第1章金属切削加工的基础知识.

CHD第1章金属切削加工的基础知识本章内容切削运动和切削要素1金属切削刀具2金属的切削过程3加工质量和生产率4材料的切削加工性5基本要求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：车刀几何角度机械制造中的加工方法：加工过程中质量的变化（）m＜0：材料去除加工＝0：材料成形加工：如铸造、锻造、挤压、粉末冶金等＞0：材料累积：利用微体积材料逐渐叠加的方式使零件成形。传统方法有焊接、粘接或铆接等，近几年发展起来的快速成型技术切削加工：指利用切削刀具从工件上切除多余材料特种加工：指利用机械能以外的其他能量直接去除材料，如电火花加工、电解加工等快速成型机床按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体。快速成型技术切削加工钳工（用手持工具）如划线、錾削、锯削、锉削、刮研、钻孔和铰孔、攻丝、套扣等切削加工机械加工（用机床）如车、铣、刨、钻、磨及齿轮加工等切削加工——用切削刀具从毛坯上切除多余的材料，获得几何形状、尺寸和表面粗糙度等方面符合图纸要求的零件的加工过程。1.1切削运动和切削要素1.1.1零件的种类及其表面的形成零件主要有以下四种表面组成：（1）圆柱面：（2）圆锥面：（3）平面：（4）成形面：加工方法上述表面，可以用以下相应加工方法获得：（a）车外圆面（b）磨外圆面（c）钻孔（d）车床上镗孔（e）刨平面（f）铣平面（g）车成形面（h）铣成形面1.虽然母线和导线相同，但若两者间起始位置不同，形成的表面也不同，如上图中的b及c。2.有些表面，其母线和导线可以互换，如图1.2中a、d和f等，称为可逆表面；另一些表面则不能互换，如图中b和e，称为不可逆表面。切削加工中发生线是由刀具的切削刃和轨迹的相对运动得到的，不同的加工运动、不同的切削刃形状，形成发生线的方式不同，获得的零件表面就不同。形成零件表面的方法可以归纳为以下4种：（1）轨迹法利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。切削刃与被加工表面为点接触，发生线为接触点的轨迹线。图a中母线2，工件作回转运动形成导线，最终获得回转曲面。采用轨迹法形成发生线需要一个成形运动。需要指出：（2）成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法。如图b所示，切削刃1的形状和长度与所需形成的发生线（母线2）完全吻合，工件作回转运动形成导线，最终也获得回转曲面。（3）相切法利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。如图c所示，刀刃1作回转运动，同时刀具轴线沿着发生线的等距线作轨迹运动，切削点运动轨迹的包络线就是所需的发生线。为了用相切法得到发生线，需要二个成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律运动。（4）展成法利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的方法。如图d所示，加工时，刀具1与工件按确定的运动关系作相对运动，切削刃与被加工表面相切，切削刃各瞬时位置的包络线，就是所需的发生线。用展成法形成发生线需要一个成形运动（即刀具运动A与工件运动B组合而成的展成运动3）。1.1.2机床的切削运动主运动是切下切屑所需要的最基本的运动，对切削起主要作用，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。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——用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。1.1.3工件上的几个表面1．切削速度（m／s或m／min）切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。即在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。1.1.4切削用量切削用量是指切削速度、进给量f（或进给速度）和切削深度。三者又称为切削用量三要素。paCv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）。切削用量工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mm／r（或mm／双行程）。2．进给量f进给速度—指单位时间的进给量。进给量与进给速度之间的关系为：fznfnzfV(mm/s)切削用量3．切削深度（mm）pa式中:——待加工表面直径（mm）——已加工表面直径（mm）wdmd切削深度指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。如车外圆时，切削用量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。1.切削厚度ac(λs=0)ac＝fsinκr2.切削宽度awaw＝ap/sinκr3.切削层面积A0A0＝acaw＝fap1.1.5切削层的几何参数1.2金属切削刀具刀具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数。1.2.1刀具材料1.刀具材料必须具备的性能（1）高的硬度和耐磨性常温硬度HRC60以上，耐磨性是硬度、组织结构及化学性能等的综合反映。（2）足够的强度和冲击韧性（3）高耐热性高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等（4）良好的工艺性锻造性能、磨削性能、热处理性能等（5）经济性刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。◆碳素工具钢和合金工具钢因其耐热性很差，目前仅用于手工工具如锉刀、铰刀等。◆高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。2.常用刀具材料高速钢特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度较高，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。◆硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削硬材料。硬质合金的不足:抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、平面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。常用刀具材料◆陶瓷刀具材料陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。新型刀具材料◆超硬刀具材料天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石（PCD）由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（PCBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度很高，耐热性达1200℃，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。新型刀具材料刀具材料对比刀具材料对比以外圆车刀为例，分析刀具几何形状。1.车刀切削部分的构造切削部分由3面-2刃-1尖组成。1.2.2刀具的几何形状（1）前刀面(前面)：切屑流出所经过的表面。（2）主后刀面(主后面)：与工件上过渡表面相对的表面。（3）副后刀面(副后面)：与工件上已加工表面相对的表面。（4）主切削刃(主刀刃)：前刀面与主后刀面的交线，承担主要切削工作。（5）副切削刃(副刀刃)：前刀面与副后刀面的交线，协同主切削刃完成切削工作，（6）刀尖：主切削刃和副切削刀的交点，可以是一段小的圆弧，也可以是一段直线。刀具的几何形状2.车刀切削部分的主要角度（1）辅助平面：为了确定刀具的角度，必须引入一个由三个辅助平面组成的空间坐标参考系。以此为基准，反映刀面和切削刃的空间位置。①基面：通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。②切削平面：通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。③主剖面：通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。三个辅助平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系。辅助平面①前角γo在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。γo影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。Aκr′A向f车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ0刀具标注角度（2）车刀标注角度在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度，是刀具制造和刃磨的依据。根据前刀面与基面相对位置的不同，前角可分为正前角、零前角和负前角。一般，加工塑性较大的材料时，切削变形大，应取较大的前角。加工脆性材料时，应取较小的前角。刀具标注角度②后角αo后角αo在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为3°～6°；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为6°～12°。刀具标注角度主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°几种。③主偏角κr在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。κr的大小影响切削层的几何参数和刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。κr的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动Aκr′A向fγ0γ′0α′0α0κrεrλsκr刀具标注角度主偏角对切削层和切削分力的影响κr′AA向fγ0γ′0α′0α0κrεrλs④副偏角κr′κr′在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。κr′刀具标注角度图1-10副偏角对残留面积的影响在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。⑤刃倾角λs——在切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,λs定为正值；反之为负。λs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，λs常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，λs常取正值或零。刀具标注角度（3）刀具工作角度上面讨论的外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响，假定刀杆纵向轴线垂直于进给方向，切削刃上选定点与工件中心等高，车刀的底面与基面平行等条件下确定的。这种假定状态称为“静止状态”。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。刀具工作角度刀具工作角度◆车刀安装