1、1学习情境学习情境1 1 轴类零件机械加工轴类零件机械加工工艺路线拟定工艺路线拟定23图图1-1 阶梯轴零件图阶梯轴零件图 某企业生产的、年产量达某企业生产的、年产量达870870余件的余件的阶梯轴阶梯轴零件图。试零件图。试编制该零件的机械加工工艺规程，并填写工艺文件。编制该零件的机械加工工艺规程，并填写工艺文件。41 1轴类零件的功用轴类零件的功用l支撑支撑传动零件传动零件,承受载荷承受载荷；传递传递运动和扭矩运动和扭矩,装夹装夹工工件。件。l外圆外圆用于用于安装安装轴承、齿轮、带轮等；轴承、齿轮、带轮等；l轴肩轴肩用于轴上零件和轴本身的用于轴上零件和轴本身的轴向定位轴向定位；l螺纹螺纹用于
2、安装各种锁紧螺母和高速螺母；用于安装各种锁紧螺母和高速螺母；l螺尾退刀槽螺尾退刀槽供加工螺纹时退刀用；供加工螺纹时退刀用；l砂轮越程槽砂轮越程槽则是为了能完整地则是为了能完整地 磨削出外圆和端面；磨削出外圆和端面；l键槽键槽用来安装键，以传递扭矩。用来安装键，以传递扭矩。图图1-1 阶梯轴零件图阶梯轴零件图52.2.轴类零件的结构特点轴类零件的结构特点l回转体回转体零件零件l长度长度大于大于直径；直径；l加工表面加工表面为内外圆柱面、圆锥面、螺纹、花键、沟槽等；为内外圆柱面、圆锥面、螺纹、花键、沟槽等；图图1-1 阶梯轴零件图阶梯轴零件图6.轴类零件的分类（轴类零件的分类（按其结构特点按其结构
3、特点）l光轴；光轴；l阶梯轴；阶梯轴；l空心轴；空心轴；l异形轴（曲轴、偏心轴、异形轴（曲轴、偏心轴、l十字轴、凸轮轴、花键轴）。十字轴、凸轮轴、花键轴）。按长径比分类：按长径比分类：刚性轴刚性轴 L/d12 挠性轴挠性轴 L/d 12(a)光轴 (b)空心轴 (c)半轴 (d)阶梯轴 (e)花键轴(f)十字轴 (g)偏心轴 (h)曲轴 (i)凸轮轴图图1-2 轴的种类轴的种类7 加工精度加工精度 尺寸精度：尺寸精度：主要指轴的主要指轴的直径尺寸精度直径尺寸精度和轴的和轴的长度长度尺寸尺寸精度。精度。主要加工表面主要加工表面:支承轴颈支承轴颈 与轴承内圈配合的外圆轴颈，用于确定轴的位置与轴承内
4、圈配合的外圆轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，寸精度要求较高，通常为并支承轴，寸精度要求较高，通常为IT7IT5；配合轴颈配合轴颈 与各类传动件配合的轴颈，其精度稍低，常为与各类传动件配合的轴颈，其精度稍低，常为IT9IT6。3.3.轴类零件的主要技术要求轴类零件的主要技术要求8 形状精度形状精度：主要指支承轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重主要指支承轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的要表面的圆度、圆柱度圆度、圆柱度。一般一般轴的形状精度应控制在轴的形状精度应控制在直径公差之内直径公差之内；精密轴颈的形状精度需在零件图上另行规定精密轴颈的形状精度需在零件图上另行规定其几何形状精度，应控制在直径公差的
5、其几何形状精度，应控制在直径公差的1/21/4之内。之内。3.3.轴类零件的主要技术要求轴类零件的主要技术要求9 相互位置精度：相互位置精度：包括内、外表面、重要轴径的包括内、外表面、重要轴径的同轴度同轴度、圆的、圆的径向跳动径向跳动、重要端面对轴心线的重要端面对轴心线的垂直度垂直度、端面间的、端面间的平行度平行度等。等。为保证轴上传动件的传动精度，必须规定为保证轴上传动件的传动精度，必须规定支承轴颈与配合支承轴颈与配合轴颈轴颈的位置精度。配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动一般为的位置精度。配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动一般为0.010.03 mm，高精度轴为高精度轴为0.0010.005 mm。
6、图图1-1 阶梯轴零件图阶梯轴零件图10(2)表面粗糙度。表面粗糙度。轴上的表面以轴上的表面以支承轴颈支承轴颈的表面质量要求的表面质量要求最高最高，其次，其次是配合轴颈或工作表面。这是保证轴与轴承以及轴是配合轴颈或工作表面。这是保证轴与轴承以及轴与轴上传动件正确可靠配合的重要因素。与轴上传动件正确可靠配合的重要因素。表面粗糙度表面粗糙度Ra值，支承轴颈一般为值，支承轴颈一般为1.60.2m，配合轴颈一般为配合轴颈一般为3.2-0.4 图图1-1 阶梯轴零件图阶梯轴零件图114.4.轴类零件的材料、毛坯及热处理轴类零件的材料、毛坯及热处理 (1)(1)轴类零件的材料和热处理轴类零件的材料和热处理
7、 对于承载不大或不太重要的轴对于承载不大或不太重要的轴 可选用可选用Q235Q235、Q255Q255等普通碳素钢等普通碳素钢 ，但但最常用最常用4545钢钢，这种材料经调质或正火后，能得到较好的这种材料经调质或正火后，能得到较好的切削性能及较切削性能及较高的强度和一定的韧性高的强度和一定的韧性，具有较好的综合力学性能，具有较好的综合力学性能。中等精度而转速较高中等精度而转速较高 40Cr40Cr等合金结构钢等合金结构钢，经调质和表面淬火处理后具，经调质和表面淬火处理后具有较好的综合力学性能。有较好的综合力学性能。12 较高精度较高精度 轴承钢轴承钢GCr15GCr15和和弹簧钢弹簧钢65Mn
8、65Mn等材料，等材料，经调质和表面高频感应加热淬火后再回火，表面经调质和表面高频感应加热淬火后再回火，表面硬度可达硬度可达505058HRC58HRC（洛氏硬度）（洛氏硬度），并具有较高的耐疲，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性。劳性能和较好的耐磨性。中碳合金氮化钢中碳合金氮化钢38CrMoAlA38CrMoAlA，经调质和表面氮化后，变形很小，且其硬度也很经调质和表面氮化后，变形很小，且其硬度也很高，具有很高的心部强度，良好的耐磨性和耐疲劳高，具有很高的心部强度，良好的耐磨性和耐疲劳性能；性能；13 高转速和重载荷轴高转速和重载荷轴 20CrMnTi20CrMnTi、20Cr20Cr等等
9、渗碳钢渗碳钢，经过淬火或氮化处，经过淬火或氮化处理后获得更高的表面硬度、理后获得更高的表面硬度、耐磨性和心部强度。耐磨性和心部强度。因此，耐冲击、韧性好，但其主要缺点是热处因此，耐冲击、韧性好，但其主要缺点是热处理变形较大。理变形较大。14毛坯的选择（教材毛坯的选择（教材261页）页）（一）毛坯的类型和特点（一）毛坯的类型和特点 （1 1）铸件）铸件 常用作形状比较复杂的零件毛坯常用作形状比较复杂的零件毛坯 铸造方法：铸造方法：砂型铸造、金属型铸造、压力铸造等。砂型铸造、金属型铸造、压力铸造等。木模手工造型：木模手工造型：特点：特点：铸件铸件精度低精度低，加工表面，加工表面余量大余量大，生产率
10、，生产率低低，应用：应用：适用于单件小批生产或大型零件适用于单件小批生产或大型零件的铸造。的铸造。金属模机器造型：金属模机器造型：特点：特点：生产率高，铸件精度高，但设备费用高，铸件的重生产率高，铸件精度高，但设备费用高，铸件的重量也受到限制，量也受到限制，应用：应用：适用于大批量生产的中小件。适用于大批量生产的中小件。注意：少量质量要求较高的小型铸件可采用特种铸造（如注意：少量质量要求较高的小型铸件可采用特种铸造（如压力铸造、离心铸造、熔模铸造等）。压力铸造、离心铸造、熔模铸造等）。15（2 2）锻件）锻件 特点：特点：锻件能获得纤维组织的连续性和均匀分布，从而提锻件能获得纤维组织的连续性和
11、均匀分布，从而提高了零件的强度，所以适用于制造高了零件的强度，所以适用于制造强度要求较高，形状比较简强度要求较高，形状比较简单的零件毛坯单的零件毛坯 自由锻造：自由锻造：特点：特点：加工余量较大，锻件精度低加工余量较大，锻件精度低,生产率不高生产率不高,而且锻件而且锻件的结构必须简单；的结构必须简单；应用：应用：适用于适用于单件和小批生产，以及制造大型锻件单件和小批生产，以及制造大型锻件。模锻：模锻：特点：特点：精度和表面质量都比自由锻件好，而且锻件的形状精度和表面质量都比自由锻件好，而且锻件的形状也较复杂，减少了机械加工余量。模锻的生产率比自由锻高得也较复杂，减少了机械加工余量。模锻的生产率
12、比自由锻高得多，但需要特殊的设备和锻模，多，但需要特殊的设备和锻模，应用：应用：故适用于故适用于批量较大的中小型锻件批量较大的中小型锻件。16 （3 3）型材）型材 型材按截面形状可分为：圆钢、方钢、六角钢、扁钢、角型材按截面形状可分为：圆钢、方钢、六角钢、扁钢、角钢、槽钢、管材、板材、带材等。钢、槽钢、管材、板材、带材等。热轧的型材：热轧的型材：特点及应用：特点及应用：精度低，但价格便宜，用于一般零件的毛坯；精度低，但价格便宜，用于一般零件的毛坯；冷拉的型材：冷拉的型材：特点及应用：特点及应用：尺寸较小、精度高，易于实现自动送料，但尺寸较小、精度高，易于实现自动送料，但价格较高，多用于价格较
13、高，多用于批量较大批量较大的生产，适用于自动机床加工。的生产，适用于自动机床加工。17（4 4）焊接件）焊接件 焊接件是用焊接方法而获得的结合件，焊接件是用焊接方法而获得的结合件，优点：优点：制造简单、周期短、节省材料，制造简单、周期短、节省材料，缺点：缺点：抗振性差、变形大，需经时效处理后才能进行机械抗振性差、变形大，需经时效处理后才能进行机械加工。加工。（5 5）其他）其他 冲压件、冷挤压件、粉末冶金等其他毛坯。冲压件、冷挤压件、粉末冶金等其他毛坯。18 选择毛坯的意义：选择毛坯的意义：毛坯质量的提高，对减少机械加工量，降低加工毛坯质量的提高，对减少机械加工量，降低加工成本，提高加工材料的
14、利用率都是十分有利的。成本，提高加工材料的利用率都是十分有利的。毛坯质量的提高也将伴随着毛坯制造难度的增加，毛坯质量的提高也将伴随着毛坯制造难度的增加，也就意味着毛坯制造成本的增加。也就意味着毛坯制造成本的增加。因此，在选择毛坯材料和制造方法时，应考虑因此，在选择毛坯材料和制造方法时，应考虑如下几个问题。如下几个问题。（二）选择毛坯应考虑的因素（二）选择毛坯应考虑的因素19 1）毛坯材料及力学性能）毛坯材料及力学性能 毛坯材料的选择一般是根据零件毛坯材料的选择一般是根据零件在机器中的作用为在机器中的作用为依据依据的。主要是的。主要是考虑机器考虑机器工作对零件强度、刚度、韧性、工作对零件强度、刚
15、度、韧性、耐磨性、耐腐蚀等方面的要求。耐磨性、耐腐蚀等方面的要求。零件的材料大致确定了毛坯的种类，但也要考虑力零件的材料大致确定了毛坯的种类，但也要考虑力学性能的要求学性能的要求 2）生产类型）生产类型 当零件产量较大时，应选择精度和生产率比较高的当零件产量较大时，应选择精度和生产率比较高的毛坯制造方法。毛坯制造方法。在单件小批生产时，应选择精度较低和生产率较低在单件小批生产时，应选择精度较低和生产率较低的毛坯生产方法。的毛坯生产方法。（二）选择毛坯应考虑的因素（二）选择毛坯应考虑的因素203 3）零件的结构形状和尺寸）零件的结构形状和尺寸 零件形状的复杂程度、尺寸的大小对毛坯的零件形状的复杂
16、程度、尺寸的大小对毛坯的制造方法确定有很大的影响。制造方法确定有很大的影响。形状复杂的零件，一般不宜采用金属模铸造；形状复杂的零件，一般不宜采用金属模铸造；尺寸较大的毛坯，往往不能采用模锻、压铸、精尺寸较大的毛坯，往往不能采用模锻、压铸、精铸，而应选择砂型铸造、自由锻和焊接等方法制铸，而应选择砂型铸造、自由锻和焊接等方法制造毛坯。造毛坯。4 4）现有的生产条件）现有的生产条件 毛坯的制造还必须考虑毛坯的制造还必须考虑现有的生产条件现有的生产条件，充，充分挖潜，提高毛坯质量。分挖潜，提高毛坯质量。（二）选择毛坯应考虑的因素（二）选择毛坯应考虑的因素215 5）充分考虑利用新工艺、新技术和新材料）
17、充分考虑利用新工艺、新技术和新材料 为节约材料和能源，提高机械加工生产率，应充分考为节约材料和能源，提高机械加工生产率，应充分考虑精炼、精锻、冷轧、冷挤压、粉末冶金和工程塑料等在虑精炼、精锻、冷轧、冷挤压、粉末冶金和工程塑料等在机械中的应用，机械中的应用，可大大减少机械加工量，甚至不需要进行加工，大大可大大减少机械加工量，甚至不需要进行加工，大大提高经济效益。提高经济效益。（二）选择毛坯应考虑的因素（二）选择毛坯应考虑的因素22（2 2）轴类零件的毛坯轴类零件的毛坯 常用圆棒料；锻件常用圆棒料；锻件 光轴或直径相差不大的阶梯轴，光轴或直径相差不大的阶梯轴，一般常用热轧圆棒料毛一般常用热轧圆棒料
18、毛坯。坯。当成品零件尺寸精度与当成品零件尺寸精度与冷拉圆棒料冷拉圆棒料相符合时，其外圆相符合时，其外圆可不进行车削，这时可采用冷拉圆棒料毛坯。可不进行车削，这时可采用冷拉圆棒料毛坯。比较重要的轴，比较重要的轴，多采用锻件毛坯多采用锻件毛坯。由于毛坯加热锻打。由于毛坯加热锻打后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，从而能得到后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，从而能得到较高的机械强度。较高的机械强度。对于某些大型、对于某些大型、结构复杂的轴（如曲轴等），可采用结构复杂的轴（如曲轴等），可采用铸件毛坯。铸件毛坯。23 轴类零件的热处理轴类零件的热处理 正火正火或或退火退火：改善切削加工性能。改
19、善切削加工性能。调质：调质：安排在粗车之后、半精车之前，以获安排在粗车之后、半精车之前，以获得良好的物理力学性能。得良好的物理力学性能。表面淬火：表面淬火：安排在精加工之前，这样可以纠安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。正因淬火引起的局部变形。低温时效处理低温时效处理：精度要求高的轴，在局部淬精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后进行。火或粗磨之后进行。24 阶梯轴主要由外圆表面和键槽组成。阶梯轴主要由外圆表面和键槽组成。其中精度要求较高的表面有四处：其中精度要求较高的表面有四处：60外圆两处、外圆两处、80外外圆一处和圆一处和54.4外圆一处；三个表面的表面粗糙度均为外圆一处；
20、三个表面的表面粗糙度均为Ra1.6m。其形位精度要求分别是：其形位精度要求分别是：（1）两个）两个60mm的同轴度公差为的同轴度公差为0.02mm。（2）54.4mm与与60mm同轴度公差为同轴度公差为0.02mm。（3）80mm与与60mm同轴度公差为同轴度公差为0.02mm。5.5.阶梯轴的技术要求分析阶梯轴的技术要求分析 其他要求有：其他要求有：（1 1）加工后保留两端中心孔。）加工后保留两端中心孔。（2 2）调质处理）调质处理2832HRC2832HRC。（3 3）材料为）材料为4545。图图1-1 阶梯轴零件图阶梯轴零件图一、金属切削的基础知识1.切削运动和加工表面 切削加工：利用切
21、削工具从工件上切除多余材料的加工方法。切削运动：在机械加工中，刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。任务1-1 基础理论知识 切削运动的组成定义：直接切除工件上多余的金属层，使之转变为切屑，从而形成工件新表面的运动。特点：通常它的速度最高，消耗机床功率最多。个数：一般只有一个运动形式：旋转运动或者直线运动运动主体：工件（车削）或者刀具（牛头刨削）。定义：不断地把切削层投入切削的运动。特点：通常它的速度较低，消耗机床功率较少。个数：0n运动形式：旋转运动或者直线运动运动主体：工件（牛头刨削）或者刀具（车削）。车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。（1）待加工表面工件上待切除的表面。（2）已
22、加工表面工件上已加工好的表面。（3）过渡表面工件上切削刃正在切削的表面。（3)工件上的加工表面 2.切削要素及其选择切削用量三要素切削速度vc、进给量f（或进给速度vf）背吃刀置ap 切削层的几何参数切削厚度hD、切削宽度bD切削面积 切削速度 单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。（m/min）主运动为旋转运动（车削、铣削），vc为最大线速度，主运动为往复运动1000ndvc10002rcnLv进给量 进给量(feed movement)是指单位时间内刀具和工件在进给运动方向上相对位移。当主运动是旋转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位:mm/r；当
23、主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程；对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量 fz，单位为mm/Z。它与进给量f的关系为 f=Zfz 进给速度为 Vf=fn 背吃刀量ap 背吃刀量外圆车削:ap(dw-dm)/2 图1-4 圆周铣削的切削用量 圆周铣削时的背吃刀量ap是铣刀刀齿与工件的实际接触长度 图1-5 车削外圆时的切削层参数(2）切削层的几何参数切削厚度hD、切削宽度bD切削面积 原则是：能达到零件的质量要求（主要指表面粗糙度和加工精度），并在工艺系统强度和刚性允许条件下，即在充分利用机床功率
24、和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大切削用量。3）切削用量的选择原则选择切削用量主要考虑以下几个方面:（1）生产效率 一股情况下尽量优先增大ap，以减少走刀次数。（2）机床功率 在粗加工时，应尽量增大进给量f。（3）刀具耐用度 优先增大背吃刀量（4）表面粗糙度 提高切削速度vc能降低表面粗糙度值，提高背吃刀量对表面粗糙度影响较小，影响加工表面祖糙度的主要是进给量 合理选择切削用量，应该首先选择一个合理选择切削用量，应该首先选择一个尽尽量大的背吃刀量量大的背吃刀量，其次选择一个，其次选择一个大的进给量大的进给量，最后根据已确定的最后根据已确定的ap和和f f，并在刀具耐用度和，并在刀具耐用度和
25、机床功率允许条件下选择一个机床功率允许条件下选择一个合理的切削速度合理的切削速度。结论：3.3.刀具切削部分的组成和定义刀具切削部分的组成和定义(1)(1)前刀面前刀面A:刀具上切屑流过的表面。刀具上切屑流过的表面。(2)(2)后刀面后刀面A:刀具上与过渡表面相对的刀具表面。刀具上与过渡表面相对的刀具表面。(3)(3)副后刀面副后刀面A:刀具上与工件已加工表面接触并相刀具上与工件已加工表面接触并相互作用的表面。互作用的表面。(4)主切削刃S:前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的切削工作。(5)副切削刃S:前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。(6)(6)刀尖
26、刀尖:连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直线段或圆弧它可以是小的直线段或圆弧（正交平面参考系）1）基面 Pr：2）切削平面 Ps：3）主剖面 Po：建立坐标系假设：在不考虑进给运动的影响、并假定车刀刀尖与机床主轴轴线等高、刀杆中心线垂直于进给运动方向的情况下所建立的参考系称为静止参考系。（正交平面参考系）主切削刃后刀面前刀面副切削刃主剖面 PoA1）基面 Pr：通过切削刃选定点与切削速度方向垂直的平面。基面与刀具安装面平行。切削平面 Ps基面 Pr车刀主剖面坐标系2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面
27、Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。基面P：PVc、刀具安装面（车刀）正交平面Po:PoPPs切削平面 Ps:与 S相切 且 P（2）刀具的标注角度及选用1)在正交平面Po内测量的角度 前角 o=A与 Pr：正负值：A在Pr之上负，A在Pr之下正前角o 的选择前角o正负图示 前角o 对加工过程的影响前角o 的选择前角o正负图示 前角o 的选择前角o正负图示 高速钢的抗弯强度和冲击韧度高于硬质合金，故其前角可比硬质合金刀具的大；陶瓷刀具的脆性大于前二者，故其前角最小。C、加工要求 粗加工时，尤其是工件表面有硬皮、不连续、形状误差较大时，前角取较小值；精加工时前角则可取较大
28、值。后角后角 o=A与与 Ps（一般无负）（一般无负）(2)在基面内测量的角度 主偏角 r=“S 在基面上的投影”与进给运动方向 副偏角 r=“S在基面上的投影”与“进给运动方向的反向”主偏角的选择 主偏角小，则刀头强度高，散热条件好，加工表面粗糙度值小，主切削刃的作用长度长，切削负荷小；负面效应是背向力大，由于切削厚度和切屑厚度小而导致断屑效果差。主偏角的选择原则：工艺系统的刚性 若工艺系统刚性足够，则选较小的主偏角，以提高刀具的耐用度；工艺系统刚性不足时，应选较大的主偏角，以减小背向力。主偏角的选择原则：工件的材料 加工工件材料的强度、硬度很高时，为提高刀具的强度和耐用度，一般取较小的主偏
29、角。主偏角的选择原则：工件的结构 加工阶梯轴时，常取Kr90。为减少刀具种类和换刀时间，通常可采用一把45弯头车刀同时完成端面、外圆和倒角加工。145弯头车刀；290外圆车刀；3外螺纹车刀；475外圆车刀；5成形车刀；690外圆车刀；7切断刀；8内圆切槽刀；9内螺纹车刀；10盲孔镗刀；11通孔镗刀副偏角的选择：影响加工表面粗糙度和刀具强度。通常在不产生摩擦和振动条件下，应选取较小的副偏角。(3)在切削平面上测量的角度刃倾角s=S与P：刀尖最高正，刀尖最低负刃倾角s立体图示 影响排屑方向：有些刀具常利用改变刃倾角s来获得所需的切屑流向。影响切削刃强度：s愈小刀具强度越大 影响切削刃的锋利性：增大
30、刃倾角使切削刃变得锋利。粗加工时选择较小的刃倾角，而精加工是选择较大的刃倾角刃倾角s功用和选择（1 1）高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度高于被加工材料的硬度。一般要求刀。一般要求刀具材料的常温硬度必须具材料的常温硬度必须HRC62HRC62以上。以上。刀具在切削时承受着剧烈的刀具在切削时承受着剧烈的摩擦，因此刀具材料应具有较强的耐磨性摩擦，因此刀具材料应具有较强的耐磨性 。一般材料的硬度越高，耐磨性越好。一般材料的硬度越高，耐磨性越好。（2 2）足够的强度和韧性足够的强度和韧性 刀具切削部分的材料在切削时承受着很大的切削力和冲击刀具切削
31、部分的材料在切削时承受着很大的切削力和冲击力，因此刀具材料必须要有足够的强度和韧性。力，因此刀具材料必须要有足够的强度和韧性。（3）高的耐热性和化学稳定性 耐热性指刀具材料在高温下保持其硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。耐热性越好，则允许的切削速度越高，抵抗切削刃变形的能力也越强。耐热性是评价刀具材料性能的主要指标之一。化学稳定性是指刀具材料在高温下不易与工件材料和周围介质发生化学反应的能力。化学稳定性好，刀具的磨损就慢。（4）具有良好的工艺性 既要求刀具材料本身具有良好的可切削性能、可磨性能、热处理性能、焊接性能等，（5）较好的经济性 资源丰富，价格低廉。刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括
32、非合金工具钢、合金工具钢和高速钢）硬质合金、陶瓷超硬材料（金刚石（天然和人造）和立方氮化硼）等 目前应用最多的是高速钢和硬质合金刚 普通高速钢普通高速钢 普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌号有：号有：a a）W18Cr4VW18Cr4V（简称（简称W18W18）特点：特点：综合性能较好综合性能较好，可用于制造各种，可用于制造各种复杂刀具复杂刀具。缺点：缺点：碳化物分布不均匀，碳化物分布不均匀，影响薄刃和小截面刀具影响薄刃和小截面刀具的耐用度。的耐用度。应用：应用：目前已日渐减少，在国外由于目前已日渐减少，在国外由于WW较贵也很少
33、使用。较贵也很少使用。b b）W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2（简称（简称M2M2）特点：特点：碳化物分布均匀性、韧性和高温塑性均超过碳化物分布均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4VW18Cr4V 缺点：缺点：磨削性能较差，磨削性能较差，应用：应用：制造热轧麻花钻和齿轮滚刀及承受冲击较大的插齿刀、制造热轧麻花钻和齿轮滚刀及承受冲击较大的插齿刀、刨齿刀等刨齿刀等。普通高速钢常见用途高性能高速钢高性能高速钢 成分：成分：高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，适当增加适当增加C C、V V的含量和添加一些其它合金元素（如的含量和添加一些其它合金元素（如钒
34、、钴、铝等），钒、钴、铝等），性能：性能：进一步进一步提高耐热性提高耐热性和和耐磨性耐磨性 应用：应用：它主要用来加工不锈钢、钛合金、高温它主要用来加工不锈钢、钛合金、高温合金和超高强度钢等难加工材料。合金和超高强度钢等难加工材料。常用的硬质合金按碳化物不同分类：钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金 由由WCWC和和CoCo组成，代号为组成，代号为YGYG。常用牌号有常用牌号有YG3YG3、YG6YG6和和YG8YYG8Y、G3XG3X、YG6XYG6X等，等，其中数字表示含其中数字表示含CoCo的百分比，的百分比，X表表示细晶粒合金。示细晶粒合金。其余为含其余为含WCWC的百分比。的百分比。钴在硬质
35、合金中起粘结作用，钴在硬质合金中起粘结作用，含含CoCo愈愈多的硬质合金韧性愈好，多的硬质合金韧性愈好，所以所以YG8YG8适于粗加适于粗加工和断续切削，工和断续切削，YG6YG6适于半精加工，适于半精加工，YG3YG3适适于精加工和连续切削。于精加工和连续切削。细晶粒合金耐磨性稍高，且切削刃可磨得更锋利，用于脆性材料的精加工，组成：组成：由由WCWC、TiCTiC和和CoCo组成，代组成，代号为号为YTYT。特点：特点：此类硬质合金的硬度、此类硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性（耐磨性和耐热性（90090010001000）均）均比比YGYG类合金高，但抗弯强度和冲击类合金高，但抗弯强度和冲击韧
36、度降低。韧度降低。应用：应用：适于加工碳钢等塑性材适于加工碳钢等塑性材料。料。常用牌号：常用牌号：YT30YT30、YT15YT15、YT14YT14和和YT5YT5等，等，数字表示含数字表示含TiCTiC的百分比。的百分比。YT30YT30适于对钢料的精加工和连续切适于对钢料的精加工和连续切削，削，YT15YT15适于半精加工，适于半精加工，YT5YT5适于粗适于粗加工和断续切削加工和断续切削。钨钛钴类硬质合金 钨钛钽（铌）钴类硬质合金钨钛钽（铌）钴类硬质合金 又称通用合金，由又称通用合金，由WCWC、TiCTiC、TaCTaC（NbCNbC）、）、CoCo组成，组成，代号为代号为YWYW。
37、特点：特点：韧性和抗粘附性较韧性和抗粘附性较高，耐磨性亦较好，高，耐磨性亦较好，应用：应用：适应范围广，既能适应范围广，既能切削铸铁，又能切削钢材，特切削铸铁，又能切削钢材，特别适于加工各种别适于加工各种难加工的合金难加工的合金钢，钢，如耐热钢、高锰钢、不锈如耐热钢、高锰钢、不锈钢等，钢等，常用牌号：常用牌号：YW1YW1和和YW2YW2，前者前者用于半精加工和精加工；后者用于半精加工和精加工；后者用于半精加工和粗加工。用于半精加工和粗加工。各种硬质合金的应用范围牌 号应 用 范 围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不
38、能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属
39、及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度 碳化钛基硬质合金（碳化钛基硬质合金（YNYN），），组成：组成：以以TiCTiC为主体，为主体，NiNi和和MoMo为粘结剂并添加为粘结剂并添加少量其他碳化物的合金。少量其他碳化物的合金。优点：优点：硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化能力均硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化能力均较高，切削速度可较高，切削速度可达达300300400m/min400m/min。常用牌号常用牌号：YN10YN10、YN05YN05。前者用于碳钢、合金。前者用于碳
40、钢、合金钢、工具钢及淬硬钢等连续表面的精加工；后钢、工具钢及淬硬钢等连续表面的精加工；后者用于低、中碳钢、铸铁、铸钢和合金铸铁的者用于低、中碳钢、铸铁、铸钢和合金铸铁的精加工。精加工。根据国际标准化组织（根据国际标准化组织（ISO）标准，硬质合金可分）标准，硬质合金可分为为P、M、K三大类三大类：P适合加工长切屑的适合加工长切屑的黑色金属黑色金属（钢、铸钢），（钢、铸钢），以以蓝色蓝色为标志。为标志。YT、YN类硬质合金属于这一类类硬质合金属于这一类。M适合加工长切屑或短切屑的适合加工长切屑或短切屑的金属材料金属材料，以，以黄黄色色为标志。为标志。YWYW类硬质合金属于这一类类硬质合金属于这一
41、类。K适合加工短切屑的金属或非金属材料，以适合加工短切屑的金属或非金属材料，以红红色色为标志。为标志。YG类硬质合金属于这一类类硬质合金属于这一类。牌号后面的牌号后面的数字越大数字越大，耐磨性越低而韧度越高耐磨性越低而韧度越高 （1）涂层刀具）涂层刀具 形成：形成：是在韧度较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂是在韧度较好的硬质合金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获得的。覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。优点：优点：刀具的硬度、耐磨性、耐用度可大幅提高。刀具的硬度、耐磨性、耐用度可大幅提高。缺点：缺点：涂层刀具不适合切削高温合金、钛合金、有色金属涂层刀具不适合切削
42、高温合金、钛合金、有色金属及某些非金属材料，不能采用焊接结构，不能重磨。及某些非金属材料，不能采用焊接结构，不能重磨。应用：应用：工业发达国家中，涂层刀片已占工业发达国家中，涂层刀片已占可转位硬质合金刀可转位硬质合金刀片片的的50%以上。以上。陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3等氧化物，采用粉末冶金工艺方法经制粉，压制烧结而成。优点：陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA9394）和耐热性，在1200的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强主要缺点：强度、韧性低。应用：钢料、铸铁、高硬材料（如淬火钢等）连续切削的半精加工或精加工 人造金刚石人
43、造金刚石 人造金刚石是在高温高压和金人造金刚石是在高温高压和金属触媒作用的条件下，由石墨转化属触媒作用的条件下，由石墨转化而成。而成。金刚石刀具的性能特点是：金刚石刀具的性能特点是：有有极高的硬度和耐磨性，切削刃非常极高的硬度和耐磨性，切削刃非常锋利，有很高的导热性。但锋利，有很高的导热性。但耐热性耐热性较差，且强度很低。较差，且强度很低。应用：应用：人造金刚石主要用于制人造金刚石主要用于制作磨具和磨料，在高速下精细车削作磨具和磨料，在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料。或镗削有色金属及非金属材料。但但由于金刚石中的碳原子和铁有很强由于金刚石中的碳原子和铁有很强的化学亲合力，故金刚石刀具
44、不适的化学亲合力，故金刚石刀具不适合加工铁族材料合加工铁族材料。立方氮化硼（简称立方氮化硼（简称CBN）是用六方氮化硼（俗称白石墨）为原料，是用六方氮化硼（俗称白石墨）为原料，利用超高温高压技术，继人造金刚石之后人工利用超高温高压技术，继人造金刚石之后人工合成的又一种新型无机超硬材料合成的又一种新型无机超硬材料。其主要性能特点是：其主要性能特点是：硬度高硬度高（高达（高达800080009000HV9000HV），），耐磨性好耐磨性好，能在较高切削速度下保，能在较高切削速度下保持加工精度。持加工精度。热稳定性好，热稳定性好，化学稳定性好，且化学稳定性好，且有较高的热导率和较小的摩擦系数，但其强
45、度有较高的热导率和较小的摩擦系数，但其强度和韧性较差。和韧性较差。主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁等材料进行半精加工和精加工。等材料进行半精加工和精加工。图2-55 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合
46、金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-56 刀具材料的耐磨性与断裂韧性（1）切削变形和切屑）切削变形和切屑 金属切削过程金属切削过程是指通过切削运动，刀具从工件表面是指通过切削运动，刀具从工件表面上切除金属，形成切屑和已加工表面的过程。上切除金属，形成切屑和已加工表面的过程。切屑形成过程：切削层金属是在前刀面和切削刃的不断挤压作用下，产生了弹性、塑性变形继而剪切滑移而成为切屑。当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形。在OA面上，应力达到材 料的屈服强度，则 发生塑性变形，产 生滑移现象。随着刀具的连续移动，原来处于始滑移面
47、上的随着刀具的连续移动，原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力和变形也逐渐加大。在金属不断向刀具靠拢，应力和变形也逐渐加大。在终滑移面终滑移面OEOE上，应力和变形达到最大值。上，应力和变形达到最大值。越过越过OEOE面，切削层金属将脱离工件基体，沿着面，切削层金属将脱离工件基体，沿着前刀面流出而形成切屑。前刀面流出而形成切屑。切屑刀具图3-23 积屑瘤积屑瘤RealReal 第变形区：即剪切变形区金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。图3-5 切削部位三个变形区变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。第变形区：靠近前刀面处，
48、切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。带状切屑Real节状切屑Real粒状切屑Real崩碎切屑Real图3-6 切屑形态照片形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到破裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小加工塑性材料切削速度极低大的切削厚度刀具前角较小或负前角加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应
49、设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑切屑类型及形成条件当采用中速或低速切削塑性金属材料且能形成带状切屑的情况下，往往会在刀具前刀面上粘结一些工件材料而形成一个楔形硬块，它的硬度通常为工件材料硬度的23.5倍，切屑刀具积屑瘤积屑瘤Real 增大刀具前角 有利于减小切削变形和切削力。增大切削厚度 造成工件过切，影响了尺寸精度。影响刀具的耐用度 它可以代替切削刃进行切削，刀具的磨损减轻，提高了刀具耐用度。影响加工表面的粗糙度使得表面粗糙度显著增大精加工时要避免积屑瘤产生。切屑刀
50、具积屑瘤积屑瘤RealReal（3）影响积屑瘤的因素及控制（精加工）措施：切削速度 用低速切削或用高速切削，切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的。以45钢为例，在切削速度小于3m/min和大于60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤。在切削速度为20m/min左右时，切削温度约300，产生的积屑瘤高度达到最大值。进给量 降低进给量 进给量增大，增加了刀具与切屑的接触长度，从而具备形成积屑瘤的基础。若适当降低进给量的值，则可削弱积屑瘤的生成基础。刀具前角 前角增大，切削力减少，切削温度下降，减少了积屑瘤生成基础。实践表明，前角增大到35时，一般不产生积屑瘤。提高刀具刃磨质量，使摩擦系
