机械制造基础2_切削基础

山东理工大学ShandongUniversityofTechnology1第五篇切削加工山东理工大学ShandongUniversityofTechnology2主要内容1、切削运动及切削要素2、刀具材料3、刀具角度第1章金属切削基本知识山东理工大学ShandongUniversityofTechnology3什么是切削加工？•从毛坯（型材）切除多余材料，获得规定的几何参数（形状、尺寸、位置）和表面质量的加工方法。•包括：•机械加工（机工）•钳工山东理工大学ShandongUniversityofTechnology4机器的组成：合件1组件1合件2部件1组件2组件3部件3合件3机器部件2零件山东理工大学ShandongUniversityofTechnology5汽车的组成：汽车变速箱部件转向器部件发动机部件驱动桥部件车架车厢驾驶室曲轴组件连杆活塞组件凸轮轴组件发动机缸体发动机缸盖飞轮机油泵组件连杆合件活塞活塞环活塞销连杆体连杆盖铜套山东理工大学ShandongUniversityofTechnology6机械零件的表面非加工表面加工表面（重要的工作表面）有一定的精度要求和粗糙度要求通过机械加工保证山东理工大学ShandongUniversityofTechnology7机械零件常用的表面形状（1）圆柱面（2）平面（3）成型面山东理工大学ShandongUniversityofTechnology8第一节切削运动及切削要素1.切削运动切削运动分为主运动和进给运动，如动画1所示。（2）进给运动：使工件切削层不断地投入切削的运动。（1）主运动：切下切屑的最基本运动。在切削加工中，通常主运动只有一个，而进给运动可以是一个或数个。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology99动画1切削运动进给运动：使工件切削层不断地投入切削的运动。主运动：切下切屑的最基本运动。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology10山东理工大学ShandongUniversityofTechnology11山东理工大学ShandongUniversityofTechnology12山东理工大学ShandongUniversityofTechnology13山东理工大学ShandongUniversityofTechnology14（3）、合成切削运动实际的切削运动是合成运动。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology15动画2车削过程中的各个表面在切削过程中，工件有三个不断变化的表面(见动画2)：(1)已加工表面。工件上经刀具切削后形成的表面。(2)过渡表面。工件上由切削刃形成的那部分表面。(3)待加工表面。工件上待切除的表面。动画2车削过程中的各个表面山东理工大学ShandongUniversityofTechnology162.切削用量切削用量指切削速度、进给量和背吃刀量。(1)切削速度vc。切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。当主运动为刀具旋转时，式中d为刀具直径，n为刀具转速。当主运动为工件旋转时，式中d为待加工表面直径。当主运动为直线往复运动时，平均切削速度满足：L为往复运动行程长度,单位:mm;nr为主运动每分钟往复次数。m/min)(m/s0001πc或dnvr2(m/s)100060Lnv山东理工大学ShandongUniversityofTechnology17(2)进给量(f)。主运动的物体(如刀具或工件)每转或每行程中，进给运动的物体(如工件或刀具)沿进给运动方向上的位移量。亦称为每转或每行程进给量(单位:mm/r或mm/st）。对于多齿刀具(如铣刀)常常还以每齿进给量fz(mm/s)表示。习惯上大家把进给运动称为走刀运动，进给量称为走刀量。进给速度：Znffnvzfn为刀具转速(r/s或r/min);Z为刀具的齿数。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology18(3)背吃刀量。通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量(以前称切削深度)。车外圆时，即为工件上待加工面和已加工面之间的垂直距离(见动画3)，单位是mm。在车削外圆时：式中:dw为待加工表面直径；dm为已加工表面直径。2mwpdda山东理工大学ShandongUniversityofTechnology19动画3车外圆时切削层参数3.切削层参数切削层是指切削过程中，由切削部分的一个单一动作所切除的工件材料层。(1)切削层公称宽度（bD)。是在给定瞬间，作用主切削刃截形上两个极限点间的距离，单位mm。(2)切削层公称横截面积(AD)。是在给定瞬间，切削层的实际横截面积，单位mm2。(3)切削层公称厚度（hD)。在同一瞬间的切削层公称横截面积与其公称切削层宽度之比，单位mm。DDDhbA山东理工大学ShandongUniversityofTechnology20动画4进给量对残留面积的影响4.切削用量的合理选择切削用量的选择直接影响工件加工质量、生产率和刀具的使用寿命(耐用度)。切削用量(主要指背吃刀量和进给量)的增大，都会使切削力增大、使工件变形的可能增大，并有可能引起振动，还会使残留面积的高度显著增大，降低加工精度和增大表面粗糙度(见动画4)。由图可知，截面ABE为未被切除的残留面积。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology21在机械加工中，金属切削机床和刀具是切削加工的基础工艺装备，刀具被称为机床的“牙齿”和“孪生兄弟”。切削说到底是由刀具完成的,“刀乃万法之宗”。古人说：“工欲善其事，必先利其器”，“磨刀不误砍柴功”，“把劲使在刀刃上”，当代人说：“没有刀具就没有机械制造业”，可见刀具对于机械制造业的重要性。一把刀的好坏用什么评价？1、刀具材料2、刀具构造第二节刀具材料和刀具构造山东理工大学ShandongUniversityofTechnology221.切削刀具材料切削过程中，刀具的切削性能取决于刀具的几何形状和刀具切削部分材料的性能。切削技术发展的基础是刀具材料的发展。早期使用的碳素工具钢，切削速度只有10m/min左右，加工一根直径φ100mm、长500mm的碳钢轴件，需要100min才能完成；20世纪出现高速钢刀具，切削速度提高到每分钟几十米；20世纪30年代出现了硬质合金刀具，切削速度提高到每分钟100到几百米；随后陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟1000m以上；如今加工一根2×105kW的电机转子轴，仅需要1min，切削效率提高100倍。新刀具材料的出现，推动了整个切削加工技术和机床设备的发展。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology231)刀具材料应具备的性能刀具材料必须具备以下几方面的性能：(1)硬度。刀具切削部分的硬度，必须高于工件材料的硬度才能进行切屑。常温下刀具的硬度要求在HRC60以上。(2)强度和韧性。在切削力作用下工作的刀具，必须具有足够的抗弯强度。刀具在切削时会承受较大的冲击载荷和振动，因此必须具备足够的韧性。(3)耐磨性。为保持刀刃的锋利，刀具材料应具有较好的耐磨性。一般来说，材料的硬度愈高，耐磨性就愈好。(4)红硬性。切削区的温度较高，要求刀具材料具有在高温下仍能保持高硬度的性能，这种性能称为红硬性或热硬性。(5)工艺性。为了便于制造和刃磨，刀具材料应具有良好的切削加工性和可磨削性。此外工具钢还需具备一定的热处理性能。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology24表1为常用刀具材料的种类、性能和用途。2)常用刀具材料的种类、性能和用途表1常用刀具材料的种类、性能和用途bb种类常用牌号硬度HRC(HRA)抗弯强度(GPa)红硬性(℃)工艺性能用途优质碳素工具钢T8A～T10A、T12A、T13A60～65(81～84)2.16200可冷热加工成形、刃磨性能好手动工具，如锉刀、锯条等合金工具钢9SiCr、CrWMn60～65(81～84)2.35250～300可冷热加工成形、刃磨性能好，热处理变形小用于低速成形刀具，如丝锥、扳牙、铰刀高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V263～70(83～86)1.96～4.41550～600可冷热加工成形、刃磨性能好，热处理变形小中速及形状复杂的刀具，如钻头、铣刀等硬质合金YG8、YG6、YT15、YT30(89～93)1.08～2.16800～1000粉末冶金成形，多镶片使用，性较脆用于高速切削刀具，如车刀、刨刀、铣刀山东理工大学ShandongUniversityofTechnology25（1）优质碳素工具钢钢：红硬性：200℃手动工具，如锉刀、锯条等典型牌号：T9、T10、T10A（2）合金工具钢红硬性：250～300℃用于低速成形刀具，如丝锥、扳牙、铰刀典型牌号：CrWMn、9SiCr图18丝锥图20圆板牙山东理工大学ShandongUniversityofTechnology26（3）高速钢。红硬性：550～600℃中速及形状复杂的刀具，如钻头、铣刀等典型钢种W18Cr4VW6Mo5Cr4V2山东理工大学ShandongUniversityofTechnology27(4)硬质合金是一种主要由硬质相和粘结相组成的粉末冶金产品。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology28钨钴硬质合金YG：由WC＋Co组成。韧性较好，抗弯强度较高，热硬性稍差，适于加工脆性材料；如铸铁、铜铝合金、塑料等。钨钛钴硬质合金YT：有WC＋TiC＋Co组成。由于加入了TiC，耐磨性及耐热性比YG类硬质合金更高，但相应的含Co量减少，韧性较差，适于加工塑性材料如钢、铸钢等。1）硬质合金分类GB2075-87山东理工大学ShandongUniversityofTechnology29钨钴类：韧性高，耐磨性低，加工脆性材料。钨钛钴类：硬度高，耐磨性好，加工塑性材料。但粗加工钢毛坯，仍选钨钴类，因切削量大，切削力大，要求刀具韧性好，否易打刀。钨钴类硬质合金钨钛钴类硬质合金山东理工大学ShandongUniversityofTechnology302）高速钢与硬质合金比较：高速钢耐热性，硬度，耐磨性低于硬质合金，但强度和韧性高于硬质合金，工艺性好，成本低----做复杂或成型刀具（如拉刀、剃齿刀、插齿刀等）；硬质合金硬度高，耐磨性好，耐热性高，允许高速切削，但强度和韧性低于高速钢，工艺性差。----做刀片。山东理工大学ShandongUniversityofTechnology31bb种类常用牌号硬度HRC(HRA)抗弯强度(GPa)红硬性(℃)工艺性能用途涂层刀具TiC、TiN、TiN-TiC3200HV1.08～2.161100在硬质合金基体上涂覆一层5～12厚的TiC、TiN材料同上，但切削速度可提高30％左右。同等速度下寿命提高2～5倍多陶瓷SG4、AT6(93～94)0.4～0.7851200硬度高于硬质合金，脆性略大于硬质合金精加工优于硬质合金，可加工淬火钢等立方氮化硼(CBN)FD、LBN－Y7300～9000HV1300～1500硬度高于陶瓷，性脆切削加工优于陶瓷，可加工淬火钢等人造金刚石约10000HV600硬度高于CBN，性脆用于非铁金属精密加工，不宜切削铁类金属其他新型刀具材料山东理工大学ShandongUniversityofTechnology32涂层刀具材料是在硬质合金或高速钢的基体上，涂一层几微米（5～12μm）厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物（TiC、TiN、AL2O3等）构成。涂层硬质合金刀具的耐用度比不涂层的至少提高1～3倍，涂层高速钢刀具的耐用度比不涂层的至少提高2～10倍。国内涂层硬质合金刀片牌号有CN、CA、YB等。TiC涂层刀片：银灰色，5～7μm。TiN涂层刀片：金黄色，8～12μm。（1）涂层刀具山东理工大学ShandongUniversityofTechnology