機械制造工藝演示文稿

第一節(jié)金屬切削基礎知識

五.切削力切削過程是個運動的過程，必然伴隨著力的產(chǎn)生。這種力叫切削力。是切削過程中重要的物理現(xiàn)象。它的大小，直接影響工件質量、刀具壽命、機床動力消耗。所以，研究它有很重要的意義。

1.切削力的概念切削力，又叫切削抗力。是切削加工時，工件材料抵抗刀具材料切削的力。

2.切削力的來源切削力來自兩個方面。一是變形抗力，一是摩擦力。變形包括切削層的變形、切屑的變形和工件的變形。變形還包括彈性變形和塑性變形。

摩擦主要包括切屑與前刀面的摩擦和工件與后刀面的摩擦。這些力合成在一起叫總切削力。

3.總切削力的分解為了研究和測量方便，通常將總切削力分解為三個互相垂直的分力：主切削力Fc、背向力Fp、進給力F?。主切削力Fc

：是總切削力在主運動方向上的分力。它使機床消耗的功率最多，是計算機床功率、刀具強度、機床夾具設計、選擇切削用量時不可缺少的參數(shù)。背向力Fp

：是總切削力在垂直于進給運動方向上的分力。一般它不直接消耗機床的功率。是校驗工件剛性、機床剛性不可缺少的參數(shù)進給力F?

：是總切削力在進給運動方向上的分力。一般它消耗機床的功率很少。是計算機床進給功率、設計機床進給機構、校驗機床進給機構強度的不可缺少的參數(shù)?？偳邢髁腿齻€分力的關系切削力的合成與分解切削力的合成與分解

4.切削力的測量與計算切削力的大小可用儀器測量或計算的方法獲得。

1）切削力的測量主要是用測力儀測量。測力儀有機械式、液壓式、電感式和電阻式等多種。常用的是電阻式。

2）切削力的計算其中的各因數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)可通過相關的表格查出。

5.影響切削力的因素

1)工件材料一般來說，工件材料的強度、硬度越高；塑性、韌性越大；產(chǎn)生的切削力也大。反之亦然。

2)切削用量背吃刀量增大，主切削力也增大。實驗證明前者增大一倍，后者也增大一倍。進給量增大，切削力Fc也增大?？蓮那邢髁Φ挠嬎愎阶C明。但是?增大1倍時，F(xiàn)c僅增加75%左右。切削速度切削一般鋼材，切削速度對切削力的影響成波浪形，υc=30mm/min左右時，切削力最大。隨著它的提高切削力呈逐漸下降的趨勢。切削鑄鐵等脆性材料時，因塑性變形小，它的變化對切削力影響不明顯。所以，切削用量中，背吃刀量對切削力的影響最大，進給量次之，切削速度影響最小。其他因素以后再分析。

六.切削熱和切削溫度

1.切削熱的來源前面已經(jīng)分析過了，金屬切削時，切屑的形成是在變形和摩擦的過程中完成的。而變形和摩擦都要產(chǎn)生熱，這種熱叫切削熱。所以概括的說，切削熱來自于切削過程的變形和摩擦。用公式表示就是Q=Q彈+Q塑+Q前摩+Q后摩

2.切削熱的傳出切削熱是由切屑、工件、刀具和周圍的介質向外傳導和擴散的。用公式表示即為

Q=Q屑+Q工+Q刀+Q介

加工方法不同，切削熱的傳導和擴散的比例也不同。

3.切削溫度對切削過程的影響切削溫度一般指切屑與前面接觸區(qū)域的平均溫度。一般來說產(chǎn)生的切削熱多，切削溫度也會高。但是如果切削熱傳散得快，切削溫度也不會升高很快。切削溫度高會嚴重影響切削過程：使刀具磨損加快，降低刀具的使用壽命；使工件發(fā)生膨脹，影響尺寸精度；使工件發(fā)生變形，影響形位精度；刀具磨鈍還會影響表面質量。

4.降低切削溫度的措施

1）選擇適當?shù)那邢饔昧壳邢饔昧咳卦黾?，都會是切削熱增加。但影響最大的是切削速度。在常?guī)切削狀態(tài)下，一般是切削速度越高，產(chǎn)生的的切削熱越多，切削溫度也就高。但當切削速度達到一定值時，它的升高反而會使切削溫度下降。目前采用的超高速切削即是。

2.刀具幾何角度刀具幾何角度是影響切削變形和摩擦條件的重要因素。因此對切削溫度影響很大。改變刀具的幾何角度能明顯減低切削溫度。這些內容后面介紹。

3.使用冷卻潤滑液使用冷卻潤滑液能快速將切削熱傳散出去。對降低且溫度效果非常明顯。注意兩個重要的關系

1.切削力與切削熱的關系一般情況下，切削力大，切削熱多，切削溫度高。但切削熱多，切削溫度高，切削力不一定明顯增大。

2.切削熱與切削溫度的關系切削熱多不一定切削溫度高。要看切削熱傳散的效果。

七.刀具材料

1.刀具材料應具備的性能

1）高的硬度刀具材料最低硬度應在60HRC以上。

2）高的耐磨性抗磨損能力強

3）足夠的強度和韌性避免斷裂和崩刃

4）高的耐熱性保持高溫下的硬度

5）良好的工藝性便于制造

2.常用刀具材料

1）高速鋼是一種含有鎢、鉬、鉻、釩等合金元素較多的合金工具鋼。具有良好的熱穩(wěn)定性；較高強度和韌性；一定的硬度和耐磨性。和碳素工具鋼相比，切削速度提高1～3倍，刀具耐用度提高10～40倍。故稱高速鋼。

分為普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼三類。普通高速鋼分為兩種，鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼。鎢系高速鋼典型鋼種為W18Cr4V（簡稱W18）。它是應用最普遍的一種高速鋼。這種鋼磨削性能和綜合性能好，通用性強。常溫硬度63～66HRC，600℃時硬度48.5HRC左右。此鋼的缺點是碳化物分布常不均勻，強度與韌性不夠強，熱塑性差，不宜制造成大截面刀具。鎢鉬鋼是將一部分鎢用鉬代替所制成的鋼。典型鋼種為W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）。此種鋼的優(yōu)點是減小了碳化物數(shù)量及分布的不均勻性，和W18鋼相比M2抗彎強度提高17％，抗沖擊韌度提高40％以上，而且大截面刀具也具有同樣的強度與韌性，它的性能也較好。缺點是高溫切削性能和W18相比稍差。高性能高速鋼是在普通高速鋼中增加碳、釩含量并添加

鈷、鋁等合金元素而形成的新鋼種。其優(yōu)點是具有較強的耐熱性，在630℃～650℃高溫下，仍可保持60HRC的高硬度，而且刀具耐用度是普通高速鋼的1.5～3倍。它適合加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金、超高強度鋼等難加工材料。此類鋼的缺點是強度與韌性較普通高速鋼低，高釩高速鋼磨削加工性差。典型鋼種有高碳高速鋼9W6Mo5Cr4V2、高釩高速鋼W6Mo5Cr4V3、超硬高速鋼W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al等。粉末冶金高速鋼是用高壓氬氣或純氮氣霧化高速鋼的鋼水，得到細小的高速鋼粉末，然后經(jīng)熱壓制成刀具的毛坯。其突出的優(yōu)點是無碳化物偏析，提高了鋼的強度、韌性和硬度，硬度值達69～70HRC；減小了熱處理內應力和變形；磨削加工性好，磨削效率比熔煉高速鋼提高2～3倍；耐磨性好。此類鋼適于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀和插齒刀），精密刀具和磨加工量大的復雜刀具。

2）硬質合金硬質合金的硬度很高（78～82HRC），熱硬性可達800℃～1000℃以上，切削速度比高速鋼高4～7倍。是進行高速切削的常用刀具材料。缺點是脆性大，抗彎強度和抗沖擊韌性不強?？箯潖姸戎挥懈咚黉摰?/3～1/2，沖擊韌性只有高速鋼的1/4～1/35。國產(chǎn)普通硬質合金按其化學成分的不同，可分為四類：鎢鈷類（WC+Co）代號為YG，對應于國標K類。此合金鈷含量越高，韌性越好，適于加工脆性材料。鎢鈦鈷類（WC+TiC+Co）代號為YT，對應于國標P類。此類合金有較高的硬度和耐熱性，主要用于加工鋼件等塑性材料。合金中TiC含量高，則耐磨性和耐熱性提高，但強度降低。因此粗加工一般選擇TiC含量少的牌號，精加工選擇TiC含量多的牌號。鎢鈦鉭（鈮）鈷類（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）代號為YW，對應于國標M類。此類硬質合金不但適用于加工冷硬鑄鐵、有色金屬及合金半精加工，也能用于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼及耐熱合金鋼的半精加工和精加工。

碳化鈦基類（WC+TiC+Ni+Mo）代號YN，對應于國標P01類。一般用于精加工和半精加工，但不適于有沖擊載荷的粗加工和低速切削。超細晶粒硬質合金多用于YG類合金，它的硬度、耐磨性、抗彎強度和沖擊韌度都有很大提高，已接近高速鋼。適合做小尺寸銑刀、鉆頭等，適合加工高硬度、難加工的材料。

3).超硬刀具材料陶瓷主要由硬度和熔點都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物組成，另外還有少量的金屬碳化物、氧化物等添加劑，通過粉末冶金工藝方法制粉，再壓制燒結而成。常用的陶瓷刀具有兩種：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷有很高的硬度和耐磨性，硬度達91～95HRA，耐磨性是硬質合金的5倍；刀具壽命比硬質合金高；具有很好的熱硬性，切削溫度達1200℃時，仍能保持80HRA的硬度；摩擦系數(shù)低，產(chǎn)生的切削力比硬質合金小，加工表面質量好。但其強度和韌性差，熱導率低。特別是脆性大，抗沖擊性能很差。

陶瓷刀具一般用于高速精細加工硬材料。金剛石硬度和耐磨性和耐磨性極高。人造金剛石硬度達10000HV，耐磨性是硬質合金的60～80倍；切削刃鋒利，能實現(xiàn)超精密微量加工和鏡面加工；有高的導熱性。缺點是耐熱性差，強度低，脆性大，對振動很敏感。主要用于高速條件下精細加工有色金屬及其合金和非金屬材料。金剛石刀具有三類：天然金剛石、人造聚晶金剛石和復合聚晶金剛石。常用的是后兩種。立方氮化硼簡稱CBN。是由六方氮化硼為原料在高溫高壓下合成。主要優(yōu)點是硬度高，硬度僅次于金剛石。熱穩(wěn)定性、導熱性好。摩擦系數(shù)小。缺點是強度和韌性較差，抗彎強度僅為陶瓷刀具的1/5～1/2。適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金材料。但不宜加工塑性大的鋼件和鎳基合金，也不適合加工鋁合金和銅合金，通常采用負前角的高速切削。涂層刀具是在韌性較好的硬質合金或高速鋼基體上，涂覆一層耐磨性較高的難熔金屬化合物而制成。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的硬度比TiN高，抗磨損性能好。但TiN與金屬親和力小，在空氣中抗氧化能力強。因此，對于磨擦劇烈的刀具，宜采用TiC涂層，而在容易產(chǎn)生粘結條件下，宜采用TiN涂層刀具。涂層有單涂層和復合涂層。涂層厚度一般在5～8μm，它具有比基體