在高碳钢中(碳的质量分数在0.9%1.1%之间)加入少量合金元素(Cr、Si、Mn、W、V等)，总的质量分数不超过3%5，高的碳的质量分数是保证高硬度和高耐磨性。加入合金元素Cr、Si、Mn是提高钢的淬透性及回火稳定性、提高钢的强度。W、V是形成高硬碳化物，可提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。常用合金钢有9Mn2V、9SiCr、CrW5、CrMn、CrWMn。合金工具钢的化学成分和用途见表1-14。3.高速钢 按化学成分，高速钢分为钨系钢和钼系钢，按切削性能分为普通高速钢和高性能高速钢。高速钢碳的质量分数为0.7%1.5%，铬的质量分

6、数为4，钨和钼的质量分数为10%20%，钒的质量分数为1。在热处理状态下，铁、铬和一部分钨与碳形成极硬的碳化物，可提高钢的耐磨性。另一部分钨溶于基体中，造成钢的二次硬化，增加钢的热硬性。钼的作用和钨基本相同，并能减少碳化物的不均匀性，细化碳化物颗粒，增加钢对机械能的吸收能力。钒能提高钢的耐磨性，但降低了钢的可磨削性，因此钒的质量分数不宜超过5%。高速钢的热硬性可达600，强度和韧性均较好，刃磨后切削刃锋利，质量稳定，一般用来制造小型、形状复杂的刀具。高速钢的钢号、力学性能及使用范围见表1-15。(1)普通高速钢普通高速钢有两大类：钨系高速钢和钼系高速钢。1)钨系高速钢W18Cr4V。W18Cr

7、4V是我国最常用的一种高速钢，具有较好的综合性能，通用性强，一般用来制造复杂的刀具。另一种钨系钢W14Cr4V MnRe，含有少量的锰和稀土元素，有较大的塑性，一般用作热轧刀具的材料。2)钼系高速钢W6Mo5Cr4V2。此钢具有良好的综合性能，抗弯强度和冲击韧度比W18Cr4V高，热塑性非常好，是热轧刀具(麻花钻)的主要材料。其缺点是热处理时易脱碳和易氧化，淬火温度范围比较窄。(2)高性能高速钢高性能高速钢是在普通高速钢的基础上调整基本成分和添加其他元素(V、Co、Al等)，以提高钢的硬度、耐热性、耐磨性，改善刀具的切削性能和提高刀具的耐用度。这类高速钢用来加工耐热合金、不锈钢、钛合金，超高强

8、度钢等难切削的材料。1)高碳高速钢在普通高速钢中增加含碳量，提高钢中碳化物的含量，可以提高钢的硬度、耐磨性、耐热性和切削性能。如9W18Cr4V碳的质量分数增至0.91.05%，硬度可达6668HRC，600时高温硬度达5152HRC，用来加工钛合金、不锈钢效果较好。2)高钒高速钢钒的质量分数在3%以上的叫高钒高速钢，如W 6Mo5Cr4V3，硬度可达6668HRC，抗弯强度高，冲击韧度好，但可磨削性差。3)钴高速钢在高速钢中加钴，可以提高常温和高温硬度，提高抗氧化性能，改善导热性，降低摩擦系数。如美国的M40系列中的M42(W2Mo9Cr4Co8)综合性能好，硬度达6770HRC，600高温

9、硬度达5455HRC。我国研制W12Mo3Cr4V3Co5Si，亦有较好的综合性能，此类钢用来加工超级合金和超高强度钢均取得较好效果。4)铝高速钢在钢中加铝可以获得较好的综合性能，如我国研制的W6Mo5Cr4V2Al性能与M42相当，缺点是可磨削性低于M42。(3)粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是将高频感应电炉熔炼的钢液用高压惰性气体雾化成粉末，经过冷压和热压烧结制成致密的钢坯，再轧制和锻造成材。粉末冶金高速钢完全消除了钢中碳化物的偏析，细化的颗粒分布均匀，提高了钢的硬度、强度和冲击韧性，热处理变形小，改善了可磨性和工艺性，质量稳定可靠，提高了其切削性能和耐用度。(三)硬质合金 硬质合金是微米数

10、量级的难熔高硬度金属碳化物(WC、TiC等)的粉末，用Co、Mo、Ni等作粘结剂，在1500高温高压下烧结而成。钢中高温碳化物超过高速钢，因此硬度很高(7580HRC)，耐磨性好，热硬性可达8001000，切削速度比高速钢高47倍，因此切削效率高。其缺点是抗弯强度低，冲击韧性差，脆性大，承受冲击和抗振能力低。硬质合金已成为切削加工的主要刀具材料，车刀类和端铣刀类一般都采用硬质合金。硬质合金的性能主要取决于碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的含量。表1-16中列出了几种金属碳化物的性能，由表可知，碳化物的硬度和熔点比Mo、Co、Ni等粘结剂高得多，与铁族元素的亲和力比高速钢低。硬质合金中碳化

11、物愈多硬度越高，粘结剂越多硬度越低，抗弯强度越高。碳化物粒度越小，硬度越高，抗弯强度越低。1.硬质合金的种类和牌号目前使用最多的硬质合金是以WC为基体，分为三类。(1)钨钴(WC-Co)类常用牌号有YG3、YG6、YG8，Y表示硬质合金，G表示钴，G后面的数字表示含钴量的百分数。(2)钨钴钛(WC-TiC-Co)类常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30。T表示碳化钛，T后面的数字表示含TiC量的百分数。(3)钨钛钽(铌)WC-TiC-TaC(NbC)-Co钴类牌号是YW1、YW2，W表示通用合金。2.硬质合金的成分和性能(1)钨钴(WC-Co)类硬质合金此类合金由WC和Co组成，常温硬

12、度为8991HRA，热硬性为800900，在合金中含Co越多含WC越少，则硬度越低，抗弯强度越高。反之则强度低，硬度、耐磨性、耐热性高。(2)钨钴钛(WC-TiC-Co)类硬质合金此合金中除WC和Co外。还含有5%30%的TiC，因TiC的硬度比WC高，故此类合金的硬度和耐磨性均比钨钴类合金高。在合金中含TiC越多，硬度和耐磨性越高，强度和韧性则越低。钛有阻止合金元素向被加工钢料扩散的作用。因此，热硬性比钨钴类合金高，达9001000。(3)钨钛钽(铌)钻WC-TiC-TaC(Nbe)-Co类硬质合金这类合金由钨钴类合金添加适当的TaC(NbC)派生出来的，是一种通用型合金，比钨钛钴类合金显著

13、提高了硬度。而且提高了抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度及抗氧化能力。3.硬质合金的选用要充分发挥硬质合金的切削效能，必须正确选用硬质合金的牌号。钨钴类合金具有较高的强度和冲击韧性，硬度较低，主要用来加工铸铁、青铜等脆性材料。此合金中含Co愈多WC愈少时，抗弯强度就越高，硬度越低。如YG8比YG3抗弯强度高，承受冲击能力大，YG8用于粗加工，YG3用于精加工。因高温合金、不锈钢等难加工材料的韧性大，粘结性强，热导率低，切削抗力大，时耗能较多，切削温度较高，因而对刀具材料的抗弯强度和韧性要求比耐磨性更为重要。这类工件材料应选用钨钴类合金加工。钨钻类合金钢的粘附温度较低，只能用较低的切削速度加

14、工。钨钴钛类合金硬度高，耐磨性好，主要用来工钢料等塑性材料。此类合金中含TiC越多，硬度就越高，强度就越低，因此YT5用于粗加工，YT30用于精加工。钨钛钽(铌)钴类合金是一种通用性很强的合金，可用来加工脆性材料铸铁、有色金属，亦可用来加工韧性材料钢料，可进行粗加工和精加工。切削加工用硬质合金按其切屑排出形式和加工对象的范围可分为三个主要类别，分别以字母P、M、K表示。P适用于加工长切屑的钢铁材料，以蓝色作标志。M适用于加工长切屑或短切屑的钢铁材料以及有色金属，以黄色作标志。K适用于加工短切屑的钢铁材料、有色金属及非金属材料，以红色作标志。根据被加工材质及适应的加工条件的不同，进一步将各类硬质

15、合金按用途进行分组，其代号由在主要类别后面加一组阿拉伯数字组成，如P01、M10、K20、。每一类别中，数字越大，耐磨性越低(切削速度要低)，而韧度越高(进给量可大)。根据实际需要，在相邻的两个用途分组代号之间，可以插入一个中间代号，以中间数字表示。P10和P20之间插入P15，K20和K30之间插入K25等，但不得多于一个。在特殊情况下，P01类的分组代号可以再细分，其代号是在分组代号后面加一位阿拉伯数字，并以一小数点隔开，如P01.1、P01.2、，以便在这一用途小组作精加工时，能区别出不同程度的耐磨性或韧度。硬质合金的用途如表1-17。表1-18为硬质合金牌号对照表。4.新型硬质合金 为

16、了提高切削速度和生产效率，满足切削难加工材料的需要，近年来发展了许多新型硬质合金，在生产中推广应用的有下列几种类型。(1)表面涂层硬质合金在硬质合金表面上涂覆一层约512m厚的高硬度耐磨的涂料(TiC，TiN等)，使得既有高硬度和耐磨性的表面，又有强韧性的基体。按涂料的不同可分为：1)TiC涂层刀片。TiC涂层硬度高，有牢固的粘着性。但涂层与基体间产生的脱碳层(脆性相)会使刀片的抗弯强度下降，脆性增加，切削时易崩刃，因此，涂层厚度应限制在57m之间。2)TiN涂层刀片。TiN涂层硬度较低，粘着性差，但不产生脆性相，可以有较厚的涂层(812m)，涂层导热性好，与铁基材料的摩擦系数比小，抗月牙洼磨

17、损性好。3)TiC-TiN复合涂层刀片。在基体上先涂一层约1m厚的TiC，再涂一层互相渗透的碳、氮化合物复合涂料层，最外一层涂TiN，它既与基体粘着性好，又有抗粘结磨损性能高的特点。4)陶瓷涂层和双涂层刀片。前者是将Al2O3直接涂覆在基体上，后者是在基体上先涂一层TiC，再涂一层Al2O3。双涂层刀片可用120350mmin的速度切削钢料和铸铁。切削钢料时一般用YT类合金作基体，切削铸铁时用YG类合金作基体。涂层刀片不能用来粗切有砂眼、夹杂和不规则的铸铁，也不能用来加工奥氏体不锈钢、镍基合金、钛合金。(2)细晶粒和超细晶粒硬质合金WC颗粒粒度1m为细晶粒，粒度0.5m为超细晶粒。细化碳化物的

18、颗粒可以提高合金的硬度，其抗弯强度有所下降，如增加粘结剂的含量，使粘结层保持一定的厚度，其抗弯强度能够提高。这种合金用来代替高速钢制造刀具，如自动车床车刀、切断刀、铣刀、齿轮滚刀，可以提高生产率。亦可以用较低的切削速度加工各种难加工材料，如不锈钢、钛合金、耐热钢、球墨铸铁、冷硬铸铁等。(3)TiC基硬质合金以TiC为主体，Ni、Mo为粘结剂，添加少量其他碳化物的合金叫TiC基合金。TiC基硬质合金比WC基合金硬度高、摩擦系数小、抗粘结磨损性能好、高温硬度下降少，耐磨性好。但强度低、韧度差，性能介于陶瓷和WC基合金之间。目前，这类合金只限于钢的连续切削精加工。(4)高速钢基硬质合金这种合金以Ti

19、C或WC作硬质相，以高速钢作粘结相，通过粉末冶金法制成，性能介于硬质合金和高速钢之间，具有良好的耐热性、热硬性和一定的韧性，而且具有良好的工艺性，可以进行锻造、热处理和切削加工。这种合金可用来制造钻头、铣刀等复杂刀具。(四)其他刀具材料 除上述几种材料外，还有几种硬度更高的刀具材料，如陶瓷合金、金刚石、聚晶立方碳化硼等。1.陶瓷合金陶瓷刀具材料是以人造化合物为原料，在高压下成形，在高温下烧结而形成的，其主要特点为：1)硬度高，耐磨性好。陶瓷刀具材料的硬度和耐磨性均比硬质合金更为优越，其硬度达到9195HRA，使用寿命比硬质合金高几倍到几十倍。2)良好的高温性能。陶瓷材料的耐热性高达1200，在

20、此温度下的硬度与硬质合金在200600时的硬度相当。3)化学稳定性好。即使在接近熔化的温度下也不会与钢起化学作用，抗氧化能力也相当好。4)良好的抗粘接性能。陶瓷材料与金属亲和力小，不易与被切削金属发生粘结。5)摩擦系数低。其摩擦系数低于硬质合金，对减小切削力有利。常用的陶瓷材料有Al2 O3、Al2 O3-碳化物-金属、Si3N4、Al2O3-TiC等。2.超硬刀具材料(1)金刚石它是自然界中至今为止所发现的最硬的材料。金刚石分为天然金刚石(代号JT)和人造金刚石(代号JR)两种。由于天然金刚石价格昂贵，在工业上主要使用人造金刚石。人造金刚石是由石墨作原料，在高温、高压条件下烧结转化而成，硬度

21、可达10000HV。金刚石刀的最大特点是具有极高的硬度和耐磨性，加工对象越硬，这种特性越突出。由金刚石制作的刀具，切削刃十分锋利，刀面表面粗糙度值很小，能进行精密加工。另外，这种刀具材料的导热性好，热胀系数小。金刚石刀具材料的最大缺点是耐热性差，切削温度不宜超过700800。另外，金刚石刀具强度低，韧性差，对振动敏感，只宜进行微量切削。金刚石刀具主要用于对有色金属及其合金、陶瓷等高硬度、高耐磨材料的切削，而不适合于加工铁族材料，因为在高温下(达到800)，金刚石中的碳原子会迅速扩散到铁中，使刀具急剧磨损。(2)立方氮化硼。立方氮化硼是由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。这种材料的硬

22、度可达80009000HV，耐热温度可达1400。它主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁等材料进行精加工和半精加工。以前立方氮化硼主要用以制作磨具，但近年来，这种材料也开始用于车刀中。二、车刀种类二、车刀种类 由于工件材料、生产批量、加工精度以及机床类型、工艺方案的不同，车刀的种类也异常繁多。根据与刀体的联接固定方式的不同，车刀主要可分为整体式、焊接式、机夹式、可转位式和成形车刀几种类型，如图1-54所示。其特点与用途见表1-19。(一)焊接式车刀1.焊接式车刀的特点和种类 将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上称为焊接式车刀。这种车刀的优点是结构简单，制造方便，刚性较好。缺点是由于存在焊接应

23、力，使刀具材料的使用性能受到影响，甚至出现裂纹。另外，刀杆不能重复使用，硬质合金刀片不能充分回收利用，造成刀具材料的浪费。根据不同的车削加工内容，常用的焊接式车刀可分为切断刀、外圆车刀、端面车刀。内孔车刀、螺纹车刀以及成形车刀等，如图1-55所示。2.焊接式车刀的用途1)90车刀(偏刀)，用来车削工件的外圆、阶台和端面。2)45车刀(弯头车刀)，用来车削工件的外圆、端面和倒角。3)切断刀，用来切断工件或工件上切槽。4)内孔车刀，用来车削工件的内孔。5)成形车刀，用来车削工件的成形面。6)螺纹车刀，用来车削螺纹。3.焊接式车刀的选择 选用焊接车刀时应具备的原始资料是被加工零件的材料、工序图、使用

24、机床的型号、规格。选焊接车刀时，应考虑车刀型式、刀片材料与型号、刀柄材料、外形尺寸及刀具参数等。(1)硬质合金焊接刀片的选择选择硬质合金焊接刀片除材料牌号外还应合理选择型号，刀片型式和尺寸由一个字母和三位数字组成，字母和第一位数字代表刀片的型式。后两位数字表示刀片的主要尺寸。例如：刀片形状相同有不同尺寸规格时，数字后加字母A，用于左切刀的型式，再加标字母L。国家标准GB/T 52441985、GB/T 52451985中规定了常用的刀片形状。选择刀片形状主要根据是车刀的用途及主、副偏角的大小。图1-56所示为常用型号的刀片形状，其适用场合如下。A1型直头、弯头外圆、内7孔、宽刃车刀。A2型端面

25、车刀、内孔(盲孔)车刀。A3型90偏刀、端面车刀。A4型直头外圆、端面车刀、内孔车刀。A5型直头外圆车刀、内孔车刀(通孔)。A6型内孔车刀(通孔)。B1型燕尾槽刨刀。B2型圆弧成形车刀。C1型螺纹车刀。C3型切断、车槽车刀。C4型带轮车槽刀。D1型直头外圆车刀、内孔车刀。选择刀片尺寸时，主要考虑的是刀片长度。一般为切断宽度的1.62倍，车槽车刀的刃宽不应大于工件槽宽。切断车刀的宽度B可按如下经验公式估算。式中，d为被切工件直径(mm)。(2)刀杆的选择车刀型式分直头与弯头两大类。直头车刀简单，便于制造。弯头车刀通用性强，既能车外圆又能车端面，最典型的是45弯头车刀。普通车刀外形尺寸主要是高度、

26、宽度和长度。刀柄截面形状为矩形或方形。刀杆截面尺寸按机床中心高选择。刀柄的长度一般为其高度的6倍。切断车刀工作部分的长度需大于工件的半径。(二)机夹式车刀 机夹车刀指用机械方法定位、夹紧刀片，通过刀片体外刃磨与安装倾斜后，综合形成刀具角度的车刀。使用中刃口磨损后需进行重磨(见图1-54c)。机夹车刀可用于加工外圆、端面、内孔，特别车槽车刀、螺纹车刀、刨刀方面应用较为广泛。机夹车刀的优点在于能避免焊接引起的缺陷，且刀柄能多次使用。如采用集中刃磨，可提高刀具质量，方便管理。刨刀要求大刃倾角，小后角，选用机夹式效果较好。机夹车刀刀柄能多次使用，能降低刀具费用，同时可以方便刀具几何参数的设计、选用。目

27、前，可供选购的机夹车刀、刨刀的种类较多。它们的选用特点首先是要根据刀具结构来合理选择重磨刀面，其次是刀片进行体外刃磨的角度需按刀片安装与重磨结构进行计算。(三)硬质合金可转位车刀 硬质合金可转位车刀是近年来国内外大力发展和广泛应用的先进刀具之一,刀片用机械夹固的方式装夹在刀杆上，当刀片上的一个切削刃磨后，只需将刀片转过一个角度切削刃继续切削，从而大大缩短了换刀和磨刀的时间，并提高了刀杆的利用率。硬质合金可转位车刀有各种不同形状和角度的刀片，可分别用来车外圆、车面、切断、车孔和车螺纹等。如图1-57所示，硬质合金可转位车刀由刀杆1、刀片2、刀垫3和夹紧元件4组成。刀片每边都有切削刃，当某切削刃磨

28、损钝化后，只需松开夹紧元件，将刀片转一个位置便可继续使用。按GB/T 20761987规定，硬质合金可转位刀片形状有等边等角(如正方形、正五边形、正三角形等)、等边不等角(如菱形)、等角不等边(如矩形)、不等边不等角(如平行四边形)及圆形等五种。刀片上压制有各种形状及规格的断屑槽。国家标难规定了可转位刀片的型号表示规则。2.刀杆 硬质合金可转位车刀的各个主要角度，是由刀片角度和刀片夹装在具有一定角度刀槽的刀杆上综合形成的。刀糟的角度根据所选刀片参数来设计和制造。3.刀垫 采用刀垫可保护刀杆，延长刀杆的使用寿命(防止打刀时损坏刀杆。正常切削时，可防止切屑擦伤刀杆)。刀垫的主要尺寸按相应的刀片尺寸

29、设计。(四)成形车刀 成形车是根据工件外形加工其型面轮廓而设计的专用车刀,它用于车床上加工工件内、外表面的回转型面。用普通车刀加工同样可车削工件的复杂型面，但操作费力，生产率低，而且很难保证所加工的各零件有准确一致的加工精度，特别是大批生产，困难更大。所以，常采用仿形加工或用成形车刀加工；前者适用于长度较大的型面，后者主要用于长度较小的型面。成形车刀按车刀形状可分为杆形、棱形和圆形三种。1.杆形成形车刀 如图1-58a所示，相当于切削刃磨成特定形状的普通车刀，常见的螺纹车刀也在此列。成形车刀构造简单，但用钝后，为保持切削刃形状不变，只能沿车刀前面刀磨。由于可磨次数不多，故不常用。2.棱形成形车刀 如图1-58b所示，外形为棱柱体，刀头厚，可磨次数增多，切削刃强度和加工精度较高，但制造复杂，且不能加工内表面。通常用的棱形成形车刀进给方向在工件的径向，它与车刀进给的方向是相同的。3.圆形成形车刀如图1-58c所示，外形为回转体，沿圆周开缺口磨出切削刃，可重磨次数更多，固其制造较为简单，且可加工成形孔，故应用最多。