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关于车床知识第四章

日期:2017/11/9   浏览:11338

 

第四章 车 刀

 

在金属车削加工过程中,车床是形成切削运动和动力的来源,车刀则直接改变毛坯的形状,使其达到所需要零件的形状和技术条件的工作部件。车刀的种类很多,在实际生产中,根据零件加工需要,可以自制所需车刀。图4-1所示为生产中常用车刀类型,图4-2为实际生产中所用自制车刀。

 

 

车刀的性能直接影响着产品质量和生产效率。车刀材质、几何形状和角度是影响车刀本身性能的主要因素,此外切削用量、刃磨技术等也是影响车刀切削状态的重要因素影响,需合理选择,现综合叙述如下。

 

 

第一节 车刀材料的选择

 

车刀的使用寿命和生产效率取决于车刀材料的切削性能。车刀由刀头和刀杆两部分组成,刀杆一般是用碳素结构钢制成。由于刀头担任切削工作,因此刀头材料必须具有下列基本性能:

 

1)冷硬性。车刀在常温时具有较高的硬度,即车刀的耐磨性。2)红硬性。车刀在高温下保持切削所需的硬度,该温度的最高值称为"红热硬度"

 

3)韧性。车刀切削部分承受震动和冲击负荷所具有的强度和硬度。

 

车刀材料的以上三种性能是相互联系、相互制约的,在具体选用时,要根据工件材料的性能和切削要求分析选用,同时还要结合车刀材料在价格、工艺性能方面加以考虑,以便于以较低的成本加工、刃磨和焊接制造车刀。

 

各种车刀材料的基本性能优劣顺序比较见表4-1

 

 

目前用来作车刀切削部分的材料主要有高速钢、硬质合金和非金属材料,碳素工具钢、合金工具钢多用作钻头、丝锥等工具,用作车刀的较少。现分别介绍作车刀刀头的两种主要材料:高速钢及硬质合金。

 

一、高速钢

 

高速钢是一种含钨、铬、钒较多的合金钢,又名锋钢、风钢或白钢。常用的有Wl8Cr4VW9Cr4V2两种牌号。其中用得最多的是Wl8Cr4V高速钢。它们的化学成分如表4-2所示。

 

 

高速钢材料分为带黑皮的高速钢和表面磨光的高速钢两种。前者是未经热处理的高速钢,后者是经热处理的高速钢。高速钢硬度较高,具有一定的红热硬性,韧性和加工性能均较好。高速钢车刀制造简单,刃磨方便,容易磨得锋利。由于高速钢韧性好,常用于加工一些冲击性较大、形状不规则的零件,它也常用于制作精车刀,但因红硬性不如硬质合金,故不宜用于高速切削。

 

二、硬质合金

 

硬质合金是由难熔材料的碳化钨、碳化铁和钴的粉末在高压下成形,经l3501560"(2高温烧结而成的材料,具有极高的硬度,仅次于陶瓷和金刚石。硬质合金的红硬性很好,在1000℃左右仍能保持良好切削性能;具有较高的使用强度,其抗弯强度可高达1000--1700MPa,但脆性大、韧性差、怕震,以上这些缺点可通过刃磨合理的角度加以克服,因此,硬质合金现已被广泛应用。

 

常用的硬质合金可根据其制造的合金元素不同,分为以下四类:

 

1.钨钴合金

 

由碳化钨和钴组成,常温时的硬度为HRA8792,红硬性为800--900,代号为YG,常用牌号为YG3YG3XYG6YG6XYG8YGll等。其中YG3XYG6X属于细颗粒碳化钨合金。YA6则是我国试制成功的一种含有少量碳化钴的细颗粒硬质合金。

 

钨钴合金冷硬性很高,韧性也较好,宜用于加工脆性材料,如金属蚀口铸铁,也可车削冲击性较大的工件。由于它的红硬度较差,在600℃时,钨钴合金容易和切屑粘结,使刀头前面磨损,故不宜用于车削软钢等韧性金属。

 

YG6X细颗粒碳化钴合金耐磨性较好,其强度近似YG6,因此车削冷硬合金铸铁、耐热合金钢及普通铸铁等都有良好效果。

 

2.钨钛钻合金

 

由碳化钨、碳化钛及元素钻组成,代号用YT表示,常用的有YT5YTl4YTl5YT30等牌号。钨钴钛合金的冷硬性能和红硬性能比硬质合金高。在高温条件下比钨钴合金耐热耐磨、抗粘性大,宜于加工钢料及其他韧性金属材料,但由于性脆,不耐冲击,故不宜加工脆性金属。

 

3.钨钴钛铌合金

 

它是钨钴钛合金中的新产品,由碳化钨、碳化钛、钴、少量碳化铌组成,代号为YW,常用牌号为YWlYW2。它的耐磨性和热硬性都比较好,适用于切削各种铸铁和特殊合金钢材,如不锈钢、耐热钢、高锰钢等较难加工的材料。

 

4.钨钴铌类合金

 

这是一种含有少量碳化铌的细颗粒钨钻类硬质合金,代号为YA,常用牌号为YA6。它的耐磨性能更高,适合于不锈钢、耐热钢、特硬铸铁、铁合金、硬塑料、玻璃和陶瓷等的加工。

 

在选用硬质合金时,应根据硬质合金本身性能特点、加工工件材料和切削条件等因素综合考虑。表4-3为常用硬质合金使用性能及使用范围,可作为选用的参考。

 

除高速钢和硬质合金两种常用车刀切削材料外,还有碳素工具钢、合金工具钢、金刚石、陶瓷等。碳素工具钢、合金工具钢的切削性能差,而金刚石价格高,以上三者都较少采用。

 

由于陶瓷材料比硬质合金的红硬性更高,耐磨性好,价格低,正成为一种应用广泛的刀具材料,但由于该种材料性脆、怕冲击、刃磨困难,所以在使用时仍受到一定的限制。表4-4是常用车刀材料的特性及其切削成本对比情况。

 

 

第二节 车刀刀具几何角度的选择及变化分析

 

为了顺利地进行切削,必须了解车刀切削部分的几何角度及其几何角度在切削过程中变化。

 

一、车刀切削部分的几何角度

 

1.车刀的组成部分

 

车刀的刀头是车刀的切削部分。它由以下部分组成:

 

(1)前刀面:切屑流出时,刀头与切屑相接触的表面,又称前面,用符号八表示。

 

(2)主后刀面:刀头上与切削表面相对的表面,又称主后面,用符号A表示。

 

(3)副后刀面:刀头上与工件已加工表面相对的表面,又称副后面,用符号"表示。车刀组成部分见图4-3

 

(4)主切削刃:前面与主后刃面的交线,它担负主要的切削工作。

 

(5)副切削刃:前面与副后刃面的交线,它也起切削作用。

 

(6)刀尖:主切削刃与副切削刃的交点。

 

任何车刀都由以上部分组成,只是数目不完全相同,如普通外圆车刀的刀头部分一般由三面、两刃和一尖组成,但切断刀则由两个副切削刃和两个刀尖组成。

 

 

刀头部分的切削刃可以是直线,也可以是曲线,如样板车刀的切削刃就是曲线。

 

2.辅助基准面

 

为了确定和测量车刀的几何角度,需要选择几个辅助平面作为基准面.见图4-4

 

 

(1)切削平面:通过切削平面并与该点切削速度方向相垂直的平面,用符号P,表示。

 

(2)基面:通过切削刃选定点并与工件过渡表面相切,且垂直于切削平面的平面,用符号P。表示。

 

(3)正交平面:通过主切削刃选定点且垂直于主切削平面和基面的平面。用符号Pn表示。

 

当主切削刃与水平面平行时,切屑流出的方向正接近于这一平面所处的位置,因此车刀上主要切削角度都在正交平面上进行测量,如前角、后角的测量。

 

3.车刀的切削角度

 

车刀的切削角度共有7项,用于表示切削部分的几何形状,并可在主截面与上述3个基准面内度量,如图4-5所示。

 

 

(1)前角7

 

它是车刀前刀面与基面之间在正交平面投影的角度,用符号7。表示。它是车刀切削部分的一个主要工作角度,直接影响车刀主切削刃的锋利度和刃口强度。加大前角7。,可以减小切屑变形和摩擦,从而降低切削力和切削热,切削起来较快,但另一方面前角过大,会削弱刀尖强度,减少散热能力,加剧刀具磨损。(2)后角。

 

它是车刀副后刀面与基面之间在正交平面的投影角度,用符号a。表示。它影响主后面与过渡表面之间的摩擦情况。

 

(3)主偏角k

 

它是主切削刃与进给方向在基面上投影的夹角,用符号k,表示。它影响主刀刃参加工作的长度,并影响切削力的大小。

 

(4)副偏角k

 

它是副切削刃与进给方向在基面上投影的夹角,用符号k:表示。它影响已加工表面的粗糙度及副刀刃参加工作的长度。

 

(5)刀尖角e

 

刀尖角为主、副切削刃在基面上投影的夹角,用符号e表示。刀尖角的大小影响刀尖的强度及传热性能。它与前角、后角之间的羊乏喃.

 

 

(6)刃倾角A

 

它是主切削刃与基面间的夹角,用符号A表示。主要影响排屑情况和刀尖承受冲击的能力。当刀尖是主切削刃最低点时A为正值;当刀尖是主切削刃最高点时A为负值。当刀刃与基面平行时A为零度。

 

(7)副后角口,

 

它是副切削平面在副截面内的夹角,用符号a,表示。其作用与后角a。相似。车刀静止状态下的几何角度如图4-6所示。

 

二、车刀几何角度选择

 

合理选择车刀的几何参数,可保证零件的加工精度、粗糙度,增大切削用量,减少车刀磨损,提高刀具耐用度,降低成本,提高生产效率。

 

1.前角70

 

前角70大小主要与需切削的工件材料及刀具材料性能有关,选择前角70时可从以下一些影响因素进行考虑:

 

(1)工件材料对前角选择的影响

 

车削塑性材料工件时,切屑呈带状,切削力集中在离主切削刃较远的前刀面上,刀尖不易受损。为减少变形,应取较大的前角。而车削脆性材料工件,其切屑呈碎粒状,加上工件表面硬度高,通常含有杂质及有砂眼缩孔等缺陷,使刀尖附近集中了很大的冲击力。为保护刀尖,加工时一般情况下前角应取小些。

 

但在加工较硬材料工件时,因切削阻力大,应取较小前角,以保证车刀刀刃强度。如在加工铬锰钢、淬硬钢工件时,车刀前角通常磨成负前角,以增加车刀耐用度。

 

(2)刀具材料对前角选择的影响

 

采用硬质合金、高速钢等不同刀具材料,切削时其车刀前角大小选择有所不同,高速钢车刀前角一般比硬质合金车刀的前角大。表4-4是硬质合金车刀和高速钢车刀切削不同材料时前角的选择。

 

 

(3)加工特点对前角选择的影响

 

加工阶段不同,前角的选择不同。粗加工时,切削深度大、切削时的冲击力大,为提高车削效率,应采用较小的前角;精加工时,切削深度小、进给量小、切削时的冲击力小,为减少变形,提高精度,则前角可选择大些,其值可较表4-4中的前角的选取增大5。左右。

 

2.后角a

 

后角的选择原则是在保证刀具有足够的散热性能和强度的基础上,保证刀具锋利和减少与工件摩擦,一般不宜过大。否则会加速刀具磨损,降低刀具强度而造成崩刃。

 

在加工塑性材料时,由于工件表面弹性复原会与刀具后面发生摩擦,为了减少摩擦应取大些后角口。,加工脆性材料时,应取小些后角。高速钢刀具后角a。一般可在6。~l2。之间选取。硬质合金刀具可在2。~l2。之间选取,粗车时3。~6。,精车时6。~l2

 

3.主偏角k

 

主偏角k,主要是改变刀具散热情况,并适应机床一刀具一夹具系统的刚度需要。为了改善刀具的散热情况,常采用较小的主偏角k,。因此选择主偏角k,的原则是:在机床一刀具一夹具刚度允许的范围内,主偏角尼r应尽量小些,一般可在45。~75。之间选取,但在车细长轴时为了减少工件弯曲和振动采用较大主偏角k,,一般可在75。~90。之间选取,车阶台轴时则取90。。

 

4.副偏角k

 

副偏角k:的主要作用是减少副刀刃与工件之间的摩擦。此外,还可以改善工件表面光洁度及刀具散热情况。副偏角k:一般可在10。~l5。之间选取。

 

5.刃倾角A

 

刃倾角A的作用是改变切屑流动方向,以增加刀尖强度。当刃倾角A是负值时,切屑向待加工面方向流出,刀尖强度差些。刃倾角A是正值时,切屑向已加工方向流出,刀尖强度高。当刃倾角.零度时,切削则垂直于刀刃方向流出。所以在选取角度时,粗加工取正值,精加工取负值。一般刃倾角A可在一4。~十4。之间选取。

 

以上角度一般均指静态下测量的角度。

 

三、车刀安装和切削运动对角度的影响车刀安装得是否正确,对切削是否顺利,车出来的工件表面是

 

否光洁等都有很大关系。有了合理角度的车刀,如果没有正确安装,它就不能发挥应有的作用。此外,由于切削时走刀运动的影响,也会使车刀角度改变。

 

1.车刀安装高低对角度的影响

 

车刀刀尖应装得与工件中心线一样高,如图4-7所示,这时车刀角度没有变化。要做到这一点,我们可以用床尾顶针尖作为标准,或者先在工件端面车一印痕就可知道中心,也可以记住自己车床中拖板滑块平面与工件中心线的距离,用钢尺量其高低。

 

如果刀尖高于工件中心,如图4-7(a)所示,这时切削平面位置改变,基面也随着改变,结果造成前角增大,后角减小,造成车刀切人工件的困难。相反,如果刀尖低于工件中心,如图4-7(c)所示,则前角减小,后角增大。

 

 

2.车刀安装偏斜对角度的影响

 

车削时,一般车刀安装总是与工件中心线垂直,这样主偏角和副偏角不会改变。

 

如果车刀刀头向左倾斜,主偏角将增大,副偏角则减小,如图4-8(a)所示。相反,如果车刀刀头向右倾斜,如图4-8(C)所示。主偏角将减小,副偏角则增大。此外,在安装车刀时,还应避

 

免车刀伸出太长,造成成车削振动,影响表面光洁度,甚至会折断。一般伸出长度不超过刀杆高度的一倍半,如图4-9所示。

 

 

(a)车刀安装伸出量正确;(b)车刀安装伸出量过长

 

车刀下面垫片要平整,如图4-10,同时要尽可能用厚垫片代替薄垫片,刀架上的螺丝要拧紧。

 

 

四、走刀运动对切削运动的影车平面时,车刀按一定的走刀量在平面上车出一条螺旋线,愈近中心愈倾斜,这样由于切削平面和基面位置改变,使车刀的后角减小,前角增大。走刀量增大,后角减小愈多,如果用很小的后角车刀以大走刀量进行车削,就无法实现车削了。车外圆时,在工件上车出来的也是一条螺旋线,走刀量愈大,倾斜愈厉害,结果使车刀后角减小,前角增大,如图4-11所示。因此,在磨刀时要注意这个角度的变化。

 

 

第三节 刀具的刃磨

 

为了顺利地进行切削,必须把车刀磨成一定的几何形状,刃磨是形成正确合理的刀头几何角度的必要手段。车刀刃磨可分为机械刃磨和手工刃磨两种。机械刃磨的效率高,但对设备有一定的要求,一些有条件的单位可以采用。手工刃磨灵活,对设备要求低,一般工厂仍普遍的采用。车刀刃磨质量的好坏,直接影响着车削加工的质量。因此,刃磨车刀是车工必须掌握的主要基本技能之一,车刀刃磨的要点如下。

 

一、砂轮的正确选择

 

常用的砂轮有氧化铝系砂轮(刚玉砂轮)和碳化硅砂轮两种。

 

氧化铝系砂轮的主要成分是Al2Q,适于刃磨碳素工具钢及高速钢车刀;碳化硅砂轮磨料的主要成分是SiC,硬度很高,适于刃磨硬质合金刀头。

 

砂轮有粗细之分。砂轮的粗细是以其磨料颗粒的大小进行区分的。粗细以粒度表示,当磨料的平均直径大于63,am时,用恰好可以通过的筛网号来表示,粒度号越大,磨粒的尺寸越小,砂轮愈细。当磨粒平均直径为0563,am时,磨粒也称为微粉,用W表示。粗磨车刀应选用较粗的软砂轮,可选用4060号较粗磨粒砂轮。精磨车刀可选用80120号较细磨粒硬砂轮。

 

砂轮同时具有软硬之分。其硬度是指砂轮表面的磨粒在外力作用下使其脱落的难易程度。磨粒越易脱落,则砂轮的硬度越低,反之则高。砂轮的硬度取决于砂轮结合剂的性能。砂轮的硬度分为软、中软、中、中硬、硬等级别。粗磨车刀时可选用较软的砂轮,以提高生产率,精磨时则应用较硬的砂轮,以提高加工精度。

 

二、刃磨程序

 

高速钢和硬质合金刀头的刃磨有所不同,硬质合金刀片性硬而脆,刃磨时切削刃易产生锯齿形缺口。以下分别介绍它们的刃磨过程的一般步骤。至于刃磨时的操作方法应在实践中训练,这里不作文字的描述。

 

1.高速钢车刀刃磨一般步骤

 

(1)磨主后刀面

 

磨出车刀的主偏角k,和主后角口。如图4-12所示

 

(2)磨副后刀面

 

磨出车刀的副偏角k:和主后角口,如图4-13所示。

 

(3)磨前刀面

 

磨出车刀的前角y。和刃偏角A,如图4l4所示。

 

(4)磨刀尖圆弧

 

磨出主、副刀刃之间的过渡刃,如图4-15所示。

 

 

(5)精磨

 

在较细硬的砂轮上仔细修磨刀头各面,使车刀的几何形状和角度符合要求,并提高车刀的表面粗糙度。

 

(6)研磨

 

有精确角度的车刀,在刃磨时,还要考虑研磨,要求用平整的氧化铝油石,轻研车刀后面和过渡刃,研去刀刃上留下的毛刺,或研磨棱面和断屑槽,进一步减小各切削刃及各面的粗糙度。

 

2.硬质合金车刀刃磨一般步骤

 

(1)粗磨刀杆非硬质合金部位各面的几何形状

 

应在氧化铝砂轮上进行,以便减少在刃磨刀片部位时的刃磨量。因此在刃磨主、副后角时可比刀片部位的主、副后角大。左右o

 

(2)粗磨刀头

 

粗磨刀头硬质合金部位各面,可在较粗的绿色碳化硅砂轮上进仃。其步骤是:

 

1)磨主后刀面,磨出车刀主偏角忌,;

 

2)磨副后刀面,磨出车刀副偏角志:和副后角口:;

 

3)磨车刀前面,磨出车刀前角托,刃倾角A及排屑槽形状。以上磨削过程与高速钢车刀磨削过程类似。

 

(3)精磨刀头

 

在较细粒度的绿色碳化硅砂轮上精磨各面,准确的磨出各角度的大小,将各刃磨面磨平磨光。其步骤是:

 

1)精磨前面:

 

2)磨主后面,同时调整斜棱面的宽度:3)磨副后面,最后修磨过渡刃或修光刃。(4)研磨刀头

 

用平整的400粒度的绿色碳化硅油石仔细研磨车刀各面,将刀刃上的锯齿形缺口磨平,并使各面粗糙度在010以上。

 

三、刃磨车刀注意事项

 

1)握刀姿势要正确,手指不能抖动,用力不能过大,以免手滑时触及砂轮而受伤。

 

2)磨刀时,人站在砂轮的侧面,防止砂轮粉屑或碎裂时飞出

 

3)砂轮必须有防护罩,砂轮未转稳时不能磨刀,磨刀用砂轮不准磨其他物件。

 

4)磨碳素钢、合金钢及高速钢刀具时,要经常冷却,不能使刀头烧红。磨硬质合金刀头时不要进行冷却。

 

5)在盘形砂轮上磨刀时,应避免使用砂轮侧面,在碗形砂轮上磨刀时,不准使用砂轮内、外圆。

 

6)刃磨时应将车刀左右移动,不能固定在砂轮一处,以免砂轮表面磨成凹槽。托架与砂轮之间的空隙不可超过3mm,以免不慎将车刀嵌入空隙,发生事故危险。

 

7)禁止两人同时使用一个砂轮。四、车刀角度的检查

 

车刀磨好后,必须检查刃磨质量和角度是否合乎要求。检查刃磨质量时,主要是观察刀刃是否锋利、表面是否有裂纹等缺陷。对于要求高的车刀,可用l020倍放大镜观察。

 

检查角度时,先用样板检查车刀主后角,然后检查楔角。如果这两个角度合格,前角也就合乎要求了。其检验方法如图4-16所示。

 

大川机械

 

车刀角度也可以用专用量角台或万能游标量角器测量。其测量方法如图4-17~图4-20所示。其中图4-17为车刀前角测量,图4-18为车刀后角测量,图4-19为车刀刃倾角测量,图4-20为车刀主偏角和副偏角测量。

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