第二章制造工艺装备

第二章制造工艺装备 第一节金属切削刀具的基本知识金属切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。金属切削加工要切除工件上多余的金属，形成已加工表面，必须具备两个基本条件：切削运动(造型运动)和刀具(几何形态)。造型运动的复杂程度将影响机床的结构。刀具的复杂程度将影响刀具刃磨制造的难易程度，同时也会促进刀具材料、刀具制造工艺的发展。

1. 切削运动 一、金属切削加工的基本概念

（1）主运动 ①主运动方向 ②切削速度vc 由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动, 它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑, 从而形成工件的新表面。在切削运动中，主运动速度最高、耗功最大，是切下切屑所必须的基本运动。切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。

（2）进给运动 （3）合成切削运动 ①进给运动方向 ②进给速度vf 刀具与工件之间附加的相对运动, 它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑, 从而形成具有所需几何特性的已加工表面。进给运动可由刀具完成(如车削)，也可由工件完成(如铣削)，可以是间歇的（如刨削）, 也可以是连续的（如车削）。切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。

各种切削加工的切削运动

2、切削加工过程中的工件表面 • 切削刃相对于工件的运动过程, 就是表面形成过程。 • 在这个过程中, 切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表面和已加工表面。 • 有两个要素，一是切削刃, 二是切削运动。 • 不同的切削运动的组合,即可形成各种工件表面。

（2）已加工表面 （3）过渡表面（1）待加工表面车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面（图1-1）。工件上待切除的表面。工件上经刀具切削后产生的新表面。工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。

（1）切削用量要素 ①切削速度 ②进给量切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。 3、切削要素对切削运动定量描述的重要指标之一。外圆车削的切削速度为 vc =πdwn/1000 是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。当主运动是回转运动时，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，单位为mm/r；当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或mm/齿。它与进给量f的关系为f=zfz 车削时进给速度vf可由下式计算vf=fn 铣削时进给速度为vf=fn=zfzn 合成切削速度ve可表达为 vc=ve+vf

③背吃刀量ap vc、f、ap构成了普通外圆车削的切削用量三要素。材料切除率，用Qz表示在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸,外圆车削: ap＝(dw-dm)/2 三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min， Qz=1000vcfap

（2）切削层参数 ①切削层公称厚度hD ②切削层公称宽度bD 切削层是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层（图1－2）。垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 hD＝fsinKr 平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 bD＝ap／sinKr

图2－3 车削时的切削层尺寸

③切削层公称横截面积AD 在切削层参数平面内度量的横截面积。 AD＝hDbD=apf 上述公式中可看出 hD、bD均与主偏角有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或f、ap有关。

由工作部分和非工作部分构成。 车刀的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。二、刀具角度（一）刀具的构成

（1)前刀面Aγ切屑流过的刀面。 （2)主后刀面Aα与工件正在被切削加工的表面（过渡表面）相对的刀面。（3)副后刀面Aα‘与工件已切削加工的表面相对的刀面。刀具切削部分的基本定义 1.刀面图2－4

图2－4 车刀的构成

（1）主切削刃S前面与主后面在空间的交线。 （2）副切削刃S'前面与副后面在空间的交线。三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。 2.刀刃 3．刀尖

（三）定义刀具角度的参考系 • 刀具角度是为刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。 • 用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系; • 参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系两类。

在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平面参考系等。 1．刀具静止参考系

(1)基面pr (2)切削平面ps (3)正交平面po 2.正交平面参考系由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。图2－6 通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。

图2-6 正交平面参考系

（1）基面中测量的刀具角度 1）主偏角κr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。 2）副偏角κr′副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。 3）刀尖角εr主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。εr=180°-(κr ＋κr′) εr是标注角度是否正确的验证公式之一。 4）主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径rε描述，当rε=0时为尖角过渡，rε＞0时为圆角过渡，直线过渡时用κε 和 bε参数描述(图1-6)p10。（三）刀具的标注角度

（2）切削平面中测量的刀具角度 1）刃倾角λs 主切削刃与基面之间的夹角。 • 它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。 • 当主切削刃与基面平行时λs=0°； • 当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时λs ＞0°； • 反之λs ≤0°。

（3）正交平面中测量的刀具角度 1)前角γO前面与基面之间的夹角。 2)后角αo 后面与切削平面之间的夹角。 3)楔角βo前面与后面之间的夹角，它是个派生角。它与前角、后角有如下的关系：βo＝90°－(γO＋αo) βo也是判断标注是否正确的验证式之一。说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。

图2－7 车刀的主要角度

（1）法平面pn与法平面参考系 1)法平面通过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面 2)法平面参考系 pr、ps、pn组成的参考系。（图1-4）刀具角度标注见图1-5。 3.其它刀具标注参考系

图正交平面参考系与法平面参考系

（2）假定工作平面pf、及其参考系 1)假定工作平面通过切削刃上选定点并垂直于该点基面以及其方位平行于假定进给运动方向的平面。 3)假定工作平面参考系pr、pf、pp组成的参考系。

与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动υe或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。由于工作基面的变化，将带来工作切削平面pse的变化，从而导致工作前角γoe、工作后角αoe的变化。（四）刀具工作角度刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。 1．刀具工作参考系的建立

(1)工作基面pre (2)工作切削平面pse (3)工作正交平面poe 刀具工作参考系通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。

在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度(γoe 、αoe 、κre、κ’re、α’oe 、λse)的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。 2．刀具工作角度的分析

（1）进给运动对工作前、后角的影响 1）横向进给运动对工作前、后角的影响

2）轴向进给运动对工作前、后角的影响 轴向进给车外圆时，合成切削运动产生的加工轨迹是阿基米德螺旋线，从而使工作前角γoe增大、工作后角αoe 减小(图2-10)。

图2－10 轴向进给运动对工作角度的影响

（3）刀具安装位置对刀具工作角度的影响 1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响 • 用刃倾角λs=0°车刀车削外圆时，由于车刀的刀尖高于工件中心，使其基面和切削平面的位置发生变化，工作前角γoe增大，而工作后角αoe减小。 • 若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。 • 加工内表面时，情况与加工外表面相反。如图2-11所示。图2－11

图2－11 刀尖安装高低对工作角度的影响

2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响 • 当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。如图1-12所示。

图2－12车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响图2－12车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响

金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料。金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。因此，材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。三、刀具材料

（1）高的硬度和耐磨性 （2）足够的强度和韧性（3）高的耐热性与化学稳定性（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性（5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。 1. 刀具材料应具备的性能

工具钢 硬质合金陶瓷超硬刀具材料 2. 常用刀具材料包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼等。高速钢和硬质合金的主要物理力学性能见表2-1、2(p15)。

1．高速钢 • 它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。 • 热处理后硬度可达62～66HRC, 抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度在500～650°C时仍能进行切削。 • 由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。

（1）高速钢的分类 • 按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。 • 按制造工艺可分为:熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。 • 按基本化学成份可分为:钨系和钼系。

（2）常用高速钢的牌号与性能 • 通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。 • 高性能高速钢高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67～70HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42、5O1。 • 粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。高速钢的主要物理力学性能见表2-1(p15)。

2．硬质合金 • 硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造； • 硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。 • 硬质合金刀具常温硬度为89～93HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800～1000°C。 • 硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5～10倍。

（1）硬质合金的分类 • 钨钴类（WC+Co）； • 钨钛钴类（WC+TiC+Co）； • 添加稀有金属碳化物类（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co）； • 碳化钛基类（TiC+WC+Ni+Mo）。

（2）常用硬质合金的牌号及其性能 • 钨钴类硬质合金代号为YG，属K类。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。 • 钨钛钴类硬质合金代号为YT，属P类。它以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。 • 钨钛钽（铌）类硬质合金代号为YW，属M类。它在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。 • 常用硬质合金的牌号与性能见表2-2（p18)。

（1）TiC涂层 （2）TiN涂层 3．涂层刀具材料在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。

（4）TiC-Al203复合涂层 （3）TiC—TiN复合涂层第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。

（2）金刚石刀具材料 （1）陶瓷刀具材料 4．其它刀具材料 • 以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。 • 其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强； • 其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制； • 可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。 • 碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。 • 由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达65～70HRC的材料。 • 也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。 • 缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。

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