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文檔簡介
1.5金屬切削條件的合理選擇金屬切削過程除了要求刀具具有適當的幾何參數外,還要求刀具材料對工件要有良好的切削性能。
刀具材料(cuttingtoolmaterials)在切削時要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊、振動,金屬切削過程中的加工質量、加工效率、加工成本,在很大程度上取決于刀具材料的合理選擇。金屬切削原理(三)1.刀具材料應具備的性能(1)高的硬度和耐磨性(2)足夠的強度和韌性(3)高的耐熱性與化學穩定性(4)有鍛造、焊接、熱處理、磨削加工等良好的工藝性(5)導熱性好,有利于切削熱傳導,降低切削區溫度,延長刀具壽命,便于刀具的制造,資源豐富,價格低廉。
1.5.1刀具材料的選擇2.常用刀具材料工具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼。硬質合金有鎢鈷類硬質合金、鎢鈦鈷類硬質合金和鎢鈦鉭(鈮)類硬質合金。陶瓷超硬刀具材料推廣使用新型刀具材料如涂層刀具、陶瓷刀具、天然金剛石、聚晶金剛石、立方氮化硼等。
(2)高速鋼高速鋼(highspeed
steel)是一種加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼。熱處理后硬度可達62~66HRC,抗彎強度約3.3GPa,有較高的熱穩定性、耐磨性、耐熱性。切削溫度在500~650°C時仍能進行切削。適合于制造結構和刃型復雜的刀具,如成形車刀、銑刀、鉆頭、插齒刀、剃齒刀、螺紋刀具和拉刀等。按用途可分為:通用高速鋼和高性能高速鋼。按制造工藝可分為:
熔煉高速鋼、粉末冶金高速鋼和表面涂層高速鋼。按基本化學成份可分為:
鎢系和鉬系。
1)高速鋼的分類
2)常用高速鋼的牌號與性能通用型高速鋼W18Cr4V(18-4-1)由于鎢價高,熱塑性差,碳化物分布不均勻等原因,目前國內外已很少采用。高性能高速鋼
高性能高速鋼是指在通用型高速鋼中增加碳、釩、鈷或鋁等合金元素,使其常溫硬度可達67~70HRC,抗氧化能力、耐磨性與熱穩定性進一步提高。可以用于加工不銹鋼、高溫合金、耐熱鋼和高強度鋼等難加工材料。典型牌號有M42。粉末冶金高速鋼
粉末冶金高速鋼是用高壓氬氣或純氮氣霧化熔融的高速鋼鋼水而得到細小的高速鋼粉末,然后再熱壓鍛軋制成。適用于制造精密刀具、大尺寸(滾刀、插齒刀)刀具、復雜成形刀具、拉刀等。硬質合金(carbides)是由高硬度和高熔點的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NbC等)和金屬粘結劑(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工藝制成。硬質合金刀具常溫硬度為89~93HRA,化學穩定性好,熱穩定性好,耐磨性好,耐熱性達800~1000°C。硬質合金刀具允許的切削速度比高速鋼刀具高5~10倍。但強度、韌度均較高速鋼低,工藝性也不如高速鋼。常制成各種型式的刀片,焊接或機械夾固在車刀、刨刀、端銑刀等的刀柄(刀體)上使用。
(3)硬質合金鎢鈷類(WC+Co);YG,屬K類鎢鈦鈷類(WC+TiC+Co);YT,屬P類鎢鈦鉭(鈮)類硬質合金(WC+TiC+TaC+(NbC)+Co)
:YW,屬M類1)硬質合金的分類
2)常用硬質合金的牌號及其性能K(YG)(鎢鈷類)類硬質合金:有較好的韌性、磨削性、導熱性,適合加工短切屑的金屬或非金屬材料,如淬硬鋼、鑄鐵、銅鋁合金、塑料等。其代號有K01、K10、K20、K30、K40等,數字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用K01;半精加工可用K10,K20;粗加工選用K30。P類(YT)(鎢鈦鈷類)硬質合金:
以WC為基體,添加TiC,用Co作粘結劑燒結而成。合金中TiC含量提高,Co含量就低,其硬度、耐磨性和耐熱性進一步提高,但抗彎強度、導熱性、特別是沖擊韌性明顯下降,適合于精加工。適合加工長切屑的黑色金屬,如鋼、鑄鋼等。其代號有P01、P10、P20、P30、P40、P50等,數字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用P01;半精加工選用P10、P20;粗加工選用P30。
M類(YW)(鎢鈦鉭(鈮)類):在YT(P)類硬質合金中加入TaC或NbC,可提高抗彎強度、疲勞強度、沖擊韌性、抗氧化能力、耐磨性和高溫硬度等,既適用于加工脆性材料,又適用于加工塑性材料。適合加工長(短)切屑的金屬材料,如鋼、鑄鋼、不銹鋼等難切削材料等。其代號有M10、M20、M30、M40等,數字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用M10;半精加工可用M20;粗加工選用M30。
(4)涂層刀具材料通過氣相沉積或其它技術方法,在韌牲較好的刀具基體上,涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物,既能提高刀具材料的耐磨性,又不降低其韌性。常用的涂層(coated)材料有TiC、TiN、Al203及其復合材料等,涂層厚度隨刀具材料不同而異。1)TiC涂層硬度高、耐磨性好、抗氧化性好,切削時能產生氧化鈦膜,減小摩擦及刀具磨損。2)TiN涂層在高溫時能產生氧化膜,與鐵基材料摩擦系數較小,抗粘結性能好,并能有效降低切削溫度。3)TiC—TiN復合涂層第一層涂TiC,與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂TiN,減少表面層與工件間的摩擦。4)TiC-Al203復合涂層第一層涂TiC,與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂Al203可使刀具表面具有良好的化學穩定性和抗氧化性能。目前單涂層刀片已很少應用,大多采用TiC-TiN復合涂層或TiC-Al2O3-TiN三復合涂層。(5)其它刀具材料1)陶瓷刀具材料以氧化鋁或以氮化硅為基體再添加少量金屬,在高溫下燒結而成的一種刀具材料。其優點是硬度高,耐磨性、耐高溫性能好,有良好的化學穩定性和抗氧化性,與金屬的親合力小、抗粘結和抗擴散能力強;其缺點是脆性大、抗彎強度低,沖擊韌性差,易崩刃,所以使用范圍受到限制;可用于鋼、鑄鐵類零件的車削、銑削加工。2)金剛石刀具材料
碳的同素異形體,在高溫、高壓下由石墨轉化而成,是目前人工制造出的最堅硬物質。由于硬度極高,耐磨性好,切削刃口鋒利,刃部表面摩擦系數較小,不易產生粘結或積屑瘤,可用于加工硬質合金、陶瓷等硬度達65~70HRC的材料。也可用于加工高硬度的非金屬材料,如石材、壓縮木材、玻璃等,還可加工有色金屬,如鋁硅合金材料以及復合難加工材料的精加工或超精加工。缺點是熱穩定性差,強度低、脆性大,對振動敏感,只宜微量切削,與鐵有強烈的化學親合力,不能用于加工鋼材。3)立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是一種人工合成的新型刀具材料,它由六方氮化硼在高溫、高壓下加入催化劑轉化而成。它有很高的硬度及耐磨性,熱穩定性好,化學惰性大,與鐵系金屬在1300℃時不易起化學反應,導熱性好,摩擦系數低。因此可用于高溫合金、冷硬鑄鐵、淬硬鋼等難加工材料的加工。
應當指出,加工一般材料大量使用的仍是普通高速鋼及硬質合金,只有在加工難加工材料時,才考慮選用新牌號合金或高性能高速鋼,在加工高硬度材料或精密加工時,才考慮選用超硬材料。1.5.2刀具角度的選擇1.前角γO
(1)功用γO
刀刃鋒利,切屑變形切削力和切削功率刀刃和刀尖強度,散熱體積刀具壽命γo1Prγo2(2)選擇取決于:工件材料、刀具材料及加工要求。工件材料強度、硬度較低時,應取較大前角,反之應取較小的前角。加工塑性材料時,應取較大前角,加工脆性材料時,應取較小的前角。刀具材料韌性好(高速鋼),取較大前角,反之(硬質合金)取較小前角。粗加工時,取較小前角,精加工時,取較大前角。
2.后角αo
(1)功用αo
后刀面與工件的摩擦后刀面的磨損率(2)選擇取決于:加工要求、工件材料及工藝系統剛度。粗加工或工件材料較硬,后角取較小值;工件材料越軟、塑性越大,后角越大;工藝系統剛度較差時,適當減小后角;3.主偏角κr
和副偏角κr′
(1)功用Kr和Kr′
刀刃強度表面粗糙度背向力FP殘留面積高度,散熱條件刀具壽命,工件易變形kr1Kr’kr2FpFf(2)選擇工藝系統剛性較好時,主偏角取較小值;反之取較大值。副偏角大小取決于表面粗糙度(5°?15°),粗加工時取大值,精加工取小值。4.刃傾角λs
(1)功用(2)選擇主要影響刀頭的強度、切削分力和切屑的流動方向。加工一般鋼料和鑄鐵,無沖擊時:粗車λs
=0°?-5°,精車λ
s
=0°?+5°;有沖擊時:λ
s
=-5°?-15°;特別大時:λ
s
=-30°?-45°。切削加工高強度鋼、冷硬鋼時:λ
λ
s
=-30°?-45°。1.5.3刀具耐用度的選擇原則復雜的、高精度的、多刃的刀具耐用度應選得比簡單的、低精度的、單刃的刀具高。對于機夾可轉位刀具,由于換刀時間短,為使切削刃始終處于鋒利狀態,刀具耐用度可選得低些。對于換刀、調刀比較復雜的數控刀具、自動線刀具以及多刀加工時,刀具耐用度應選得高些,以減少換刀次數,保證整機和整線的可靠工作。精加工刀具切削負荷小,刀具耐用度應比粗加工刀具選得高些。大件加工時,為避免一次進給中中途換刀,刀具耐用度應選得高些。1.5.4切削用量的選擇1.選擇切削用量的原則合理切削用量是指使刀具的切削性能和機床的動力性能得到充分發揮,并在保證加工質量的前提下,獲得高生產率和低加工成本的切削用量。粗加工時,一次走刀盡可能切除全部余量,被吃刀量等于加工余量。半精加工時,被吃刀量取為0.5~2mm。精加工時,被吃刀量取為0.1~0.4mm(1)被吃刀量的選定2.被吃刀量、進給量和切削速度的選定(2)進給量的選定生產實際中多采用查表法確定進給量。粗加工時,進給量由機床進給機構強度、刀具強度與剛性、工件的裝夾剛度決定。精加工時,進給量由加工精度和表面粗糙度決定。(3)切削速度的選定
在ap、f值選定后,根據合理的刀具耐用度或查表來選定車削速度。在生產中選擇切削速度的一般原則是:
1)粗車時,
ap、f較大,故選擇較低的v;精車時,ap
、f
均較小,故選擇較高的v。
2)工件材料強度、硬度高時,應選較低的v。
3)切削合金鋼比切削中碳鋼切削速度應降低20%~
30%;切削調質狀態的鋼比正火、退火狀態鋼要降低20%~30%;切削有色金屬比切削中碳鋼的切削速度可提高100%~300%;(4)刀具材料的切削性能愈好,切削速度也選得愈高。(5)精加工時,應盡量避開積屑瘤和鱗刺產生的區域。(6)斷續切削及加工大件、細長件和薄壁工件時,應適當降低切削速度。(7)在易發生振動的情況下,切削速度應避開自激振動的臨界速度。
3.粗、精加工選擇切削用量的原則
粗加工:首先選取盡可能大的被吃刀量;其次根據機床動力和剛性限制條件或加工表面粗糙度的要求,選取盡可能大的進給量;最后利用切削用量手冊選取或者用公式計算確定切削速度。
精加工:主要考慮加工質量,常選用較小的背吃刀量和進給量,較高的切削速度,只有在受到刀具等工藝條件限制不宜采用高速切削時才選用較低的切削速度。
1.5.5切削液選擇1.切削液的作用(1)切削液的冷卻作用(2)切削液的潤滑作用使用切削液后,切屑、工件與刀面之間形成完全的潤滑油膜,成為流體潤滑摩擦,此時摩擦系數很小;實際情況是屬于邊界潤滑摩擦,其摩擦系數
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