车刀讲义.doc

1、车削刀具讲义一、基本定义 （预计：2 课时）1. 切削运动与工作表面1.1. 切削运动：切削加工必须具备以下 2 种运动 主运动：促使刀具与工件之间产生相对运动。 进给运动：促使刀具与工件之间产生附加的相对运动。由主运动和进给运动合成的运动称合成切削运动，刀具切削刃上选定点相 对工件的瞬间合成运动方向成合成切削运动方向。1.2. 切削时产生的表面 待加工表面：工件上有待被切除的表面。 已加工表面：工件上经刀具切削后产生的表面。 过度表面：工件上由切削刃形成的那部分表面，在下一切削过程中被切除。2. 刀具切削部分的几何角度重点介绍刀具静止角度参考系；刀具各静止参考系间几何角度的换算；刀具工作角度

2、换算。2.1. 车刀的组成 前面(A r)：刀具上切屑流 过的表面。 主后面(A a)：刀具上与前面相交形成主切削刃，即刀具与过度表面相对的表面。 副后面(A a)：刀具上与前面相交形成副切削刃的表面。 切削刃：刀具前面上拟用于切削的刃，有主切削刃、副切削刃之分。 刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一小部分切削刃。2.2. 刀具静止角度参考系刀具静止参考系是指用于刀具设计、制造、刃磨和测量几何参数的参考系。 刀具静止参考系的平面 基面( r)：过切削刃选定点垂直于假定主运动方向、平行（垂直）于刀具制造、刃磨和测量时安装或定位的平面（轴线）的平面。 切削平面( s)：过切削刃 选定点与切削刃相切并

3、垂直于基面的平面。 刀具静止角度参考系 正交平面( o)和正交平面参考系：过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面，并与他们组成正交平面参考系。 法平面( n)和法平面参考系：过切削刃选定点垂直于切削刃的平面，与基面和切削平面组成法平面参考系。 假定工作平面( f)、背平面 (p)及组成的参考系：过切削刃选定点平行于假定进给方向并垂直于基面的平面叫假定工作平面；过切削刃选定点同时垂直于基面和假定工作平面叫背平面。 刀具的静止角度 基面内测量的角度：主偏角(k r)：主切削平面与假定工作平面之间的夹角。副偏角(k r)：副切削平面与假定工作平面之间的夹角。刀尖角( r)：主切削平面与副切削

4、平面平面之间的夹角。三角之和等于 180。krk r r=180 正交平面内测量的角度：前角( o)：刀具前面与基面之间的夹角。后角( o)：刀具后面与切削平面之 间的夹角。楔角( o)：主切削平面与副切削平面平面之 间的夹角。三角之和等于 90。o o o =90 切削平面内测量的角度：刃倾角( s)：主切削刃与 过刀尖所作基面之间的夹角。刀尖是切削刃最高点为正值，反之为负值。 副切削刃的正交平面内测量的角度：副后角：副后面与切削平面之间的夹角。 切削刃定位的 2 视图和 2 基本角度：投影在基面上的主偏角和投影在切削平面上的刃倾角。 正交平面参考系中 4 基本角度：投影在正交平面面上的前角

5、、后角与主偏角、刃倾角。 法平面参考系中 4 基本角度：投影在法平面面上的法前角、法后角与主偏角、刃倾角。 背平面、假定工作平面参考系中 4 基本角度：投影在背平面面上的背前角、背后角与投影在假定工作平面面上的侧前角、侧后角。2.3. 刀具各静止参考系间几何角度的换算 正交平面、法平面间的角度换算公式法前角计算公式： sontgc法后角计算公式： s 正交平面、背平面、假定工作平面间的角度换算公式径向前角计算公式： rsrof tgtgcosin径向后角计算公式： rsrfc轴向前角计算公式： rsroptti轴向后角计算公式： rsroptgcttgin2.4. 刀具工作角度换算 刀具工作参

6、考系平面 工作基面：过切削刃选定点与合成切削速度方向垂直的平面。 工作切削平面：过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于工作基面的平面。 进给量对几何角度的影响 横车（切断、车端面）：轨迹为螺旋线，其切 线角度差为 f，计算公式： ；使工wfdtg作前角增加，即： ；工作后角减小， ；foefoe 纵车（外圆）：当主偏角=90、刃倾角=0时 o=fo；工作前角 ；工作后ofoe角减小， ；当主偏角90 of时；他们之间关系为：foerwrfo kdfktgsin)(sin 刀具安装位置对几何角度的影响 刀具安装高、低的影响：刀尖安装高于工件中心，工作基面倾斜 使刀具工作前角增大，工作后角减小；低于工

7、件中心则相反。倾斜角 计算公式为： ；当主2)(hdhtgw偏角90时，工作背平面倾斜 ，轴向工作角度随刀尖安装高低变化，倾斜角 计算公式p p为： ； 与 的关系为：2)(hdhtgwp rpoktgcs 刀杆轴线与进给方向不垂直时，工作主偏角、工作副偏角将发生变化。3. 切削要素3.1. 切削用量要素 切削速度： 10/ndvwc 进给速度： ，f 切削深度（背吃刀量）： 2/mwpd3.2. 切削层公称横截面要素 切削层公称横截面积（图 1-27）： pDfabhA 切削宽度： rpDkabsin/ 切削厚度： DrDbAkfh/sin二、制造刀具的材料 （预计：2 课时）1. 刀具材料

8、的性能与种类刀具材料的性能对比表材料种类 硬度HRc (HRa)抗弯强度Gpa冲击韧性kJ/m2热导率W/Mk耐热性碳素工具钢 6065 HR C 2.452.74 67.2 200250高速钢 6370 HR C 1.965.88 98588 1.6725 600700合金工具钢 6366 HR C 2.4 41.8 300400硬质合金 89 94 HRa 1.21.5 1030 3080 8001000陶瓷 91 94 HRa 0.450.85 45 2040 12001300立方氮化硼 50008500HV 1.01.5 41.8 10001200聚晶金刚石 60008500HV 2.

9、8 100108.7 7008001.1. 刀具材料必须具备的性能 硬度：刀具硬度高于 HRc60 以上。 耐磨性：与硬度和晶粒粗细及均匀程度有关。 强度和韧性：刀具承受应力和冲击的性能，反映抗弯强度和冲击韧性。 耐热性能：用红硬性或高温硬度表示。 工艺性：良好的制造、焊接、刃磨性能。1.2. 刀具材料的种类及性能比较2. 高速钢重点介绍高性能高速钢（高钒、钴、 铝高速钢）；冶金粉末高速钢及高速钢的表面处理（发黑、渗氮、涂层 ）。2.1. 普通高速钢 钨系高速钢：最常见 W18Cr4V，主要用于复杂刀具和精加工刀具。 钼系高速钢：W6Mo5Cr4V2，抗弯强度、冲 击韧性优于钨系高速钢，具有好

10、的热塑性，主要制作热轧刀具。2.2. 高性能高速钢 高钒高速钢：钒含量 35%，提高耐磨性，用于切削高 强钢。 钴高速钢：加入钴以提高高温硬度和抗氧化性能，多用于高温合金、不锈钢的加工，常 见有 W2Mo9Cr4Vco8。 铝高速钢：加入少量铝可提高耐热、耐磨性能，典型牌号 W6Mo5Cr4V2Al。2.3. 粉末冶金高速钢：在冶炼好的高速钢用高温、高压加入雾化的冶金粉末，使晶粒细化提高耐磨性能。2.4. 高速钢的表面处理： 目的：形成硬度高、耐磨性好的表层，提高刀具的切削性能。 方法：主要有蒸汽（发黑）氧化处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。 涂层：一般采用物理气相沉积（真空溅射）方法在

11、刀具表面涂 TiC、TiN、TiNAl 等高硬度薄膜，提高刀具耐磨性能。3. 硬质合金重点介绍添加微量稀有元素的硬质合金；超细晶粒硬质合金；钛基（金属陶瓷）硬质合金；硬质合金涂层技术应用。3.1. 硬质合金的性能：由硬度、熔点很高的碳化物（WC、 TiC）粉末和粘接剂（Co、Ni、Mo）经高压成形后在 1500的高温下 烧结而成。耐磨性、红硬性好，切削速度可达 100m/min 以上，是目前应用最广泛的刀具材料，但抗弯 强 度、抗冲 击性能低，使用时应避免低速性破损。3.2. 硬质合金的分类、牌号、性能及选用 碳化钨基硬质合金： 钨钴类硬质合金（ISO 标准 K 类）：主要用于铸铁、有色金属、

12、非金属和含 Ti 元素的不锈钢的加工，常见有 YG8，YG6X 等。 钨钛钴类硬质合金（ISO 标准 P 类）：主要用于钢件加工，常见 YT5，YT14，YT15，YT30。 钨钽（铌）钴类硬质合金：钨钴类硬质合金加入稀有元素坦（铌）碳化物，细化晶粒提高高温硬度、强度和抗氧化能力，主要用于高 锰钢、淬硬 钢 加工。 钨钛钽（铌）钴类硬质合金（ISO 标准 M 类）：钨钛钴类 硬质合金加入稀有元素坦（铌）碳化物，细化晶粒提高高温硬度、强度和抗氧化能力， 扩 大了应用范围，是一种通用性的刀具材料，常见的有 YW1，YW2。 碳化钛基硬质合金（金属陶瓷）：以 TiC 为主体，Ni、Mo 为粘结剂，添

13、加少量其他碳化物的硬质合金，硬度达 92.5HRA，耐高温 11001300 ，具有高抗氧化能力、高抗月牙洼磨 损能力，主要用于合金钢、淬火 钢连续切削的精加工。常见的 YN10。 表面涂层硬质 ZrN 合金： 化学气相沉积法涂层硬质合金：主要涂层材料 TiC，硬度高、耐磨性好，容易扩散到基体内。处理温度高，涂层材料单一， 对基体韧性有影响。 物理气相沉积法（真空溅射）涂层硬质合金：主要涂层材料 TiN、Al2O3、TiCN，处理温度低，涂层材料多样化，针对性较强。其中 TiN 热导率高、摩擦系数小，抗月牙洼磨损性能较好；Al2O3高温硬度和化学稳定性高，适用于高速切削；ZrN 特别适用于不锈

14、钢的加工。 复合涂层（物理涂层）：涂层材料种类更多，35 m 内可多达数百层，可充分利用各种涂层材料的特点，多种材料复合涂层是性能优于单层涂层，现在国外非常流行。 各国硬质合金牌号近似对照(部分常用牌号)ISO 国际标准代号制造厂家和商标P10 P20 P30 M10 M20 K10 K15 K20 K30中国统一牌号 YT15 YT14 YT5 YW1 YW2 YG6AYG6X YG6 YG6YG8N YG8YG8N 中国株洲硬质合金厂（钻石）YC10CN15*YB01*YB02*YB03*YB425*YB120*YC20.1CN25*YB01*YB02*YB03*YB435*YB425*Y

15、B120*YC30YS25YS30CN35*SC30YB01*YB02*YB03*YB435*YB425*YW3YW4YB03*YW3YM20YB03*YM051YD15YD10.1YD10.2CA15*CN16*YB03*YB435*YB3015*YL10.1YC25YDS15SD15CA15*CN16*YB03*YB435*YB3015*YL10.1YC25 YD20 CA25*CN26*YB03*YB435*YB3015*YL10.1YL10.2YC25YS2(YG10HT)YL10.2中国自贡硬质合金厂（长城）YT715YT712YT707YT758ZC01*ZC02*ZC03*ZC0

16、4*ZC05*ZC06*YN510*YT715YT712YT798YT758ZC01*ZC02*ZC03*ZC04*ZC05*ZC06*ZC07*YT535ZC03*ZC04*ZC07*ZC08*ZP30YT712YT707YT767YG643ZC02*ZC04*ZC05*ZC07*ZM10YT758YT726YT767YG813YG532ZC02*ZC04*ZC05*ZC07*YT726YG813YG532YG643ZC01*ZC02*ZC03*ZC04*ZC06*YN510N+YG813YG532ZC01*ZC02*ZC03*ZC04*ZC06*ZC08*ZK20YG813YG532ZC0

17、1*ZC02*ZC03*ZC04*ZC06*ZC08*YG640YG546ZC08*ZK30几种涂层材料的物理机械性能材料 熔点(C) 密度(g/cm) 硬度(HV) 弹性模量(kN/mm) 线胀系数 (10-6/K) 抗高温氧化性能 TiC 3067 4.93 2800 470 8.0 一般 TiN 2950 5.40 2100 590 9.4 一般 ZrN 2982 7.32 1600 510 7.2 较好 Al2O3 2047 3.98 2100 400 8.4 很好 制造厂家和商标ISO 国际标准代号P10 P20 P30 M10 M20 K10 K15 K20 K30YN510N*Z

18、P01+ZC08*YN520N+美国肯纳金属 KC740* KC710* KC850* KC910* K313 K68 K68 KC250* K1瑞典山特维克可乐满（Sandvik,Coromant)GC415*GC425*CT515+S1PS10TGC015*GC225*GC1025*GC415*GC425*GC435*GC015*GC225*GC1025* S30TGC415*GC425*GC435*GC015*GC225*GC1025*S30TGC135*GC235*GC415* GC415*GC425* H1PGC3015*H10GC415*GC315*GC435*H13AH1PGC3

19、015*GC415*GC315*GC435*H13AH20GC3015*H10F GC415*GC315*GC435*H13AH10F日本住友电气工业公司（Igetalloy)ST10EST10P ST20E ST30E U10E U2H1CG11G10ECG10 G2 G3日本三菱金属公司（Mitsubishi)STi10STi10T STi20STi30UTi20T UTi10 UTi20 HTi10 HTi10THTi20HTi20T HTi30德国瓦尔特公司（Walter) WP1 WP1 WP3 WK1WK1WHN33*WTN33*WK1WTN43*WK1WHN53*WTN43*德国

20、赫尔特公司（Hertel)CP1*CP3*CM2*CM3*P10CF2*CP1*CP3*CM2*CM3*P20CF2*CP3*CM2*CM3*CF2*CM2CM3KM1CF3CM3CP1CP3CM2KM1CF3CP1CP3CM2CM3KM1CF3注：标*者为涂层硬质合金；标+者为 TiC 基或 Ti(C,N)基硬质合金。4. 其他刀具材料4.1. 陶瓷刀具：具有很高硬度、耐磨性和耐热性，化学稳定性、抗亲合能力好，适用于 钢、有色金属、铸铁的半精加工、精加工。 纯氧化铝陶瓷：Al 2O3及微量添加剂（MgO）冷压烧结，硬度 9294HRA，主要用于连续切削的高速精加工。 复合氧化铝陶瓷：Al 2

21、O3添加 TiC、Ni、Mo 等合金元素 热压烧结成形，硬度 9394HRA，抗弯强度比纯氧化铝陶瓷高，主要用于连续切削的高速半精加工及精加工。 复合氮化硅陶瓷：Si3O4 基体添加 TiC、Co 热压烧结，强度高，可用于冷硬铸铁轧辊的加工。4.2. 超硬材料： 立方氮化硼（CBN ）刀具：由六方氮化硼在高温高压条件下加入催化剂转变成，硬度高（80009000HV）、耐磨性好、耐热性高（1400）和较好的化学稳定性，主要用于高温（Ni基、Co 基）合金、淬硬钢、冷硬铸铁的半精加工和精加工。 金刚石：分天然、人工两种，主要用于非黑色金属的高速精加工。三、金属切削过程的基本规律 （预计：2 课时）

22、1. 切削过程的金属变形1.1. 切屑形态及其相互关系切屑形态相互影响关系带状切屑 节状切屑 粒状切屑被加工材料韧性 好 差刀具前角 大 小进给量 小 大影响切屑形态的因素切削速度 高 低切削力波动 小 大切削平稳性 好 差加工表面粗糙度 小 大切屑形态对切削的影响断屑效果 差 好1.2. 切屑与已加工表面形成过程工件上的切削层金属受到刀具的连续偏挤压力大于其屈服极限后，出现塑性变形并产生剪切滑移离开工件被加工表面而形成切屑。切削时的三个变形区 第一变形区：当切削层以切削速度与刀具相对运动形成的塑性变形区。 剪切角即切削速度与剪切面间的夹角，由公式： 计算摩檫角即切削合)()4o力与前面垂直力之间的夹角，tg= （摩檫系数） ，切削角大小与塑性变形有关，切削角小塑性变形大。