金属工艺学—5切削加工

金属工艺学第五篇切削加工2019/10/31第五篇切削加工金属工艺学第五篇切削加工2019/10/32概述金属切削加工是用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。金属切削加工钳工机械加工加工方法有划线、錾、锯、刮、研、攻螺丝、套螺丝等通过操作机床来完成切削加工的，如车、钻、刨、磨、齿轮加工等切削加工的主要特点：工件精度高、生产率高及适应性好。凡是要求具有一定几何尺寸精度和表面粗糙度的零件，通常都采用切削加工方法来制造。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/33本章学习目的和要求：1、掌握切削加工的运动和切削要素2、了解常用刀具材料3、掌握刀具几何角度4、了解切削过程的切削热、变形、刀具的耐用度5、了解材料的切削加工性重点内容：1、掌握切削加工的运动和切削三要素2、掌握刀具几何角度本章难点：车刀几何角度第17章金属切削的基础知识金属工艺学第五篇切削加工2019/10/34第一节切削加工的运动分析及切削要素一、零件表面的形成金属工艺学第五篇切削加工2019/10/35主运动切下切屑所需要的最基本的运动，对切削起主要作用，速度最高、消耗机床的功率95%以上。机床主运动只有1个。Ⅰ——主运动切削运动进给运动使工件不断投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。速度低，消耗机床的功率5%以下。机床的进给运动可以有一个或几个。Ⅱ——进给运动切削运动——刀具和工件之间的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。二、切削运动金属工艺学第五篇切削加工2019/10/36金属工艺学第五篇切削加工2019/10/37三、切削运动中的三个表面（1）待加工表面：指加工时工件上有待切除的表面；（2）已加工表面：指工件上经刀具切削后产生的表面；（3）加工表面（过渡表面）：指工件上由刀具切削刃形成的表面。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/38四、切削用量三要素切削速度在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与刀具间沿进刀方向相对运动的距离。在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。待加工表面和已加工表面的垂直距离。进给量背吃刀量金属工艺学第五篇切削加工2019/10/39（1）切削速度（V，m/s）在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。当主运动为旋转运动时，切削速度为：式中：dW—待加工表面直径（mm）n—工件或刀具的转速(r/min)当主运动为往复直线运动（如刨削）时，切削速度为：(m/s)(m/s)式中：nr—主运动每分钟往复次数（次/min）；L—往复直线运动行程长度（mm）。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/310（2）进给量（f，mm）在单位时间内（主运动的一个循环内），刀具或工件沿进给运动方向的相对位移。如在车削、镗削、钻削时，进给量表示工件或刀具每转一转，刀具或工件移动的距离，单位是mm/r。在牛头刨床（龙门刨）刨削时，刀具（工件）每往复一次，工件（刀具）移动的距离。单位时间的进给量—进给速度（vf）nfvf（mm/s）金属工艺学第五篇切削加工2019/10/311（3）背吃刀量（切削深度，ap，mm）待加工表面和已加工表面的垂直距离。在车削外圆时：ap=（dw-dm）/2（mm）其中：dw—工件待加工表面的直径；dm—工件已加工表面的直径。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/312由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。切削层的截面尺寸称为切削层参数。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在垂直于切削速度的平面内度量，包括切削厚度ac、切削宽度aw和切削面积AC。五、切削层几何参数金属工艺学第五篇切削加工2019/10/3131)切削厚度（ac）（mm）两相邻加工表面之间的垂直距离。rckfasin（mm）2)切削宽度（aw）（mm）沿主刀刃度量的切削层的长度。rpwkaasin（mm）3)切削面积（AC）（mm2）wcpCaaafA（mm2）金属工艺学第五篇切削加工2019/10/314刀具上与工件的加工表面相对的表面。第二节刀具材料及刀具构造一、刀具的组成切削部分（刀头）夹持部分（刀体）前刀面：主后刀面：副后刀面：主刀刃副刀刃刀尖切屑流出所经过的表面。刀具上与工件的已加工表面相对的表面。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/315夹持部分（刀体）切削部分（刀头）前刀面主后刀面副后刀面主刀刃副刀刃刀尖金属工艺学第五篇切削加工2019/10/316二、刀具材料1.对刀具材料有如下要求：(1)高的硬度和耐磨性。(2)足够的强度和韧性。(3)高的耐热性与化学稳定性。(4)良好的工艺性和经济性。2.常用刀具材料⑴碳素工具钢C=0.7~1.4%；T8、T10、T10A、T12等HRC≈61~65金属工艺学第五篇切削加工2019/10/317特点a.淬火后硬度高；HRC≈61~65b.价格低；ｃ.耐热温度低；ｄ.淬火后应力、变形大。250~300℃应用：速度低、形状简单的手动工具。如锉刀、锯条等。⑵合金工具钢Me5%；9SiCr、CrWMn等。HRC≈61~68耐热温度—350~400℃应用：速度低、形状复杂的工具。如绞刀、板牙、丝锥等。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/318⑶高速钢高合金钢。W=6~20%；Cr=3.8~4.4%；V=1.0~4%HRC≈62~69耐热温度—600℃V=20~30（m/min）应用：各种形状复杂的刀具。如钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。⑷硬质合金碳化物+粘结剂——粉末冶金碳化物：WC、TiC、TaC、NbC粘结剂：CoHRC≈76~84耐热温度—1000℃允许的切削速度是高速钢的4~10倍。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/319①钨钴类（YG）：WC+Co韧性好、硬度低，切削韧性材料时耐磨性较差。适于加工铸铁、青铜等脆性材料和粗加工。②钨钴钛类（YT）：WC+TiC+Co硬度高、耐磨性好、耐热性好，但韧性较差。适于加工韧性材料和精加工。⑸陶瓷材料主要成分是Al2O3HRC≈93~94耐热温度—1200~1450℃主要用于加工半精加工和精加工高硬度、高强度钢及冷硬铸铁等材料。人造金刚石、立方氮化硼等刀具材料金属工艺学第五篇切削加工2019/10/320三、刀具几何形状1.辅助平面为确定刀具的几何角度而引入的辅助平面包括切削平面、基面和正交平面。基面：过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。切削平面：过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面的平面。正交平面（主剖面）：通过切削刃选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/321金属工艺学第五篇切削加工2019/10/3222.车刀的主要角度车刀的主要角度包括前角γ0、后角α0、主偏角κr、负偏角κr´和刃倾角λs。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/3231）在正交平面内测量角度（a）前角γ0：正交平面中，前刀面与基面之间的夹角。前角大，刃口锋利，切屑变小，切削力小，切削轻快。但易产生崩刃。应根据刀具和工程材料及加工性质选择。加工塑性材料，取较大的前角，10—20°。粗加工或灰铸铁取较小的前角，5—15°。（b）后角α0：正交平面中，主后刀面与切削平面之间的夹角。增大后角可减少主后刀面与工件间的摩擦，提高工件加工质量和刀具耐用度，并使切削刃锋利。在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，一般粗加工、强力车削，材料较硬时取小值,6—8°。反之取8—12°金属工艺学第五篇切削加工2019/10/3242）在基面内测量角度（a）主偏角κr：主刀刃在基面上投影与进给方向的夹角。影响切削层的形状，切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷。减少κr，主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，寿命提高。45、60、75、90°。（b）副偏角κr´：副刀刃在基面上投影与进给反方向的夹角。影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，减少κr´，减少表面的粗糙度的数值，还可提高刀具强度。过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降低表面质量。5—15°。粗加工取较大值。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/325注意：车外圆与车端面弯头车刀主、副偏角的变化主切削刃副切削刃刀尖前角γ0后角α0主偏角κr副偏角κr＇车外圆CAB1243车端面CED1256金属工艺学第五篇切削加工2019/10/3263）在切削平面内测量的角度刃倾角λs：主刀刃与基面间的夹角。影响切屑流出方向，刀尖强度、切入切出平稳性、切削分力和切削的工作长度；-5—+5度。保证加工质量的前提下。尽量取较大的负值（小值），提高刀具耐冲击力。刃倾角正负的规定：刀尖处于切削刃最高点时，刃倾角为正；刀尖处于切削刃最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。刃倾角及其对切屑排出方向的影响粗加工取负值精加工取正值金属工艺学第五篇切削加工2019/10/327请将下图中所标注的刀具基本角度填写在横线上思考题前角为；后角为；主偏角为；副偏角为；刃倾角为。金属工艺学第五篇切削加工2019/10/328请将下图中所标注的刀具基本角度填写在横线上思考题前角为60；后角为180；主偏角为450；副偏角为350；刃倾角为80。金属工艺学第五篇切削加工刀具的结构形式整体式焊接式机夹可转位式多为高速钢车刀，其结构简单，制造、使用都方便不需焊接和刃磨，避免了焊接和刃磨引起的缺陷，保持了硬质合金的原有性能，提高了刀具的耐用度结构简单、紧凑、刚性好，可磨出各种所需角度，应用广泛3.刀具的结构形式2019/10/329金属工艺学第五篇切削加工2019/10/330第三节金属切削过程金属材料在刀具的作用下变形、分离的过程。1.切屑形成过程切削层的金属弹性变形塑性变形挤裂切离切屑切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂沿刀具前刀面流出一、切屑的形成过程及切屑种类金属工艺学第五篇切削加工a)带状切屑b)节状切屑c)崩碎切屑用大前角的刀具，较高的切削速度和小的进给量切削塑性材料时，易得到带状切屑带状切屑切削过程平稳，切削力变化小，工件表面光洁;必须采取断屑措施节状切屑低的切削速度和较大的进给量加工中等硬度的钢材时产生切削力波动较大，工件表面粗糙崩碎切屑切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩裂。工件材料脆性越大，刀具前角越小，切削深度和进给量越大，越易产生此类切屑刀尖容易磨损，容易产生振动，影响表面质量2、切屑的种类2019/10/331金属工艺学第五篇切削加工(1)切屑的形态可随切削条件不同而改变(2)可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工质量增大前角提高切削速度减小进给量有利于使粒状切屑、节状切屑向带状切屑转化使切削过程平稳降低加工表面粗造度数值结论：2019/10/332金属工艺学第五篇切削加工2019/10/333二、积屑瘤1、积屑瘤的形成在一定的切削速度下切削塑性材料时，常发现在刀具的前刀面上靠近刀尖的部位粘附着一小块很硬的金属，称为积屑瘤。形成原因：由于切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，使切屑底层的流动速度低于上层的流动速度，形成滞流层。当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑材料内部的结合力时，滞流层的金属与切屑分离而粘附在刀刃附近，形成楔形的积屑瘤。积屑瘤形成动画金属工艺学第五篇切削加工2019/10/334有利方面（粗加工）保护刀具增加工作前角积屑瘤硬度很高可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大可减小切削变形和切削力，使切削轻快2、积屑瘤对加工过程的影响金属工艺学第五篇切削加工2019/10/335不利方面（精加工）影响工件尺寸精度影响工件表面粗造度积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，