教學(xué)單元4-切削條件的合理選擇

金屬切削加工與刀具教學(xué)單元4：切削條件的合理選擇本章主要內(nèi)容刀具材料與選用工件材料的切削加工性切削液刀具幾何參數(shù)的合理選擇切削用量的合理選擇任務(wù)引入如圖所示為加工工件尺寸，工件材料為45鋼熱軋棒料，抗拉強(qiáng)度為0.637Gpa。工件毛坯直徑為60mm，粗車外圓至54mm，Ra12.5μm；半精車外圓至53mm，Ra3.2μm。所選機(jī)床為CA6140。粗車和半精車時(shí)的刀具材料、刀具幾何參數(shù)和切削用量該如何選擇呢？思考題粗車下列工件材料外圓時(shí)，可選擇什么刀具材料？1）45鋼；2）灰鑄鐵；3）黃銅；4）鑄鋁；5）不銹鋼；6）鈦合金；7）高錳鋼；8）高溫合金刀具材料是指刀具上參與切削部分的材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的幾何形狀，還要求有相應(yīng)的刀具材料。目前廣泛應(yīng)用的刀具材料有高速鋼和硬質(zhì)合金。4.1刀具材料一、刀具材料應(yīng)具備的性能高的硬度和耐磨性足夠的強(qiáng)度和韌性高的耐熱性（紅硬性）良好的物理性能穩(wěn)定的化學(xué)性能良好的工藝性經(jīng)濟(jì)性二、常用刀具材料種類及選用工具鋼：碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼硬質(zhì)合金：鎢鈷類、鎢鈦鈷類、鎢鈦鉭（鈮）類超硬刀具材料：陶瓷、金剛石、立方氮化硼1、高速鋼高速鋼是含有較多的鎢、鉬、鉻、釩的高合金工具鋼，又叫“風(fēng)鋼”、“鋒鋼”、“白鋼”高速鋼主要應(yīng)用在復(fù)雜刀具及成形刀具制造中普通高速鋼常見牌號(hào)有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等高性能高速鋼用于切削加工不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、鈦合金及高強(qiáng)度等難加工材料，常見牌號(hào)有W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al粉末冶金高速鋼適用于制造難加工材料的刀具以及進(jìn)行強(qiáng)力、斷續(xù)切削和要求鋒利、強(qiáng)度和韌性高的刀具，特別適用于制造各種精密刀具和形狀復(fù)雜的刀具涂層高速鋼用物理氣相沉積的方法在高速鋼刀具基體上涂覆一薄層TiN而成的，已在鉆頭、齒輪刀具、拉刀、絲錐等結(jié)構(gòu)復(fù)雜刀具上使用2、硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金=硬質(zhì)相（TiC或WC）+

粘結(jié)相（Co、Ni、Mo）等，其中Co比較常用主要性能：1)鎢鈷類硬質(zhì)合金YG（K類，紅色表示）：

WC+Co①常用牌號(hào)：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）②應(yīng)用：

主要用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料，不適合加工鋼料，因?yàn)樵?40℃時(shí)發(fā)生嚴(yán)重粘結(jié)，使刀具磨損，耐用度下降。分類2)鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金（YT）（P類，藍(lán)色表示）：硬質(zhì)相（WC+TiC）+粘結(jié)相（Co）①常用牌號(hào)：YT5、YT14、YT15、YT30（數(shù)字表示TiC的百分含量）②應(yīng)用：

主要用于加工鋼材及有色金屬，一般不用與加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti與Ti的親合力較大，使刀具磨損較快。3）添加稀有金屬硬質(zhì)合金YW1和YW2（國(guó)際上為M類，黃色表示）。YW類合金兼具YG、YT類合金的性能，用于加工鋼料，又可用于加工鑄鐵和有色金屬。用于各種難加工材料的粗加工和斷續(xù)切削4）碳化鈦基硬質(zhì)合金（YN）金屬陶瓷，高速切削加工刀具材料，比普通硬質(zhì)合金提高20%～50%。在鋼的高速切削，特別是對(duì)表面粗糙度值要求較低的粗加工和半精加工中，TiC（N）基合金是最好的5）涂層硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金是采用韌性較好的基體（如硬質(zhì)合金刀片或高速鋼等），通過化學(xué)氣相沉積和真空濺射等方法，對(duì)硬質(zhì)合金表面涂層厚度為5～12μm的涂層材料以提高刀具的抗磨損能力。涂層材料為TiC、TiN（金黃色）、Al2O3（銀白色)等。適合于各種鋼材、鑄鐵的半精加工和精加工，也適合于負(fù)荷較小的精加工3、超硬刀具材料1）陶瓷分類：高純氧化鋁陶瓷、復(fù)合氧化鋁陶瓷和復(fù)合氮化硅陶瓷特點(diǎn)：高硬度與耐磨性好，高耐熱性，高的化學(xué)穩(wěn)定性，與被加工材料的親和力小，強(qiáng)度和韌性差，對(duì)沖擊十分敏感應(yīng)用：主要用于各種金屬材料的精加工和半精加工2）金剛石分類：?jiǎn)尉Ы饎偸毒摺⒍嗑Ы饎偸毒咛攸c(diǎn)：極高的硬度和耐磨性，很好的導(dǎo)熱性和很低的熱膨脹系數(shù)，刀具的切削刃很鋒利，刃面的粗糙度很小，摩擦系數(shù)低于其他刀具材料，耐熱性差，強(qiáng)度低，脆性大應(yīng)用：適合于非鐵合金的高精度加工，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于制造加工高硬度、高耐磨的機(jī)械密封件的精密磨削用砂輪3）立方氮化硼種類：CBN單晶主要用于制作磨料和磨具。

PCBN高溫高壓下將微細(xì)的CBN材料通過結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶材料，硬度僅次于金剛石用于制作刀具和其他工具。特點(diǎn)：高的硬度和耐磨性，具有很高的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，較好的熱導(dǎo)性，較低的摩擦系數(shù)應(yīng)用：是高速切削黑色金屬、加工淬硬鋼及高溫合金等難加工材料較理想的刀具材料ISO將刀具用硬質(zhì)合金分為六類：P類：切削鋼材，藍(lán)色，如鎢鈦鈷類（YT）硬質(zhì)合金、碳化鈦基（YN）類硬質(zhì)合金K類：切削鑄鐵，紅色，如鎢鈷類（YG）硬質(zhì)合金、鎢鉭（鈮）鈷類（YA）硬質(zhì)合金M類：通用型，黃色，如鎢鈦鉭（鈮）鈷（YW）類硬質(zhì)合金H類：切削高硬材料，灰色，如CBNS類：切削高溫合金、耐熱材料，橙色N類：切削非鐵金屬，綠色，如熱壓聚晶金剛石三、刀具材料的發(fā)展趨勢(shì)高速鋼：在優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提高硬度硬質(zhì)合金：細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒涂層刀具：化學(xué)和物理涂層陶瓷：提高強(qiáng)度和韌性聚晶金剛石：鋁合金、非金屬材料、合成材料立方氮化硼：硬切削、干切削、鑄鐵的精加工小結(jié)刀具材料應(yīng)具備的性能高速鋼的特點(diǎn)和應(yīng)用硬質(zhì)合金的特點(diǎn)和應(yīng)用當(dāng)Kr＞1時(shí)，該材料比45鋼容易切削；Kr＜1時(shí)，則難切削。4.2工件材料切削加工性一、材料切削加工性指標(biāo)

1.刀具耐用度指標(biāo)

刀具耐用度為T（min）時(shí)，以允許的切削速度vc（m/min）的高低來評(píng)定材料的切削加工性。ｖc越高，加工性越好。2.加工材料的性能指標(biāo)硬度

抗拉強(qiáng)度

伸長(zhǎng)率

沖擊韌度和熱導(dǎo)率影響加工性的物理力學(xué)

性能指標(biāo)主要有材料分級(jí)加工性等級(jí)3.加工表面粗糙度指標(biāo)

表面粗糙值小，則加工性好；反之，則加工性差。4.斷屑性能指標(biāo)易斷屑，則加工性好；反之，則加工性差。（1）適當(dāng)調(diào)劑鋼中化學(xué)元素和熱處理（2）合理選用刀具材料（3）合理選用切削用量和刀具幾何參數(shù)（4）采用新的切削加工技術(shù)二、改善材料切削加工性的途徑三、難加工材料的加工

難加工材料硬度高；高溫強(qiáng)度大；含有硬度很高的質(zhì)點(diǎn)；加工硬化大；導(dǎo)熱性差；容易與刀具粘結(jié)。加工這類材料時(shí)存在以下困難：

1）切削溫度很高2）切削力和單位切削壓力特別大3）刀具磨損很大高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、冷硬鑄鐵

不銹鋼、高溫合金、鈦合金等難加工的金屬材料四、難切削材料切削技術(shù)的新發(fā)展難切削材料切削技術(shù)的新發(fā)展振動(dòng)切削低溫切削加熱切削在惰性氣體保護(hù)下切削特種加工方法4.3切削液

一、切削液的作用

1、潤(rùn)滑作用運(yùn)動(dòng)著的金屬表面間，被連續(xù)的潤(rùn)滑油膜完全隔開，稱為流體潤(rùn)滑。如由于載荷增大，油膜局部被破壞，發(fā)生兩金屬表面間局部接觸時(shí)，稱為邊界潤(rùn)滑

2、冷卻作用冷卻性能的好壞取決于切削液的導(dǎo)熱率、比熱容、汽化熱、流量與流速等。冷卻液的上述物理性能的量值愈大，冷卻性能就愈好。3、清洗作用4、防銹作用二、切削液中的添加劑油性添加劑、極壓添加劑、乳化劑、防銹添加劑及其它添加劑三、切削液的種類及選用四、切削液的使用方法1）澆注法澆注法使用方便，應(yīng)用廣泛，但流速慢、流量小、壓力低，較難直接進(jìn)入刀刃最高溫度處，故效果較差。使用時(shí)應(yīng)使切削液盡量接近切削區(qū)。當(dāng)用不同刀具切削時(shí)，最好能根據(jù)刀具的形狀和切削刃的數(shù)目，相應(yīng)地改變澆注口的形式和數(shù)目。2）高壓冷卻法高壓冷卻法可用于高速鋼車刀進(jìn)行難切削材料的車削，可顯著提高刀具耐用度。切削液可用一般乳化液也可用切削油。由于切削液的高速流動(dòng)，改善了滲透性，易于達(dá)到切削區(qū)，提高了冷卻效果。缺點(diǎn)是飛濺嚴(yán)重，需加護(hù)罩。3）噴霧冷卻法噴霧冷卻法是以0.3～0.6MPa的壓縮空氣，通過噴霧裝置使切削液霧化、噴出，高速噴射到切削區(qū)。高速氣流帶著霧化成微小液滴的切削液，滲透到切削區(qū)，在高溫下迅速汽化，吸收大量熱，從而獲得良好的冷卻效果。小結(jié)工件材料的相對(duì)加工性切削液的作用切削液的種類及選用切削液的加注方式思考題說出下列情況下刀具幾何參數(shù)應(yīng)具有的特點(diǎn)有哪些？1）銳中求固；2）散熱條件良好；3）系統(tǒng)剛性不足；4）抗沖擊；5）精加工；6）加工高硬高強(qiáng)度材料4.4刀具幾何參數(shù)的合理選擇一、選擇刀具合理幾何參數(shù)的一般原則在保證加工質(zhì)量的前提下，能夠滿足刀具使用壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)效率高、加工成本低的刀具幾何參數(shù)，稱為刀具的合理幾何參數(shù)。選擇刀具合理幾何參數(shù)的一般原則：要考慮工件的實(shí)際情況要考慮刀具材料性能和刀具結(jié)構(gòu)要注意刀具各幾何參數(shù)之間的聯(lián)系要考慮具體的加工條件處理好刀具的鋒利性同刀具強(qiáng)度和耐磨性的關(guān)系二、前角的選擇1.前角的主要功用

增大前角能減小切屑的變形，減少切削力，降低切削溫度和動(dòng)力消耗增大前角能改善切屑對(duì)前刀面的摩擦，減少刀具磨損，提高刀具耐用度增大前角能改善加工表面質(zhì)量，抑制積屑瘤與鱗刺的產(chǎn)生，減少切削振動(dòng)前角過大，將削弱刃口強(qiáng)度，減少散熱體積，影響刀片受力情況，容易造成崩刃2.選擇原則

在刀具強(qiáng)度許可的條件下，盡量選用大的前角。但成形刀具應(yīng)采用較小的前角或零前角以減少刀具刃磨后截面產(chǎn)生誤差。工件材料，如圖a刀具材料，如圖b具體加工條件(a)(b)3.前刀面形式及其選擇正前角平面型：適用于精加工刀具、成形刀具或多刃刀具正前角平面帶倒棱型：用于粗加工鑄鍛件或斷續(xù)切削正前角曲面帶倒棱型：用于粗加工和半精加工負(fù)前角單面型：適用于后刀面磨損的刀具負(fù)前角雙面型：適用于前、后刀面同時(shí)磨損的刀具4.卷屑槽與切屑控制

(1)切屑的卷曲卷屑槽型式a)全圓弧型；b)直線圓弧型；c)折線型折線型直線圓弧型碳鋼、合金鋼、工具鋼和不銹鋼全圓弧型高塑性金屬和重型刀具卷屑槽與切削刃的傾角τ有三種形式:

卷屑槽和切削刃的傾斜角a)外斜式；b)平行式；c)內(nèi)斜式外斜式：斷屑范圍廣平行式：短盤螺旋狀切屑內(nèi)斜式：背吃刀量較小的半精加工和精加工(2)切屑的折斷卷曲的切屑流出時(shí)，碰在后刀面或工件上，切屑因受阻而應(yīng)變?cè)黾樱?dāng)某斷面應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限時(shí)，切屑就折斷，呈短片狀，其過程如圖所示。

切屑的折斷a)開始卷曲；b)再卷曲；c)碰在后刀面；d)折斷三、后角1.后角的功用

后角的主要功用是減小后刀面與過渡表面之間的摩擦。增大后角能減小摩擦，可以提高已加工表面質(zhì)量和刀具使用壽命。后角越大，切削刃鈍圓半徑rε

值越小，切削刃越鋒利。增大后角可以延長(zhǎng)刀具耐用度。但后角過大，將削弱刃口強(qiáng)度，減少散熱體積，磨損反而加劇，導(dǎo)致刀具壽命下降，且易發(fā)生顫振。2.選擇原則

在不產(chǎn)生較大摩擦條件下，盡量取較小后角。加工性質(zhì)：粗加工合理后角應(yīng)小一些，而精加工合理后角要大一些；工件材料：切削脆性材料合理后角要小一些；切削塑性材料宜取較大的合理后角。工藝系統(tǒng)剛度差，為減小系統(tǒng)的振動(dòng)，合理后角應(yīng)小一些；有尺寸要求的刀具，重磨后要保證尺寸基本不變，合理后角應(yīng)選小一些。

副后角αo′的選擇，一般αο′=αο，切斷刀、切槽刀等例外

四、主偏角及副偏角1.主偏角的功用影響殘留面積的高度影響切削層的尺寸和刀尖強(qiáng)度、斷屑的效果影響切削分力的分配2.主偏角的選擇原則在機(jī)床工藝系統(tǒng)剛度足夠的情況下，選用較小的主偏角，系統(tǒng)剛性不足時(shí)，為減小切削的振動(dòng)，應(yīng)選大一些的主偏角；加工強(qiáng)度大、硬度高的材料時(shí)，應(yīng)選小一些的主偏角；粗、半精加工的刀具，對(duì)于抗沖擊性差的刀具材料（如硬質(zhì)合金），應(yīng)選大的主偏角以減小振動(dòng)；對(duì)用于單件小批量生產(chǎn)的刀具，為求一刀多用，一般κr=45°或90°。3.副偏角的選擇

副偏角的功用：形成已加工表面選擇原則：減小副偏角κr?，則可以顯著減少切削后的殘留面積。精加工的副偏角κr?要比粗加工小，可以采用修光刃。加工硬度、強(qiáng)度高的材料時(shí)，可以減小副偏角κr?。但κr?太小就會(huì)增加副后刀面同已加工表面之間的摩擦，從而可能引起振動(dòng)。副偏角κr?的合理數(shù)值。一般取κr?=4°~6°。切斷刀、槽銑刀等為了保證刀頭強(qiáng)度和重磨后寬度變化較小，只能取很小的副偏角κr?=1°~2°。

4.過渡刃的選擇圓弧過渡刃能減小表面粗糙度，增加刀頭強(qiáng)度，改善散熱條件；但過大會(huì)使Fp增大并影響斷屑直線過渡刃主要用于車刀、可轉(zhuǎn)位面銑刀和鉆頭的粗、半精加工和斷續(xù)切削修光刃應(yīng)平直鋒利，裝刀平行于進(jìn)給方向，主要用于工藝系統(tǒng)剛性足夠的車刀、刨刀和面銑刀的較大進(jìn)給量半精加工五、刃傾角的功用及其選擇

1.功用影響切屑的卷曲和流出的方向：當(dāng)λs為負(fù)值時(shí)，切屑流向已加工表面，容易將已加工表面劃傷；當(dāng)λs為正值時(shí)，切屑則朝著待加工表面流出。影響刀尖強(qiáng)度影響切削刃的鋒利性影響各切削分力的比值影響切削過程的平穩(wěn)性2.刃傾角的選擇一般鋼材和灰鑄鐵，粗加工時(shí)常取λs=0°～-5°；精加工時(shí)，一般取λs=0°～5°。加工有色金屬，一般取λs=5°～10°。對(duì)有沖擊載荷的加工，一般λs=-5°～-15°。當(dāng)系統(tǒng)剛度不足時(shí)，為減小切削力盡量不用負(fù)刃傾角。金剛石和立方氮化硼刀具，為提高抗沖擊能力，一般取λs=0°～-5°。加工淬硬鋼，為提高刀尖的強(qiáng)度，一般取λs=-5°～-12°。4.5切削用量的選擇合理的切削用量是指在保證加工質(zhì)量的前提下，充分利用刀具切削性能和機(jī)床性能，獲得高生產(chǎn)率和低加工成本的切削用量。粗加工的目的是盡快切除加工余量，應(yīng)先采用盡可能大的背吃刀量，其次選擇大的進(jìn)給量，最后根據(jù)刀具耐用度確定合適的切削速度。精加工首先保證加工精度和表面質(zhì)量，同時(shí)兼顧必要的刀具耐用度和生產(chǎn)效率。首先選取較小的ap和f，最后利用切削用量手冊(cè)選取或者用公式計(jì)算確定vc。一、背吃刀量ap的確定

一般根據(jù)加工性質(zhì)與加工余量確定ap。粗加工(Ra50～12.5μm)時(shí)，在機(jī)床功率和刀具強(qiáng)度允許情況下，一次走刀應(yīng)盡可能切除全部余量。在中等功率機(jī)床上，ap可達(dá)5～10mm；半精加工(Ra6.3～3.2μm)時(shí)，ap取為1.5～5mm；精加工(Ra1.6～0.8μm)時(shí)，ap取為0.05～1mm粗加工多次走刀：工藝系統(tǒng)剛度低，余量不均勻；余量過大；斷續(xù)切削應(yīng)盡量使ap超過硬皮或冷硬層厚度，以預(yù)防刀尖過早磨損二、確定進(jìn)給量f粗加工時(shí)，f的大小主要受機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、刀具的強(qiáng)度與剛性、工件的裝夾剛度等因素的限制，一般