金属切削与刀具教案

1课时序号1授课时间年月日（周）（上午、下午、晚上）审批签名教学目的熟悉基本定义，明确基本概念教学要求明确基本概念，刀具几何形状教学重点掌握常用刀具的材料的选用教学难点及处理刀具材料具备的性能教学准备相关的教具教学方法由简单的相关概念引入，讲授法作业布置习题册P1、P2填空题、选择题、判断题、简述题课后小节学生对相关的专业知识有一定的基础，对基本的还可以理解2教学内容及过程设计模块一刀具材料与切削加工基本知识课题一刀具材料的选择一、课题分析在切削加工中，刀具直接承担着切除加工余量，形成零件表面的任务。刀具切削部分的材料不仅对加工表面质量，而且对刀具寿命、切削效率和加工成本均有直接影响。在选择刀具材料时，需要考虑的因素主要包括：被加工零件的材料、切削加工速度和切削加工阶段。对于不同的被加工材料，如钢和铸铁，由于它们具有不同的切削特点，故需要选择不同的刀具材料；对于不同的加工阶段，如粗加工、半精加工和精加工等，由于加工要求不同，在选用具体刀具牌号时，也应有所不同；另外，需要指出的是切削速度在很大程度上决定着刀具材料的选用。总之，我们应当重视刀具材料的合理选用。二、相关知识(一)常用刀具材料的选用一般来说，选择刀具材料时主要考虑的因素是工件材料和切削速度。目前，我国常用的刀具材料有工具钢和硬质合金两种类型。1．低速切削时的刀具材料低速切削时，谜择工具钢作为刀具材料较为适宜，部分刀具常用工具钢见表部分刀具常用工具钢由表1—1不难看出，碳素工具钢和合金工具钢仅适合于制作诸如手用铰刀、圆板牙等手用刀具，而手用刀具工作时的切削速度一般不会高于10m／min。所以，在工具钢中高速钢才是机加工刀具的主要材料。高速钢刀具能加工碳素结构钢、合金结构钢、铸铁等常用金属，不过，由于受材料耐热温度(普通高速钢为600～700℃)的制约，对于像W18Cr4V和W6M05Cr4V2这样的普通高速钢，在使用时仍然必须注意切削速度的限制。切削中碳钢时，切削速度一般不能大于30m／rain。需要强调的是，由于高速钢具有良好的综合性能，目前在形状复杂刀具，如标准麻花钻、丝锥、铰刀、拉刀、成形车刀、成形铣刀、齿轮刀具的制造中，仍占有主要地位。3教学内容及过程设计【知识链接】高速钢是一种加入了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢，强度和韧性在现有刀具材料中最高，并且制造工艺简单，容易刃磨出锋利的切削刃，锻造、热处理变形小，所以有着良好的综合性能。高速钢按其用途和切削性能，可分为普通高速钢和高性能高速钢。高性能高速钢是在普通高速钢成分中添加碳、钒、钴、铝等合金元素后而成，由于进一步提高了材料的耐热性，其使用寿命约为普通高速钢的1.5～3倍，并能用于切削加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。我国推广使用的高性能高速钢牌号是w6M05Cr4V2Al。随着粉末冶金高速钢的出现，清除了碳化物的偏析现象，大大改善了高速钢的物理、力学性能和工艺性能，特别适用于制造切削难加工材料的形状复杂的刀具。另外，高速钢的表面处理与涂层技术的采用，大大提高了刀具的耐磨性和使用寿命。2．高速切削时的刀具材料高速度、高精度一直是切削加工的追求目标。硬质合金刀具材料因其具有较高的耐热性(耐热温度达800～1000℃)，较高的切削速度(为高速钢的4～10倍，切削中碳钢时可达100m／min以上)，在生产实际中得到了普遍的应用，已成为主要的刀具材料。【知识链接】硬质合金是将高硬度、高熔点的金属碳化物粉末，用钴等金属作为黏结剂在高温下压制、烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的性能取决于碳化物(也称硬质相)和黏结剂(也称黏结相)的比例，碳化物的多少决定了硬质合金的硬度和耐磨性，黏结剂的多少决定了硬质合金的强度。含碳化物多，适用于精加工，含黏结剂多，适用于粗加工。(1)P类硬质合金相当于我国原钨钛钴类(YT)硬质合金，主要成分为wC+TiC+co。常用牌号有P01、P10、P20、P30、P40。P类硬质合金具有较高的耐热性、较好的抗黏结、抗氧化能力，主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志。其中，P01适合精加工，P10、P20适合半精加工，P30、P40适合粗加工。特别需要指出的是，P类硬质合金不适宜切削含Ti元素的不锈钢，这是因为刀具和工件中的Ti元素之间的亲和作用会加剧刀具磨损。【知识链接】各类硬质合金牌号中的数字越大，c0的含量越多，韧性越好，适用于粗加工；如果碳化物的含量越多，则热硬性越高，韧性越差，适用于精加工。4教学内容及过程设计(2)K类硬质合金相当于我国原钨钴类(YG)硬质合金，主要成分为WC+C0。常用牌号有K0]、K10、K20、K30、K40等。K类硬质合金主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，以及含Ti元素的不锈钢，用红色作标志。解：一般情况下，加工铸铁零件可以选用普通高速钢或硬质合金中的K类作为刀具材料，但是，由于切削速度高于30m／min，故不适宜采用普通高速钢作为刀具材料，选择硬质合金刀具材料较为合适。又因为是粗加工，考虑到粗加工对刀具强度要求较高，所以最终选择牌号为K30的硬质合金作为刀具材料。(3)M类硬质合金相当于我国原钨钛钽(铌)钴类(YW)硬质合金，主要成分为WC+TiC+TaC+Co。常用牌号有M10、M20、M30、M40。M类硬质合金主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志。其中，精加工可用M10、半精加工可用M20、精加工可用M30。【知识链接】由于该类硬质合金具有高的耐热性和高温硬度，能用来切削钢或铸铁，所以又称通用硬质合金。(二)刀具材料应具备的性能1．足够的硬度和耐磨性刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必须具备的基本性能，通常要求常温下刀具材料硬度在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。2．足够的强度和冲击韧性强度是指刀具抵抗切削力的作用而不至于刀刃崩碎或刀杆折断所应具备的性能，一般用抗弯强度来表示。冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力。一般来说，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键问题。3．高的耐热性耐热性又称红硬性，是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗黏结和抗扩散的能力。耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标。刀具材料的耐热性越好，高温硬度越高，允许的切削速度就越高。【知识链接】常用刀具材料的耐热温度如下：碳素工具钢200～250℃，合金工具钢300～400。C，普通高速钢600～70C·℃，硬质合金800～1000℃。4．工艺性和经济性为了便于刀具的制造，刀具材料还应具有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能等。当然在选用刀具材料时还应综合考虑经济性。目前，超硬材料及涂层刀具材料费用较高，不过其使用寿命很长，在成批生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此，在选用时一定要综合考虑。5课时序号2授课时间年月日（周）（上午、下午、晚上）审批签名教学目的学习机床和刀具之间的切削用量教学要求掌握切削运动和切削用量教学重点掌握切削用量三要素教学难点及处理切削用量用量的选择教学准备相关的教具教学方法讲授法作业布置习题册P2、P3填空题、判断题、简述题、计算题课后小节基本能掌握计算方法，明确计算公式6教学内容及过程设计课题二切削运动和切削用量一、课题分析要完成相应零件表面的加工，酋先，离不开机床和刀具之间的相对运动，例如车削外圆时需要车床主轴(工件)的旋转运动和刀具的纵向(轴向)移动；其次，在切削加工前，必须根据加工阶段的不同，合理确定和计算切削运动参数(切削用量)的大小。这是因为：一方面，切削运动参数是切削加工前操作者调整机床的依据，例如．在车削加工前通常需要调整主轴的转速等；另一方面，切削运动参数的合理与否还影响着切削加工效率、零件加工精度和加工成本，例如，粗加工时如果切削运动速度过高，加工材料切除量过大等都会给加工带来极为不利的影响，轻则加快刀具磨损．重则引起加工振动甚至崩刃、断刀；反之，加工效率低下，加工成本提高。二、相关知识(一)切削运动要完成切削加工任务．离不开刀具和工件的运动。切削过程中工件和刀具之间的相对运动称为切削运动。根据在切削过程中所起的作用小同，切削运动分为主运动和进给运动。如车削外圆时，工件的旋转运动为主运动．刀具的轴向移动为进给运动。1．主运动主运动是指直接切除工件上多余材料(切削层)，使之转变为切屑，以形成工件新表面的运动。金属切削过程中，无论哪种切削运动，主运动只有一个，且它的速度通常较高，功率消耗也较大，约占功率总消耗的90％左右。主运动可以由工件完成，例如，车削加工时工件的旋转运动；也可以由刀具完成，例如，铣削、钻削加工中的铣刀、钻头的旋转运动。2．进给运动使新的切削层不断投入切削的运动称为进给运动。切削运动中，进给运动可以是一个(如钻削加工时)或多个(如磨削加工时)，进给运动通常速度较低、功率消耗较小，例如，车削外圆时，刀具进给运动仅消耗切削总功率的10％左右。【知识链接】切削过程中，随着切削运动的进行，在工件上形成了3个不断变化着的表面(见图1—2a)。它们是已加工表面、待加工表面和加工表面(也称过渡表面)。工件上即将被切去金属层的表面称为待加工表面；工件上经刀具切除多余金属后形成的新表面称为已加工表面；工件上由切削刃正在切削的表面称为加工表面。在以后定义和判别刀具上的刀面时要用到这些概念，务必弄清。(二)切削用量三要素我们已经知道，切削加工中必须考虑切削运动的大小，以满足切削加工生产率、工件的加工质量、切削加工的经济性等方面的要求。用来表征切削运动大小的参数称为切削用量，它也是金属切削加工之前操作者调整机床的依据。一般来说，切削用量包括切削速度、背吃刀量和进给量3个要素。1．切削速度主运动的线速度称为切削速度，它是用来表示主运动大小的参数。外圆车刀车削外圆时的切削速度计算式为：1000ndw式中wd——工件待加工表面的直径，（mm）；n——工件的转速，（sr/）。7教学内容及过程设计2．背吃刀量已加工表面和待加工表面间的垂直距离称为背吃刀量，单位为nlrn。)(21mwpdda式中wd——工件待加工表面的直径，（mm）md——工件已加工表面的直径，（mm）【知识链接】以上仅给出了外圆车削时的计算公式，内孔车削时的背吃刀量为已加工表面直径与待加工表面直径之差的一半。3．进给量进给量是指工件(或刀具)每转一转，刀具沿进给方向移动的距离，单位为mnl／r。加工时，一般根据加工性质来选取其大小。粗加工时，可选择较大的进给量以提高加工效率；精加工时则应选择较小的进给量以保证工件的表面质量。通常将每分钟刀具沿进给方向移动的距离称为进给速度，单位为mm／min。【知识链接】进给量的完整概念是指工件或刀具每转一转(或往复一次)或刀具每转过一齿时，工件与刀具在进给方向的相对位移，这里涵盖了各种切削加工方法，以上仅给出了车削加工时进给量的含义。另外，在数控加工中，进给运动的单位通常有转进给和分进给两种表示方式，其实，就是以上所说的进给量和进给速度。zfnzfnf式中n——主运动的转速，（sm/）；z——刀具齿数。(三)切削用量选择处理好效率与精度的关系是选择切削用量的关键所在。切削用量总的选择原则是：粗加工以效率为主，精加工以精度为主。一般选择顺序为：先选择背吃刀量，再选择进给量，最后选择切削速度。粗加工时优先采用大的背吃刀量，其次采用较大的进给量，最后选择合理的切削速度。精加工时首先选择较小的背吃刀量，再选择较小的进给量，最后选择较高(对于硬质合金刀具)或较低(对于高速钢刀具)的切削速度。1．背吃刀量的选择背吃刀量应根据机床、工件和刀具的刚度来确定，在刚度允许的条件下，除留给下道工序的余量外，其余的材料尽可能一刀切除，．这样可以减少走刀次数，提高生产效率，例如，课题引入中的粗加工实例通常情况下可以考虑一刀完成。当余量太大或工艺系统刚性较差时，所有余量(A)