北航加工工艺学——6加工(3章切削加工)

第三章切削加工工艺3.1切削加工概述3.1.1切削加工的分类切削加工：是指利用刀具从毛坯上切去多余的材料，从而获得一定几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。分类：机械切削加工（普通/数控）切削加工机械加工钳工特种3.1.2零件表面的分类与成形原理1.零件表面的分类基本表面零件的表面型面（各种沟槽、螺纹、齿轮及特型面）回转型二维特型面平移型特型面列表曲面三维特型面函数曲面仿生曲面二维特型面列表曲面（三维）2.零件表面的成形原理⑴成形法以切削刃的形状来保证工件表面形状的成形原理。特点：刀具切削刃的几何形状复杂，而刀具相对工件的进给运动极为简单。⑵包络法以切削刃相对于工件表面的运动轨迹而形成的包络面即成为工件表面的成形原理。特点：一般刀具相对简单而切削运动较为复杂。（动画）3.1.3切削运动与切削用量1.切削运动是指刀具与工件之间的相对运动。⑴主运动即刀具从工件上切下切屑所需要的基本运动。⑵进给运动即使工件继续投入切削的运动。(常见机床的切削运动见表3-1)2.加工中的工件表面3.切削用量是调整机床用的参量。切削速度、进给量和背吃刀量称作切削用量三要素。⑴切削速度主运动为旋转运动，则：vc=dn/1000×60(m/s)式中：d--工件或刀具的直径，mm；n--工件或刀具的转速r/min。主运动为往复运动，则：vc=2Lnr/1000×60(m/s)式中：L--往复运动行程长度，mm;nr--工件或刀具每分钟往复的次数，str/min。⑵进给量刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用f表示。车、钻、镗、铣削时单位为mm/r⑶背吃刀量又称切削深度，指在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度，用ap表示。单位为mm。车削外圆时：ap=（dw－dm）/2(mm)式中：dw--待加工表面的直径，mm；dm--已加工表面的直径，mm。3.2车刀的几何结构及刀具材料3.2.1车刀的几何结构1.车刀切削部分的构成要素⑴几何表面前面又称前刀面，刀具上切屑流过的表面；主后面又称主后刀面，刀具上与前面相交形成主切削刃的表面。副后面又称副后刀面，刀具上与前面相交形成副切削刃的表面。⑵切削刃主切削刃起始于切削刃上主偏角为零的点，并至少有一段切削刃拟用来在工件上切出过渡表面的那个整段切削刃、它担负着主要的切削工作；副切削刃切削刃上除主切削刃以外的刃，亦起始于主偏角为零的点，但它向背离主切削刃的方向延伸。它担负着部分切削工作。⑶刀尖指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。刀具的角度1为什么要讲刀具的角度2标注角度和工作角度前提条件：刀尖与工件轴线等高，进给量为零，刀柄中心线垂直于进给方向等。2.刀具角度参考系⑴基面pr通过主切削刃选定点的平面，一般其方位要垂直于假定的主运动方向。⑵主切削平面ps通过主切削刃选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。⑶正交平面po通过主切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。正交平面原称作主剖面。3.车刀的标注角度及作用前角0前面与基面间的夹角。后角0后面与切削平面间的夹角。主偏角kr主切削平面与假定工作平面之间的夹角。副偏角kr′副切削平面与假定工作平面之间的夹角。刃倾角s主切削刃与基面间的夹角。角度的作用：前角0前角越大，刀刃锋利，越利于切削，但前角过大会削弱切削刃的强度。后角0影响主后面与工件过渡表面间的摩擦及刀刃的强度。主偏角kr主要影响切削条件和刀具寿命，也影响切削分力之间的比例。副偏角kr′影响副切削刃与工件间的摩擦及表面质量。刃倾角s主要影响切屑流向和刀体的强度。3.2.2刀具材料1.对刀具材料的要求⑴高硬度一般应在HRC60以上。⑵高耐磨性含有硬质点的数量越多、晶粒越细，分布越均匀，则耐磨性越好。⑶足够的强度和韧性别用抗弯强度和冲击韧度来衡量。⑷高耐热性又称红硬性，指刀具材料在高温下保持其常温硬度的能力。是衡量刀具材料优劣的一项重要指标。此外，刀具材料还应具有良好的工艺性和经济性。2.常用刀具材料一般分为以下四类：⑴高速钢按其性能分为通用型高速钢和高性能高速钢两种。通用型高速钢热处理后的硬度可达HRC62～66，在550～600℃时仍能保持正常的切削性能。常用牌号有W18Cr4V（称W18）W6Mo5Cr4V2（简称M2）等。高性能高速钢硬度可达HRC67～70，在600～650℃时仍可保持HRC60的硬度。常用牌号有W2Mo9Cr4VCo8（简称M42）和W6Mo5Cr4V2Al（简称501）等。⑵硬质合金硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC、NbC、TaC等)粉末为基体，以熔点较低的金属(Co或Ni等)粉末为粘结剂经高压后烧结制成的。常温硬度为HRC74~82，耐热温度可达800~1000℃。允许的切削速度远高于高速钢，可达1.7～5m/s。硬质合金的抗切削振动和冲击能力较差，目前在复杂结构的刀具上使用还受到一定限制。P类即YT类，适于加工长切屑的黑色金属。M类即YW类，适于加工长、短切屑的黑色和有色金属。K类即YG类，适于加工短切屑的黑色、有色金属及非金属。（硬质合金代号和应用范围见表3-2）⑶涂层刀具材料是指通过气相沉积或其它技术方法，在硬质合金(或高速钢)的基体上，涂覆一薄层耐磨性极高的难熔金属化合物。常用涂层材料有TiC（碳化钛）、TiN（氮化钛）和Al2O3及其复合材料等。⑷超硬刀具材料陶瓷刀具材料在1200℃时仍能保持HRA90～95的硬度。人造聚晶金刚石硬度可达HV10000，是目前人工制成的硬度最高的刀具材料金刚石刀具，温度达到700～800℃时就会失去硬度，不宜加工黑色金属。立方氮化硼硬度为HV8000～9000，仅次于金刚石，其耐热性可达1400℃。3.3金属切削过程3.3.1切屑的形成及三个变形区切削过程实质：弹性变形—塑性变形—分离三个变形区始滑移线OA终滑移线OM第Ⅰ变形区—剪切区第Ⅱ变形区—滞流区第Ⅲ变形区—塑变区常见的切屑形态带状切屑：切削力变化比较小，切削过程较平稳。节状切屑：切削过程不够平稳，表面粗糙度Ra值较大。崩碎切屑：切削过程极不稳定，刀具刃口易崩刃或磨损。3.3.2积屑瘤1.形成(在第Ⅱ变形区)条件:外摩擦力内摩擦力有瘤好不好？要不要？2.作用增大工作前角,保护切削刃.使实际切削深度变化,易引起震动,降低工件表面质量.∴粗加工—允许存在(切削轻快).精加工—不允许存在(保证质量).能否想要就要？3.影响因素工件材料:塑性↑,积屑瘤↑;可正火,调质。切削速度:＊低速(＜0.08m/s)或很高速(＞1.67m/s),积屑瘤↓＊中速(0.08～1.67m/s),积屑瘤↑(300℃)刀具：增大前角，减小走刀量，提高刀具表面质量及合理使用润滑液，可使积屑瘤↓3.3.3切削力与切削功率1.切削力切削过程中，刀具对工件所施加的力称为切削力。来源于两个方面：被切材料层因弹性变形和塑性变形而产生的变形抗力—P变；刀具前刀面与切屑之间、后刀面与工件过渡表面之间相对运动而产生的摩擦阻力—P摩。总切削力F是一个空间矢量，其大小和方向随切削条件而变化。可分解为三个互相垂直的分力。三个分力主切削力Fc总切削力F在主运动方向上的分力。它垂直于工作基面，与切削速度方向平行，故又称切向力。消耗机床总功率的95％以上，是计算切削功率和车刀强度、确定机床动力的主要依据。背向力Fp总切削力F在垂直于工作平面方向上的分力。它投影在工作基面上，并与工件轴线垂直，故又称径向力。它一般不消耗机床功率，但易使工件变形、振动，是影响工件加工质量的主要分力。进给力Ff总切削力F在进给运动方向上的分力，它投影在工作基面上，并与工件轴线平行，故又称轴向力。只消耗机床功率的1％～5％，是机床进给机构强度与刚度设计的主要依据。关系：F=Fc2﹢Fp2﹢Ff2Fp=(0.15～0.7)FcFf=(0.1～0.6)Fc影响因素：工件材料的硬度和强度愈高，则变形抗力愈大，因此切削力愈大。切削用量中对切削力影响最大的是背吃刀量，其次是进给量，而切削速度影响最小。刀具前角增大，被切金属的变形减小，故切削力减小。此外，刀具的主偏角和刃倾角的大小、刀具的安装与磨损及冷却润滑状况等对切削力大小和各分力间的比例都存在程度不同的影响。2.切削功率背向力Fp方向运动速度为零（不做功），进给力Ff很小，往往忽略不计，切削功率：Pm=Fc·vc×10-3(KW)式中，vc——切削速度，m/s。机床电动机功率为：Pe≥Pm/式中，——机床传动效率，一般取0.75～0.85。3.3.4切削热与切削温度1.切削热切削层金属弹性变形和塑性变形--Q变刀具前刀面与切屑,后刀面与工件之间的摩擦--Q摩散热比例中等速度车削钢件时:(大约)切屑带走50％～86％,传入工件9％～3％,传入刀具40％～10％,散入空气1%（钻削：见书）影响(传入切屑和空气的热量无影响)传入工件和刀具的热量:•使工件升温变形,产生尺寸、形状误差,精度↓•“烧伤”工件表面,表面质量↓•刀具局部温度↑硬度↓,加速磨损(导致工件质量↓)2.切削温度切削温度是指工件、刀具和切屑三者接触表面上的平均温度。是产生和传散切削热综合作用的结果。⑴工件材料工件材料的强度、硬度越高，切削温度也就越高。材料的导热性好，可使切削温度降低。⑵切削用量加大切削用量会使切削温度升高。切削用量中对切削温度影响最大的是切削速度，其次是进给量,而背吃刀量的影响最小。⑶刀具角度刀具的前角增大，切削层变形小，切削温度降低。⑷切削液使用适当的切削液可明显降低切削温度。3.3.5刀具磨损与耐用度1.刀具磨损⑴刀具磨损的形式前刀面磨损高速、大厚度塑性材料KT表示后刀面磨损脆性、小厚度塑性材料VB表示前后刀面同时磨损⑵刀具磨损的过程刀具后面磨损量VB与切削时间之间的磨损曲线。分为三个阶段：AB段初期磨损BC段正常磨损CD段剧烈磨损2.刀具耐用度刀具磨钝标准是指刀具允许的最大磨损量，通常以主后面中间部分平均磨损量VB作为磨钝标准。刀具寿命是指一把新刀由开始切削到报废为止的总切削时间，用t表示。显然，刀具耐用度T与刀具寿命t之间存在以下关系：t=n·T（min）式中，n——刀具刃磨次数。通常，耐用度T:硬质合金车刀T=60～90min；高速钢钻头T=80～120min；硬质合金面铣刀T=90～180min；齿轮滚刀T=200～300min。选择刀具耐用度有两种方法：根据单件工时最短的原则来确定的最高生产率耐用度Tp；根据工序成本最低的原则来确定的经济耐用度Tc。Tc＞Tp3.3.6工件材料的切削加工性切削加工性是指对某种工件材料进行切削加工的难易程度。材料的相对加工性Kv一般以抗拉强度b=735MPa的45钢的v60作基准，写作（v60）jKv=v60/（v60）jKv值越大,其相对切削加工性越好。工件材料的相对切削加工性分为八级，如表3-3。1—很容易切削…2～3---容易切削…4～5---普通…6～8---难切削…常用金属材料的切削加工性结构钢低碳钢(含C﹤0.25%)较差(改善:正火)中碳钢(0.3～0.6%C)较好(改善:正火)高碳钢(0.6-0.8%c,含P)稍难(次于中碳钢)高碳钢(大于0.8%c,含F3C)不好(改善:球化退火)•合金结构钢低于含C量相同的碳钢铝、镁合金良好(但热膨胀系数大)不锈钢较差(比低碳钢差,比高碳钢(含F3C)也差)高温合金极差钛合金难切(比不锈钢差,比高温合金好)＊切削加工性排序铝合金镁合金中碳钢高碳钢(含P)低碳钢高碳钢(含F3C)不锈钢钛合金高温合金3.4精密加工1.精密加工的概念目前精密与超精密加工的范畴可划分如下：⑴一般加工指加工精度在10m左右，相当于公差等级IT6～IT5，表面粗糙度为Ra0.8～0.2m的加工方法，如车、铣、磨等。适用于一般机械制造行业。⑵精密加工指加工精度在1～0.1m，公差等级在IT5以上，表面粗糙度值在Ra0.1～0.03m的