第1章金属切削的基础知识.

FundamentalofMechanicalMachiningTechnology机械加工工艺基础1冷加工课程内容第一章金属切削基础第二章金属加工机床基本知识第三章常用切削加工方法的工艺特点及应用第四章特种加工与精密加工技术第五章典型表面加工方案的选择第六章机械零件的结构工艺性第七章机械加工工艺过程2绪论1.机械加工machining借助机械装置将原材料或毛坯改变成零件的过程。——一个古老的概念通常指常规切削加工或称冷加工（machining）3非常规加工nontraditionalmachining2.加工processing——泛指对材料的处理过程冷加工——金切加工热加工——材料液态成形或塑性成形绪论3.加工（processing）方法分类：4•去除加工•增材加工•变形加工——切削加工腐蚀加工机械切削加工：钳工加工——焊、镀、沉积、生长……——铸、锻、压、弯、挤、轧、旋压、拉深、胀型……绪论4.切削加工的特点和地位（cuttingmachining）：51.加工精度高——目前的最高精度是切出来的2.工艺范围很宽——IT12~IT3,Ra25～Ra0.013.生产率高4.加工成本较低5.污染较小6.要求刀具材料优于工件材料（硬度、强度等）7.得到了最广泛的应用——占目前机械制造总量的40～60％678第一章金属切削基础知识第一节切削运动及切削要素91.切削运动1.1基本成形表面圆柱面－直母线旋转平面－直母线沿直线曲面－曲母线沿直线或圆ⅠⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅡⅡⅠ主运动Ⅰ：提供切削可能性的运动，主运动只有一个；进给运动Ⅱ：提供连续切削可能性的运动，进给运动可以有多个。10机床名称主运动进给运动卧式车床工件旋转运动车刀纵向、横向、斜向直线移动钻床钻头旋转运动钻头轴向移动卧铣、立铣铣刀旋转运动工件纵向、横向、斜向直线移动牛头刨床刨刀往复运动工件横向间歇移动或刨刀垂向、斜向间歇移动龙门刨床工件往复运动刨刀横向、垂向、斜向间歇移动外圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动内圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动平面磨床砂轮高速旋转工件往复移动，砂轮横向、垂向移动11机床的切削运动•切削三要素包括：切削速度进给量背吃刀量122.切削用量第一节切削运动及切削要素2.1切削速度•定义：切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度。以vc表示，单位m/s或m/min•计算公式：（1）主运动为旋转运动时，vc为最大线速度d——工件或刀具的直径，mmn——工件或刀具的转速，r/s或r/min1000πdnvc13第一节切削运动及切削要素（2）主运动为直线运动时，vc为平均速度L——往复行程长度，mmnτ——主运动的往复速度，st/s或st/min10002Lnvc142.2进给量•刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。•车削：每转进给量用f表示，单位mm/r•刨削：每行程进给量用f表示，单位mm/st•铣削：每齿进给量用fz表示，单位mm/z15fz•进给速度，即瞬时速度用vf表示，单位mm/s或mm/minz——刀具齿数znffnvzf162.3背吃刀量backengagementofthecuttingedge•在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸。•即切削深度，用ap表示，单位mm17183.切削层参数parameterscuttinglayer包括：切削层公称横截面积AD切削层公称宽度bD切削层公称厚度hD=AD/bD19hD•切削层公称横截面积AD=bD×hD•AD不包括残留面积，但车削的残留面积很小时20AD用于计算切削力FC=kc×ADAD=f×ap3.3切削用量的合理选择问题(1)粗加工按ap－f－v的顺序选择a、粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属，只留后续工序的加工余量，所以应根据毛坯尺寸首先选择apb、粗加工不必考虑表面粗糙度，在ap确定后，选取大的f，减少走刀时间c、ap和f确定后，在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择v(2)精加工按v－f－ap的顺序选择精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度。因此首先应选择尽可能高的v，然后选择达到表面粗糙度要求的f，最后再根据精加工余量决定ap211.刀具材料——指刀头的材料1.1基本要求221.高硬度——以硬克软60HRC2.高强度、高韧性——高承载、抗冲击3.耐磨性4.耐热性（红硬性、热硬性）5.制造工艺性——便于制造及热处理第二节刀具材料及刀具构造第一章1.碳素工具钢、合金工具钢（如钳工工具等）2.高速钢（W18Cr4V）（形状复杂的刀具，如铣刀、齿轮刀具等）3.硬质合金（YG类（钨钴）、YT类（钨钴钛））4.新型材料（陶瓷材料、金刚石、立方氮化硼CBN）231.2常用刀具材料第一章第二节24•碳素工具钢：如T7、T8、T9…T13等。适合于制造简单的手工工具，如锉刀、锯条等；•合金工具钢：在碳素工具钢中加入少量的钨、铬、锰、硅等元素，耐热性较低，如9SiCr等，适合于制造低速成型刀具，如丝锥；•高速钢：含较多的钨、铬、钒等合金元素、常用的有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V等。适合于制造中速精加工刀具；•硬质合金：成分由WC、TiC和Co组成，采用烧结方法获得常用的刀具材料25常用的刀具材料常用的硬质合金有：钨钴钛类（牌号YT）硬质合金：适合于加工钢等塑性材料，其代号有YT5、YT15、YT30等，粗加工用YT5,精加工用YT30;钨钴类（牌号YG）硬质合金：适合于加工铸铁、青铜等脆性材料，其代号有YG3、YG6、YG8等，粗加工用YG8，精加工用YG3。其它刀具材料26陶瓷：常用的刀具陶瓷有两种：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷刀具的最大特点是具有很高的硬度、很高的耐磨性和耐热性，其主要缺点是抗弯强度低，冲击韧性很差，不能承受较大的冲击载荷。金刚石：它分三种天然单晶金刚石刀具整体人造聚晶金刚石刀具金刚石复合刀片立方氧化硼：由软的立方氧化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。2.刀具角度27车刀切削部分的组成车刀切削部分由下列要素组成第一章第二节28各种多齿刀具或复杂刀具，就其一个刀齿而言，都相当于一把车刀。车刀分为切削部分和夹持部分，切削部分由三个刀面组成：前刀面、主后刀面、副后刀面。前刀面和主后刀面的交线叫主切削刃前刀面和副后刀面的交线叫副切削刃两条切削刃的交点叫刀尖，但刀尖并非绝对尖锐为了研究刀具的几何角度，建立三个辅助平面：基面：通过主切削刃上的某一点，与该点切削速度方向垂直的平面。切削平面：通过主切削刃上的某一点，与该点加工表面相切的平面。正交平面：通过主切削刃上的某一点，与主切削刃在基面上的投影垂直的平面刀具的几何角度(车刀的基本形状)2.刀具角度2.1刀具参考系（静止）29第一章第二节第一章第二节30•前角γ。：在正交平面中，前刀面与基面之间的夹角；•后角α。：在正交平面中，主后刀面与切削平面之间的夹角；•主偏角Kr：在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。•副偏角Kr’：在基面上，副切削刃的投影与进给反方向的夹角。•刃倾角λs：在主切削面中测量的主切削刃与基面间的夹角。车刀的几何角度2.2主偏角、副偏角（基面投影）31第一章第二节主偏角：在基面中测量，它是主切削刃在基面的投影与进给方向的夹角。其作用是：主偏角的大小影响背向力（Fp）和进给力（Ff）的比例，主偏角增大时，背向力(Fp)减小，进给力(Ff)增大。减小主偏角：增加主切削刃参加切削的长度，因而散热较好，对延长刀具使用寿命有利。但在加工细长轴时，工件刚度不足，小的主偏角会使刀具作用在工件上的径向力增大，易产生弯曲和振动，因此，主偏角应选大些。车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°等几种，其中45°多。321在工艺系统刚度允许的条件下，应采用较小的主偏角，以提高刀具寿命；加工细长轴则用较大的主偏角。2加工很硬的材料，为减轻单位切削刃上的负荷，宜取较小的主偏角。3在切削过程中，刀具需作中间切入时，应取较大的主偏角。4主偏角的大小，还应与工件的形状相适应，如切阶梯轴，可取主偏角为90°。主偏角选择原则：33副偏角Kr’在基面中测量，是副切削刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。其主要作用是减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦。一般取较小的副偏角，可减少工件表面的残留面积，改善已加工表面的粗糙度。但过小的副偏角会使径向切削力增大，在工艺系统刚度不足时引起振动。在切削深度ap、进给量f、主偏角Kr相等的条件下，减小副偏角Kr’，可减小车削后的残留面积，从而减小表面粗糙度，一般选取Kr′=5～15°。选择原则：1、在不引起振动的条件下，一般取较小的副偏角。精加工刀具必要时需磨出一段Kr′（副偏角）=0的修光刃，以加强副切削刃对已加工表面的修光作用。2、系统刚度较差时，应取较大的副偏角。3、切断、切槽刀及孔加工刀具的副偏角只能取很小值（如Kr′=1°~2°），以保证重磨后刀具尺寸变化量小（例如钻头的倒锥，如果大了，磨钻头会越细。）主、副偏角的影响•主偏角对切削层的影响34第一章第二节f、ap一定，主偏角愈小，bD愈大hD愈小•主偏角(副偏角)对残留面积、切削力的影响35第一章第二节2.3前角orthogonalrake、（正交平面投影）36第一章第二节在主剖面中测量，是前刀面与基面之间的夹角。其作用是使刀刃锋利，便于切削。前角大，刃口锋利，切削层的塑性变形和摩擦阻力小，切削力和切削热降低。但前角不能太大，否则会削弱刀刃的强度，散热条件变坏，刀具寿命下降，容易磨损甚至崩坏。加工塑性材料时，前角可选大些，如用硬质合金车刀切削钢件可取γ0=10°～20°，加工脆性材料，车刀的前角γ0应减小，例如切削灰铸铁γ0=5°～15°。2.3前角orthogonalrake、（正交平面投影）37第一章第二节前角的选择原则：主要根据工件材料，其次考虑刀具材料和加工条件选择：1、工件材料的强度、硬度低，塑性好，应取较大的前角；加工脆性材料（如铸铁）应取较小的前角，甚至是负前角。2、刀具材料的抗弯强度及韧度高时，可取较大的前角（如高速钢）。3、断续切削或粗加工有硬皮的锻、铸件时，应取较小的前角。4、工艺系统刚度差或机床功率不足时应取较大的前角。5、成形刀具或齿轮刀具等为防止产生齿形误差常取很小的前角甚至零度的前角。后角38第一章第二节在主剖面中测量，是主后面与切削平面之间的夹角。其作用是减小刀具后刀面与工件之间的摩擦。但后角过大会降低切削刃强度，并使散热条件变差，从而降低刀具寿命。车削时主后面与工件的摩擦，一般取α0=6～12°，粗车时取小值，精车时取大值。后角的选择原则：（1）精加工刀具及切削厚度较小的刀具（如多刃具），磨损主要发生在后刀面上，为降低磨损，应取较大的后角；粗加工刀具要求刀刃坚固，应取较小的后角。（2）工件强度、硬度较高时，为保证刃口强度，宜取较小的后角；工件材料软、粘时后角摩擦严重，应取较大的后角；加工脆性材料时，载荷集中在切削刃处，为提高切削刃强度，宜取较小的后角。（3）定尺寸刀具，如拉刀和铰刀等，为避免重磨后尺寸变化过大，应取较小的后角。（4）工艺系统刚度差（如切细长轴）时，亦取较小的后角，以增大后刀面与工件的接触面积，减少振动。前角、后角的影响•大，切削刃锋利，切削轻快，但受力不好•小，切削刃变钝，刀尖强固，切削力变大39后角主要是减小主后刀面与工件的摩擦第一章第二节2.4刃倾角edgeinclinationangle（主切削平面投影）40第一章第二节41在切削平面中测量，是主切削刃与基面的夹角。其作用主要是控制切屑的流动方向。主切削刃与基面平行，λs=0。刀尖处于主切削刃的最低点，λs为负值，刀尖强度增大，可使远离刀尖的切削刃首先接触工件,使刀尖避免受冲击。切屑流向已加工表面，用于粗加工。刃倾角λs刀尖处于主切削刃的最高点，λs为正值，刀尖强度削弱，可增大实际工作前角，使切削轻快，切屑流向待加工表面，用于精加工。车刀刃倾角λs，一般在-5-+5°之间选