机械制造基础第十章金属切削加工基础知识

机械制造基础第十章金属切削加工基础知识主讲：仝勖峰西安电子科技大学本章内容金属切削加工的工作原理及特点，切削运动和切削要素；切削刀具基础知识；金属切削过程中的物理现象。一、切削加工切削:利用切削工具从工件上切除多余材料的加工方法。切削加工=钳工+机械加工机械加工—利用机械力对各种工件进行加工的方法。机械加工的方法许多：车、钻、铣、刨和磨等多种，但它们在切削运动、切削刀具、切削过程的物理实质等方面都有着共同的现象和规律。二、切削运动与切削要素1、零件表面的形成零件表面的组成有：基本表面平面、外、内圆面；成形面：沟、槽、螺纹及齿面等金属切削基础知识录像1、零件表面的形成2、切削运动2、切削运动1）三个表面在切削加工过程中，工件上存在三个不断变化的表面，即：已加工表面、待加工表面和过渡表面。（1）待加工表面工件上即将切去切屑的表面。（2）已加工表面工件上已切去切屑的表面。（3）过渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面，即已加工表面和待加工表面之间的过渡表面。2、切削运动2、切削运动切削运动：刀具与工件之间的相对运动。切削运动又分主运动和进给运动，其中：1）主运动由机床或人力提供的主要运动，它促使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件。2）进给运动是使待加工表面不断地或连续地投入切削并得出所需几何特性的已加工表面的运动。2、切削运动切削过程中主运动只有一个；进给运动可以有一个或几个。切削运动的形式有：旋转或直线的。实际的切削运动是一个合成切削运动。2、切削运动3、切削用量一般，切削用量包括：切削速度、进给量和背吃刀量。常称为切削三要素。1）切削速度υｃ(以车削为例)切削速度υｃ(m/s)是主运动的线速度。601000Dnm/sνc=式中：D—为工件待加工表面的直径(mm)；n—为转速(r/min)。车削时指工件待加工表面最大直径处线速度3、切削用量2）进给量f(mm/r)指(车)刀具相对于工件旋转一转,在进给方向的位移量。单位为：mm/r或mm/str。3、切削用量3）背吃力量ap(mm)指工件上已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，单位为：mm。式中：d为已加工表面的直径(mm)。生产中为提高效率一般对工件分粗、精加工阶段，如粗加工时的选择原则：“先定ap,次选f,最后定υc”aP＝2dD4、切削层参数1）切削层公称横截面积AD在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位为mm2。2）切削层公称宽度bD；3）切削层公称厚度hD三、切削刀具刀具组成＝切削部分＋夹持部分1、刀具材料(指切削部分)1）对刀具材料的基本要求切削过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度，刀具切削部分的材料应具备以下性能：(1)高的硬度一般刀具材料的硬度应在60HRC以上。1）对刀具材料的基本要求(2)足够的强度和韧性又称坚韧性，以承受切削中的冲击力和振动，减少刀具脆性断裂和崩刃。(3)耐磨性好即抵抗磨损的能力，使刀具使用耐久。(4)高的耐热性是指刀具在高温下仍能保持硬度、强度、韧性和耐磨性等。(5)工艺性能要好为了便于刀具本身的制造，刀具材料还应具有一定的工艺性能,如:切削性能、磨削性能、焊接性能及热处理性能等。2）常用刀具材料（1）碳素工具钢T10钢(WC=1%)制手用钢锯条、简单冷作模;T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等（2）合金工具钢常用牌号如9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等。主要用于制造刃具、模具、量具等工具。2）常用刀具材料（3）高速钢高速钢是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。其常用牌号有:W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等,广泛用于制造形状复杂的高速切削工具,如：麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。（4）硬质合金根据GB/2075-1998规定，按被加工材料分了三个大（类）组；分别用字母P、M、K表示(这些字母完全是习惯性，本身无其他含义)。3）新型刀具材料（1）涂层刀具材料是指通过气相沉积或其他技术方法，在硬质合金或高速钢的基体上涂覆一薄层高硬耐磨的难熔金属或非金属化合物而构成的。如在硬质合金表面上涂厚4～9μm的涂层时，表面硬度可达2500～4200HV，是实现刀具要求“面硬而心韧”的有效方法之一。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等硬质合金涂层刀具寿命可比原来提高1～3倍，高速钢涂层后寿命提高2～10倍，世界各国对涂层刀具运用很广泛。处于领先地位的瑞典，在车削中使用涂层硬质合金刀片已达70%～80%。3）新型刀具材料（2）陶瓷刀具材料按化学成分可分为Al2O3基和Si3N4基两类。陶瓷刀具硬度高而耐磨，允许切削速度达成12.5m/s，耐热性度可达1200～1450℃，其效率比硬质合金提高了1～4倍，可制成刀片。用于半精和精加工高硬度、强度钢及冷硬铸铁等，缺点抗弯强度低，冲击韧性差。3）新型刀具材料（3）超硬刀具材料它包括人造聚晶金刚石和立方氮化硼等人造聚晶金刚石刀具，硬度极高(5000HV以上),耐磨性极好，可切削硬的材料而长时间保持尺寸的稳定。刀具寿命比硬质合金高几十至三百倍，宜精细加工。立方氮化硼(CBN)的显微硬度达8000～9000HV，仅次于天然金刚石（10000HV），耐磨性很好，其耐热性达1500℃，且与铁族材料亲和作用小。2、刀具角度刀具的种类相当繁多，但其切削部分的结构要素和几何角度有着许多共同的特征。各种刀具就一个刀齿而言，都相当于车刀的刀头。2、刀具角度车刀切削部分的组成车刀切削部分有：“三面两刃一尖”。1）前刀面（简称前面）指刀具上切屑流经的表面。2）主后刀面（简称后面）是与工件上过渡表面相对的表面。3）副后刀面（简称副后面）是与工件已加工表面相对的表面。2、刀具角度车刀切削部分的组成车刀切削部分有：“三面两刃一尖”。4）主切削刃前刀面与主后刀面的交线。5）副切削刃前刀面与副后刀面的交线。6）刀尖指主、副切削刃汇交的部位，它可以是圆弧，或是一小段直线。2、刀具角度3、刀具角度参考系刀具角度是确定车刀各部分几何形状的重要参数，用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面称为参考系。参考系有两类：一类称为刀具静止参考系，又称标注参考系，它是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称刀具标注角度；另一类是刀具工作参考系，又称为动态参考系。3、刀具角度参考系组成刀具静止参考系的平面，如下所示，由以下三平面组成：1）基面Pr过切削刃选定点并垂直于假定主运动方向的平面。车刀的基面可理解为平行于刀具底面（水平面）的平面。2）切削平面Ps过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面（主切削平面以Ps表示，副切削平面以Ps，表示）。3）正交平面Po过切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。4）假定工作平面Pf过切削刃选定点，垂直于基面并平行与假定进给运动方向的平面。3、刀具角度参考系4、车刀的几何角度及其作用4、车刀的几何角度及其作用1）前角r。前刀面与基面间的夹角。根据前刀面与基面间的相对位置又分别规定为正前角、零度前角和负前角。作用：影响切削刃锋利程度及强度，增加前角可使刀刃锋利，切削力减少。切削温度降低，但过大的前角会使刃口强度降低，容易造成刃口损坏。选择原则：前角的数值大小与刀具切削部分的材料，被加工材料、工作条件等都有关系。(1)刀具切削部分材料性脆、强度低时前角应取小值；(2)工件材料强度和硬度低时，可选取较大前角；(3)在重切削和有冲击的工作条件时，前角只能取较小值，有时甚至取负值。一般是在保证刀具刃口强度的条件下，尽量选用大前角。4、车刀的几何角度及其作用2）后角αo指主后刀面与切削平面之间的夹角。作用：减小后刀面与工件之间的摩擦，它也和前角一样影响刃口的强度和锋利程度。选择原则：与前角相似，一般后角值为6～8度。3）主偏角γ指主切削平面与假定工作平面间夹角。作用：影响切削刃工作长度、背向力、刀尖强度和散热条件；主偏差越小，背向力越大，切削刃工作长度越大，散热条件越好。选择原则：工件粗大，刚性好时可取较小值，车细长轴时为了减少背向力以免工件弯曲加工出腰鼓形，宜选取较大的值，常用为45～75度间。4、车刀的几何角度及其作用4）副偏角副切削平面与假定工作平面间的夹角。作用：影响已加工表面的粗糙度，减少副偏角可使加工表面粗糙值降低。选择原则：精加工为提高加工表面质量，选取较小值，一般为5～10度5）刃倾角s指主切削刃与基面间的夹角，反映主切削刃对基面的倾斜程度。作用：影响切屑流动方向和刀尖的强度。(1)当s为正值时，刀尖在主切削刃上的最高点，切屑流向得加工表面；(2)当s为负值时，刀尖在主切削刃上为最低点，切屑流向已加工表面；(3)刃倾角为0时，切屑垂直于过渡表面方向流出。4、车刀的几何角度及其作用在s为正值时切屑对刀具的压力使刀头及刃口部分容易损坏，表现出刀头强度较差；反之则表示刀头强度较好。选择原则：精加工时取正值，粗加工时或有冲击时取负值，一般情况下为0～5度。5、刀具结构刀具结构种类很多，以车刀为例介绍常见分类：1）整体车刀切削部分与刀杆为同一种材料，如高速钢车（白钢刀），在有色金属加工中应用较多。2）焊接车刀切削部分与刀杆不同材料，刀杆为中碳钢锻造，而切削部分为硬质合金类刀片，运用硬钎焊连接而成，方便灵活，尤其小刀具运用多。.3）机械夹固式车刀按是否重磨又分机夹不重磨式和机夹重磨式两种，其中机夹不重磨时，一刀刃用钝后不需重磨。如图所示，只须将夹紧螺钉稍松，将刀片再转过一刃即可使用。而机夹重磨式，类似焊接车刀，用钝后可重磨。5、刀具结构5、刀具结构5、刀具结构切削过程录像四、金属切削过程1、切屑形成及种类1）切屑形成塑性材料的切屑过程是一个：挤压变形切离过程；经历了：弹性变形、塑性变形、挤裂和切离四个阶段。2）切屑的种类①带状切屑②节状切屑③崩碎切屑2、积屑瘤2、积屑瘤对切削过程的影响优点：①硬化刀刃保护刀具；②增大前角γ利切削；③粗加工时利用之。不足：时积时流使工件表面粗糙；精加工时，予以限制。3、切削力3、切削力以车外圆时为例：总切削力F分解为相互垂直的三个分力：1）切削力FcF在主运动方向上的分力；2）进给力FfF在进给方向上的分力；3）背向力FpF在垂直于工作平面方向上的分力。4、切削热与切削温度4、切削热与切削温度1）切削热的产生、传出及对加工的影响（见录像片）2）切削温度及其影响影响切削温度的主要因素：①工件材料强而硬的材料生热多；②切削用量影响程度依次排序为：切削速度、进给量、背吃刀量。③刀具角度前角大点、主偏角小些都可使生热少些。4、切削热与切削温度3）切削液及其选用降低切削热的一个有效途径是喷注切削液，可以降温。其实切削液还可以起：冷却作用、润滑、清洗和防锈作用。生产中常用的切削液可分为三类：（1）水溶液水为主，加有防锈液等添加剂。作用：冷却为主。（2）乳化液将乳化油加水稀释而成。不仅冷却且兼润滑作用。（3）切削油矿物油为主。少数采用动、植物油等，润滑为主5、刀具磨损和刀具耐用度刀具在使用一段时间后，其切削刃变钝，以致无法使用。为此要讨论刀具磨损与耐用度。1）刀具磨损形态（1）后刀面磨损，磨损以后刀面上的磨损宽度值VB表示。（2）前刀面磨损在高切削速度，背吃刀量较大且不用切削液情况下，切塑性材时，前刀面上出现月牙洼，前刀面的磨损量以最大深度值KT表示。（3）前后刀面同时磨损5、刀具磨损和刀具耐用度五、常用材料切削性能1、结构钢1）低碳钢性软而韧，易生鳞刺，经正火处理后，可使切削性得以改善。2）中碳钢有较好综合力学性能，切削性好。3）高碳钢组织中多为珠光体加网状渗碳体，经球化退火可改善切削性。五、常用材料切削性能2、普通灰口铸铁：易切削！（为什么？）3、不锈钢(1)不锈钢的塑性高，切削抗力大；(2)切削温度高，刀具易磨损；(3)易生积屑瘤；(4)切屑不易卷曲和折断等原因不锈钢切削性较差。4、铝、镁合金：铝、镁合金由于硬度低导热性好易切削。5、工程塑料：一般易切削；但要注意其力学性能比金属差些；有的脆性大，易开裂。6、工程陶瓷：陶瓷多硬度高、耐磨和耐热等特点，传统用金刚石砂轮