金属切削加工基本知识.

模块一金属切削加工基本知识项目一金属切削基础任务一切削运动和切削用量1.切削运动在切削加工中刀具与工件的相对运动，使刀具和工件之间产生相对运动，称为切削运动。1)主运动由机床或人力提供的主要运动。特点：切削速度最高，消耗功率最大。如车削时工件的旋转运动，刨削时工件或刀具的往复运动，铣削时铣刀的旋转运动等。2)进给运动由机床或人力提供的运动，它使刀具和工件之间产生附加的相对运动。3）合成切削运动由主运动和进给运动合成的运动，称为合成切削运动。2.工件上的加工表面切削加工时在工件上产生的表面。待加工表面工件上有待切除的表面。已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面。过渡表面工件上由刀具切削刃形成的正在切削的那一部分表面。3.切削用量切削用量是切削速度、进给量(或进给速度)和背吃刀量的总称。1）切削速度（Vc）是指在切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。Vc=πDn/10002）进给量（f）是指工件（或刀具）每回转一周时，刀具（或工件）在进给运动方向上的相对位移量。3）背吃刀量（ap）指待加工表面和已加工表面之间的垂直距离。4.切削层参数切削层是指在切削过程中，刀具的切削部分沿进给方向在一次走刀中切除的工件材料层。切削层参数包括切削层公称宽度bD、切削层公称厚度hD和切削层公称横截面积AD，它的形状和尺寸规定在刀具的基面中度量。任务二刀具角度一、刀具切削部分的组成前刀面Aγ、后刀面Aα、副后面Aα′、主切削刃S、副切削刃S′、刀尖。安装车刀时，规定刀尖与工件中心等高，刀杆中心线垂直于进给运动方向。几个平面刀具静止角度1）主偏角Kr2）副偏角Kr′3）刃倾角λs4）前角γo5）后角αo6）副后角αo′（3）较强的耐磨性和耐热性（2）高强度与强韧性刀具材料3.1.1刀具材料的基本要求刀具材料需满足一些基本要求：刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性（1）高硬度（5）良好的工艺性与经济性（4）优良导热性（1）高硬度刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度应在60HRC以上。对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC。（2）足够强度和韧性刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。（3）高的耐磨性和耐热性A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。B、刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。（4）优良导热性刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。（5）良好的工艺性与经济性刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。3.1.2刀具材料的种类和用途1.碳素工具钢：（C=0.65%～1.35%）常用的牌号有T8A、T10A、T12A等。切削温度≤200℃，切削速度≤8m/min，硬度60～65HRC主要用于手用工具，如锉刀锯条等。2.合金工具钢：（锰、铬、钨、硅）常用的牌号有9SiCr、GCr15、CrWMn等。切削温度≤600℃，硬度63～66HRC主要用于制造低速手用工具，如丝锥绞刀等。3.高速钢（1）概念：高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢（2）性质：①高速钢具有良好的热稳定性②高速钢具有较高强度和韧性③高速钢具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性（3）高速钢的分类①普通高速钢A、钨系高速钢（简称W18）优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。B、钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢）优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性。缺点：高温切削性能和W18相比稍差。②高性能高速钢优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍。缺点：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。③粉末冶金高速钢优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；耐磨性好。适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。4．硬质合金（1）硬质合金组成硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。（2）硬质合金的性能特点优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高。缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，冲击韧性只有高速钢的1/4～1/35。力学性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。（3）普通硬质合金的种类、牌号及应用按其化学成分的不同可分为：①钨钴类（WC+Co）（代号YG）硬度89～91.5HRA，耐热性800～900℃，常用牌号YT3、YT6、YT8等。用于铸铁有色金属合和非金属材料。金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工。②钨钛钴类（WC+TiC+Co）（代号YT）硬度89.5～92.5HRA，耐热性900～1000℃常用牌号YT5、YT14、YT15，数值表示TiC的百分含量。用于加工塑性材料，不适合加工含TiC不锈钢。合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低→粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。③钨钽（铌）钴类（WC+TaC（Nb）+Co）（代号YA）常温有高硬度、耐磨性、高温强度和抗氧化性。常用的牌号：YA6用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢等材料的半精加工和精加工。④钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（代号YW）性能高于钨钛钴类，通用性好等。常用的牌号：YW1、YW2用于加工钢材、铸铁、有色金属及合金。⑤碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）（代号YN）具有很高硬度、耐磨性，较高耐热性和抗氧化性，摩擦系数较小，抗黏结能力较强，耐用度高于WC基硬质合金，抗弯强度和冲击韧性低于WC基硬质合金。常用的牌号：YN05、YN10用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。5.特殊刀具材料1）陶瓷刀具（1）材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3Si3N4等氧化物、氮化物和少量的金属碳化物、氧化物等添加剂组成。通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。（2）常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（3）优点：硬度91～95HRA，耐热性为1200℃，耐磨性很高，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，切削速度高于硬质合金3～5倍，刀具寿命比硬质合金高。（4）缺点：强度和韧性差，热导率低；陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。（5）适用范围：高速精细加工硬材料。2）金刚石刀具（1）分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。（2）优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的60～80倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。（3）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。（4）适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。3）立方氮化硼刀具（1）概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温、高压下合成。（2）优点：硬度高8000～9000HV，耐热性为1200℃热稳定性好，导热性较高，摩擦系数较小（3）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2。（4）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。不宜加工塑性大的钢件、镍基合金、铝合金和铜合金。6.涂层刀具1）概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层(5～12μm)耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。2）常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al2O3等3）涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层4）优点：涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性5）适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。第一章金属切削及机床的基本知识基本内容：主要介绍刀具几何角度及工作角度、切削变形与积屑瘤、切削力、切削热、切削温度、刀具磨损与刀具耐用度、切削液及刀具几何参数的合理选择、机床的基本知识等。2.基本要求：刀具几何角度和积屑瘤的成因、作用及控制措施影响切削力、切削热、切削温度、刀具磨损的因素；合理选择刀具材料、几何参数、切削液等。3.2金属切削加工基本知识一、切削运动和切削用量1.切削运动:1)主运动2)进给运动3)合成切削运动2.工件上的加工表面:待加工表面、已加工表面、过渡表面。3.切削用量1)切削速度Vc2)进给量f3)背吃刀量ap二、刀具角度参考系和刀具角度1.车刀的组成：前刀面Aγ、后刀面Aα、副后面Aα′、主切削刃S、副切削刃S′、刀尖。2.刀具静止角度参考系及其坐标平面1)刀具静止角度参考系①假定运动条件:②假定安装条件:2)刀具静止参考系的坐标平面①基面Pr基面是通过切削刃上选定点，垂直于假定主运动方向的平面。②切削平面Ps切削平面是指切削刃上选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。③正交平面Po(也称主剖面)正交平面是通过切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。3.刀具静止角度的标注（正交平面参考系Pr、Ps、Po）1）主偏角Kr2）副偏角Kr′3）刃倾角λs4）前角γo5）后角αo6）副后角αo′三、刀具的工作角度1.刀具工作参考系及工作角度1）刀具工作参考系工作基面Pre、工作切削平面Pse、工作正交平面Poe、工作平面Pfe、工作法子面Pne2）刀具工作角度工作前角γoe工作后角αoe工作侧前角γfe工作侧后角αfe2.进给运动对刀具工作角度的影响1）横车外圆对工作角度的影响以Kr=90º的切断刀为例(见图1—13)，由于受进给运动速度υf的影响，刀具工作角度发生了变化，它与标注角度的关系为γoe=γo+µαoe=αo-µ2)纵向进给运动对工作角度的影响图3—15所示由于受进给运动速度υf的影响，刀具工作角度发生了变化，它与标注角度的关系为在主剖面内：γoe=γo+µoαoe=αo-µo在进给剖面内：γfe=γf+µfαfe=αf-µf3)刀尖安装高低对工作角度的图1—15所示为车外圆时，刀尖安装位置高低对工作角度的影响情况．由图可知:当刀尖高时[见图1—15a]γpe＝γp+θpαPe＝αP-θp当刀尖低时[见图1—15b]γpe＝γp-θpαPe＝αP+θpsinθp＝h/2d4)刀杆轴线不垂直与进给运动方向刀具的标注主偏角、副偏角和工作主偏角、工作副偏角的关系如图向右倾斜时：Kr=Kre-GKr′=Kre′+G向左倾斜时：Kr=Kre+GKr′=Kre′-G3.3金属切削过程一、切削变形及其主要影响因素1．切屑的形成过程及切屑形态1)切屑的形成