车削碳钢类零件的刀具选择

车削加工碳钢类零件

目录

第1章绪论 (2)

1.1课题研究的背景及意义 (2)

1.2本课题研究的目的及主要内容................................... 错误！未定义书签。第2章刀具研究的基本要素. (4)

2.1车削加工的概念与特点 (4)

2.2碳钢的类别与特点 (4)

2.3切削刀具的类别与特点 (4)

第3章刀具选择的条件 (6)

3.1切削刀具的材料 (6)

3.2刀具的几何角度与刀具的选择 (7)

第4章车削碳钢轴类零件的刀具选择 (10)

4.1车削碳钢轴类零件的工艺 (10)

4.2车削碳钢轴类零件的刀具选择 (10)

第5章总结 (13)

5.1总结 (13)

5.2展望............................................................................... 错误！未定义书签。参考文献. (14)

致谢 (15)

车削加工碳钢类零件的切削刀具选择研究

摘要

现代制造技术的发展，极大地推动了切削技术的进步。随着生产加工过程快速化和精确化的需要，对金属切削刀具提出了高可靠度、高精度、长寿命、快速转位更换、断屑良好等更高要求。现代加工刀具费用一般只占制造成本3~4%，但它对总制造成本影响却要大得多。计划经济时代机械加工企业从控制加工成本出发制订刀具消耗定额进行成本控制，有些企业高效率进口设备上使用低性能焊接刀具，不能发挥设备性能反而造成更大浪费事实。因此在切削加工中，根据不同加工特征，正确地选择所需刀具有十分重要的意义。

1.分析碳钢类零件特点的基础上，选择常用的碳钢为研究对象。

2.以普通的CA6140车床为车削载体，来研究车削刀具。

3.用车削加工轴类碳钢零件为例，做出刀具选择研究。

关键词:制造技术、车削加工、刀具

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

制造业是国民经济支柱产业。我国已经成为世界加工厂，可我国制造业人均劳动生产率与美、欧、日等工业发达国家地区相比还有很大差距，只为欧、美、日等发达地区国家二十分之一左右。根据我国机床工业年鉴提供数据，我国工具行业2004年全员劳动生产率为人民币39,366元，人均利润6,750元。远低于国外工具企业人均劳动生产率。刀具切削技术落后是机械制造业劳动生率低下重要原因之一。

机械工业是国民经济的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械设备。机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门的技术进步和经济效益，有很大的和直接的影响。机械工业的发展规模和技术水平是衡量国际经济实力和科学技术的重要标志。因此，世界各国都把机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

1.我国机械工业的现状

经过建国60年来的发展，机械工业已经成为我国工业产品门类很齐全、具有很大规模和一定技术基础的最大产业之一。机械工业现有企业数、工人数量、工业总产值、利税总额等指标占全国工业的比重已分别达20%~40%，固定资产占全国工业比重的16%，机械工业的发展速度高于同期工业的平均增长速度。

主要表现在：

1）增强了提供大型成套设备、关键设备及汽车的能力。

2）企业产品开发能力和制造技术有了长足进步。

3）产品结构正向合理化方向发展。

2.我国机械工业的差距

虽然我国机械工业的综合技术水平已有了大幅度的提高，但与工业发达国家相比仍存在着阶段性的差距，反应了在制造技术的落后。其突出表现在：1）技术开发能力和技术基础薄弱。

2）全员劳动生产率低。

3）产品质量不够高、能耗高、国际竞争乏力。

3.我国机械工业的发展计划

为实现机械工业的振兴，科技发展分两步走：“九五”期间为第一阶段，重点是为机械工业的振兴打好基础；2000年~2010为第二阶段，重点是提高和基本形成企业的产品自主开发能力和技术创新能力。2010年~2020年为第三阶段，重点是使企业形成较强的创新能力，制定技术标准。

1.2本课题研究的目的及主要内容

随着制造技术的快速发展及数控加工技术的广泛使用，很大地推动了切削技术的发展。对金属切削刀具的选择提出了更高的要求，加工各种材料需要选用不同的切削刀具，选择出经济性、实用性、安全性俱佳的刀具，使加工生产更快速，精密度更高，效益更好。

本文对车削加工碳钢类零件时所用的刀具选择进行了研究，利用常用的钢类，具有代表性的机床，车削刀具，对此类零件车削加工时刀具选择提供了一定的解决方法和参考。

第2章刀具研究的基本要素

2.1车削加工的概念与特点

车削加工的概念：在车床上，利用工件的旋转运动和刀具的直线运动或曲线运动来改变毛坯的形状和尺寸，把它加工成符合图纸的要求。

车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。车削加工的切削能主要由工件而不是刀具提供。车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。车削适于加工回转表面，大部分具有回转表面的工件都可以用车削方法加工，如内外圆柱面、内外圆锥面、端面、沟槽、螺纹和回转成形面等，所用刀具主要是车刀。

在各类金属切削机床中，车床是应用最广泛的一类，约占机床总数的50%。按工艺特点、布局形式和结构特性等的不同，车床可以分为卧式车床、落地车床、立式车床、转塔车床以及仿形车床等，其中大部分为卧式车床。

在各种车床中，卧式车床应用最普遍，工艺范围很广。其中CA6140型普通卧式车床是比较典型的普通卧式车床，所以选择它为我们研究的载体，它的工艺范围很广，在这里主要应用它的车削外圆工艺。

2.2碳钢的类别与特点

碳钢是金属加工行业的“主力”材料，也是迄今为止切削加工最多的钢种。美国生产的钢约有87%都是碳钢。

碳钢分为6大类：低碳钢、中碳钢、高碳钢、再硫化易切钢、再硫化及再回磷易切钢和无硫化高锰钢(含锰量超过1%)。

1.低碳钢

低碳钢的含碳量为0.06%～0.28%，含锰量为0.25%～1%，含磷量不超过0.04%，含硫量不超过0.05%。目前低碳钢共有16个标准牌号。

2.中碳钢

中碳钢的含碳量为0.25%～0.55%，含锰量为0.30%～1.00%，含磷量不超过0.04%，含硫量不超过0.05%。

3.高碳钢

高碳钢的含碳量为0.60%～1.03%，含锰量为0.30%～0.90%，含磷量不超过0.04%，含硫量不超过0.05%。

综上所述我们选择碳钢类中具有代表性，常用的中碳钢，45#钢作为研究的对象。

2.3切削刀具种类与特点

在机械加工过程中，刀具直接参与切削过程，从工件上切除多余金属层。它是保证加工质量，提高劳动生产率的一个重要因素，在工艺系统中占有重要地位。在现代制造技术迅猛发展的今天，刀具的性能对机床性能的发挥更具有决定性的作用。由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工工艺的多样性，客观上要求进行加工的刀具具有不同的结构和切削性能。刀具有很多种类，按加工方式具体用途分为：车刀类、铣刀类、孔加工刀具类、拉刀类、螺纹刀具类、齿轮刀具类，本文主要研究的是车刀类。

车刀是金属切削加工中应用最为广泛的一种刀具。它可以用来加工外圆、内孔、端面、螺纹及各种内、外回转体成行表面，也可用于切断和切槽等。车刀的主要类型如图2-1所示。外圆车刀用于加工外圆柱面和外圆锥面，它分为直头和弯头两种。弯头车刀通用性较好，可以车削外圆、端面和倒棱。外圆车刀又可分为粗车刀、精车刀和宽刃光刀。精车刀刀尖圆弧半径较大，可获得较小的残留面积，以减小表面粗糙度；宽刃光刀用于低速精车；当外圆车刀的主偏角为90°时，可用于车削阶梯轴、凸肩、端面及刚度较低的细长轴。外圆车刀按进给方向又分为左偏刀右偏刀。

图2-1

车刀在结构上可分为：整体车刀、焊接车刀、焊接转配式车刀和机械夹固刀片的车刀。机械加固刀片的车刀又可分为机夹车刀和可转位车刀。

成形车刀是加工回转体表面的专用工具，不在本文研究之列。

第3章刀具选择的条件

3.1切削刀具的材料

刀具切削性能的优劣，材料是最重要的因素之一，它对刀具的使用寿命、生产效率、加工质量和加工成本影响极大。因此，应当高度重视刀具材料的正确选择和合理使用，并不断研制新型刀具材料。

（一）刀具材料应具备的基本性能

（1）高的硬度

（2）高的耐磨性

（3）足够的强度和韧性

（4）高的耐热性

（5）良好的导热性和耐热冲击性能

（6）良好的工艺性能

（7）经济性

（二）常用刀具材料

刀具材料种类很多，目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。其他有碳素工具钢和合金工具钢。

1.高速钢

高速钢是含有较多钨（W）、钼（M）、铬（Cr）、钒（V）等元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达62~67HRC）和耐热性（切削温度可达550~600℃）。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削速度1~3倍，使用寿命10~40倍。加工范围很广泛。

2.硬质合金

硬质合金是用高硬度、难溶的金属碳化物（主要是WC、TiC等，又称高温碳化物）和金属粘结剂（Co、Ni等）在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。允许切削温度高达800~1000℃，切削速度可达100~200m/min。

国际标准化组织ISO将切削用硬质合金分为三类：

（1）K类硬质合金（YG类）

（2）P类硬质合金（YT类）

（3）M类硬质合金（YW类）

（三）其他刀具材料

1.涂层刀具

2.陶瓷

3.金刚石

4.立方氮化硼

3.2刀具的几何角度与刀具的选择

车刀几何角度是指车刀切削部分各几何要素之间，或它们与参考平面之间构成的两面角和线、面之间的夹角。它们分别决定着车刀的切削刃和各刀面的空间位置。根据“一面二角”理论可知，车刀的独立标注角度有六个，它们分别是：确定车刀主切削刃位置的主偏角Kr和刃倾角λs;确定车刀前刀面与后刀面的前角ro和后角ao;确定副切削刃及副后刀面的副偏角Kr′和副后角ao′（附图3-1）。

图3-1

这些几何角度对车削过程影响很大，其中尤其以主偏角Kr、前角ro、后角ao 和刃倾角λs的影响更为突出，科学合理地选择车刀的几何角度，对车削工艺过程的顺利实施起着决定性作用。从分析车刀几何角度对切削力、切削热和刀具的耐用度的影响着手，本着合理切削轻便、质量稳定，延长刀具使用寿命的宗旨，来研究确定科学合理的车刀几何角度的一般性原则。

一、车刀几何角度对切削力的影响

在金属切削时，刀具切入工件，将多余材料从工件上切除会产生强烈的力的作用，这些力统称为切削力。根据切削力产生的作用效果的不同，可将切削力分

解成三个相互垂直方向的分力。它们分别是：主切削力Fz，进给抗力Fx和切深抗力Fy,其中Fz是切削总力Fr沿主运动切向分解而得，是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率的主要依据；Fx也叫轴向力，它是Fr沿工件轴向的分力，是设计进给机构，计算车刀进给功率所必需的；Fy也叫径向力，它是Fr沿着工件径向的分力

(一）角度ro对切削力的影响

前角ro增大，剪切角Φ随着增大，金属塑性变形减小，变形系数ξ减小，沿前刀面的摩擦力减小，因此切削力减小。实验证明，前角ro的增大，对切削分力Fx、Fy的影响程度也不一样，当前角ro的增大，对Fx的影响较明显，而当前角ro较小时，则对Fy的降低幅度更大些。

（二）主偏角Kr对切削力的影响

主偏角Kr的改变，使得切削面积的形状和切削分力Fxy的作用方向改变，从而使切削力也随之变化。实验证明。主偏角Kr增大，切削厚度也随之增大，切屑变厚，切削层的变形减小，因此主切削力也随之减小。因此，在工程上我们往往采用较大主偏角的车刀切削细长轴类零件，来减小径向分力Fy。

（三）刃倾角λs对切削力的影响

刃倾角λs对切削力Fz影响很小，但对进给抗力Fx和切深抗力Fy的影响较大。当λs由正值向负值变化时，使刀具受到的正压力的方向发生了变化，从而改变了切削合力Fr及其分力Fxy的作用方向，使Fy增大，Fx减小。由此可见，从切削力角度分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角，否则会增大Fy的作用而产生振动。

二、车刀几何角度对切削热的影响

影响切削与切削温度的因素很多，这里分析车刀几何角度对其产生的影响。

（一）前角ro对切削温度的影响

前角增大，使切削力下降，切削的变形和工艺系统的摩擦减轻，使产生的切削热减少，从而降低了切削温度。

（二）主偏角Kr对切削温度的影响

主偏角Kr减少时，使切削宽度增大，使切削厚度减小，切削变形和摩擦减轻，同时，切削宽厚度增大，散热条件改善，又有利于降低切削温度。

三、车刀几何角度对刀具耐用度的影响

刀具的耐用度用来衡量刀具连续切削时间长短的参量。由于刀具几何角度对耐用度的影响较大，合理选择刀具几何角度,可以大幅度提高刀具的耐用度，因此刀具的耐用度也是衡量刀具几何角度先进与否的重要标志。

（一）前角ro对刀具耐用度的影响

适当增加前角，有利于减少切削力，降低切削温度，使刀具的耐用度提高。但是，如果前角增大到一定值以后，会使刀刃强度下降，散热条件逐渐变差，切削不同的材料时，刀具的耐用度达到最高的前角值也不相同。

（二）主偏角Kr对刀具耐用度的影响

主偏角缩小，增大了刀具强度，改善了刀具的散热条件，使刀具的耐用度升高。另外。适当减小副偏角Kr′还能降低摩擦，提高刀具强度，改善散热条件，使刀具耐用度升高。

刀具的材料，刀具的几何角度，零件的特性都是刀具选择的依据。

第4章车削碳钢轴类零件的刀具选择

4.1车削碳钢轴类零件的工艺

我们在这里选用CA6140车床，用45#钢作为零件的材料，加工卧式车床主轴，车削轴的工艺主要研究的是车削工件外圆包括粗车和精车，既：粗车外圆，精车各外圆。主轴图3-1如下。

根据工序顺序安排，对主轴加工阶段划分为：荒加工阶段为准备毛坯；正火后，粗加工阶段为粗车外圆；调质处理和表面淬火后，精车外圆。

4.2车削碳钢轴类零件的刀具选择

车削碳钢轴类零件时，一般可分为粗车和精车两个阶段。因此，将使用的车刀分为粗车刀和精车刀两种。粗车是为了提高生产率，快速地将毛坯上的车削余量的大部分车去。而精车必须达到图纸规定的尺寸精度、行为精度和表面粗糙度。

1.粗车刀要求车刀具有足够的强度，能一次车去较多的余量，以便适应切削深、进给快的特点。

1）粗车碳钢时刀具的选择

45#钢硬度不高，易于切削加工。45#钢是一种塑性材料，一般形成带状切屑，塑性变形大、摩擦力大，切削温度高，切削过程连续而且平稳，要求刀具有较高的硬度、耐磨性、耐热性。根据以上的选择原则可以选用的是：高速钢刀具和硬质合金钢刀具。

高速钢刀具：可选择W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2A1等；

（1）由碳钢的切削性得高速钢材料的刀具选用W18Cr4V(抗弯强度

2.94~

3.33GPa)，由刀具几何角度与切削的关系选择主偏角为75°的整体车刀。

硬质合金钢刀具：材料可选择钨钴类硬质合金（WC-Co），代号为YG；钨钛钴类硬质合金（WC-TiC-Co），代号为YT；钨钛钽钴类硬质合金，代号为YW。

（2）由碳钢的切削性可选用WC-TiC-Co，YT5,硬度（HRA）89.5抗弯强度1.28GPa，由刀具几何角度与切削的关系选择主偏角为75°的可转位车刀。如图4-1

在粗加工的条件下，我们一般都会采用效率优先原则。在这一阶段，快速去除工件毛坯上的加工余量，快速接近工件完工尺寸的“净尺寸”状态，是我们考虑刀具选择及加工参数的第一要素。

结论1：因此从效率原则、经济原则选择粗车刀具，我们选择YT类的YT5，75°可转位车刀。因为可转位车刀劳动生产率高，刀片利用率高，大切削量下仍能保证加工精度。

图4-1可转位车刀

2.精车碳钢时刀具的选择

精加工时我们应该采用精度优先原则，即首先保证加工的尺寸精度、表面粗糙度和表面质量。精车时由于车削时切去的金属较少，因此要求车刀一定要锋利，刀刃平直光整，刀尖处可磨出修光刃。切削时，必须使切屑流向工件待加工表面，

以达到零件的尺寸精度和较小的表面粗糙度。图4-2

精加工时可选择高速钢、硬质合金钢的刀具。

高速钢可选择W18Cr4V和W6Mo9Cr4Co8等；

1）由碳钢的切削性可选择W6Mo9Cr4Co8硬度HRC60（常温），抗弯强度2.65~2.72GPa；由刀具几何角度与切削的关系选择90°整体车刀。

硬质合金钢可选择钨钴类硬质合金（WC-Co），代号为YG；钨钛钴类硬质合金（WC-TiC-Co），代号为YT；钨钛钽钴类硬质合金，代号为YW。

2）由碳钢的切削性能可选择钨钛钴类硬质合金（WC-TiC-Co），代号为YT，具体为YT30硬度（HRA）为92.5，抗弯强度为0.883GPa，由刀具几何角度与切削的关系选择90°的硬质合金精车刀。

结论2：从效率原则、经济原则选择精车刀，我们选择钨钛钴类硬质合金（WC-TiC-Co），YT30的90°的硬质合金精车刀。

精车图4-2

本章从实际加工中进行了刀具选择;车削加工中，根据加工对象的不同，选择不同的车削刀具。

第5章结论

5.1总结

本文对车削碳钢类零件的刀具选择做出了研究，将刀具的选择作为整个机械行业中的重要一环进行了研究，总结起来作者完成的主要工作如下：

1.概述了我国机械行业的现状和未来的发展趋势。

2.论述研究的基本要素：车削加工，碳钢，车削刀具的概念和特点。

3.论述了刀具选择的一些方法和建议。

4.对刀具的分类做出了一些论述。

5.对车床主轴的一部分工艺的刀具选择做出了研究。

5.2展望

实现我国刀具制造技术精密化、自动化、敏捷化和可持续发展方向，多拥有自主开发，自主知识产权的刀具设计、制造。

参考文献

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[2.]曹元俊，郭溪铭.金属加工常识[M].北京：高等教育出版社，2007：54-84.

[3].郑修本.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2009：145-180.

[4].静恩鹤.车削刀具技术及应用实例[M].北京：化学工业出版社，

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[5].丁仁亮.金属材料及热处理[M].北京：机械工业出版社，2008：119-127.

[6].李益民.机械制造工业设计简明手册[M].郑州：河南人民出版社，2000：65-89.

[7]盛晓敏、邓朝晖.先进制造技术[M].机械工业出版社，2007：122-153.

致谢

在论文完成之际，谨向我的指导老师张耀武表达最诚挚的感谢。论文自始至终是在张耀武老师的悉心指导下完成的，张老师学识渊博，治学严谨。张老师在写论文的期间不仅在学习、专业上关心我，而且在生活上给了我许多支持和帮助。张老师言传身教，让我学会了许多做人做事的道理，使我受益非浅。张老师所具有的学者风范和做人的原则永远是我学习的榜样。

同时我也衷心感谢我身边的同学对我的关心、支持和帮助。大家在一起共同学习和生活，过得充实而愉快，三年的学习生活令人难忘，特别是在这要离开学校的最后时刻，更加让我感动。

最后还是要感谢所有关心、支持和帮助我的人！谢谢大家了！

作者：LG

2010.04.22