切削加工

金属切削加工第五篇金属切削加工切削加工用刀具从金属材料（毛坯）上切去多余的金属层，获得几何形状、尺寸精度和表面质量都符合要求的零件的生产方法。§1切削加工的运动分析及切削要素第一章金属切削加工基础知识一、零件表面的形成平面、外圆面、内圆面（孔）、锥面、曲面（成形面）二、切削运动为了形成零件表面形状，刀具与工件之间的相对运动。1.主运动：切下切屑最主要的运动。特点：在整个运动系统中—速度最高、消耗的功率最大。主运动只有一个。2.进给运动：使金属层不断投入切削，加工出完整表面所需的运动。特点：速度低、消耗的功率小。有一个或多个。3.零件上的三个表面已加工表面过渡表面待加工表面nf已加工表面过渡表面待加工表面三、切削要素1.切削用量三要素1）切削速度（vc）m/s在切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度。dwdm601000π×=ndvwc6010002×=rcLnv旋转运动：（m/s）往复直线运动：（m/s）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。单位时间的进给量—进给速度（vf）nfvf×=（mm/s）dmdwfn3）切削深度（ap）（mm）（mm）2.切削层几何参数切削层—指工件上正在被切削刃切削的那一层金属。即两个相邻加工表面之间的那一层金属。12fapKrfapKr1)切削厚度（hD）（mm）两相邻加工表面之间的垂直距离。fapKrrDkfhsin×=（mm）2)切削宽度（bD）（mm）沿主切削刃度量的切削层的长度。rpDkabsin=（mm）3)切削面积（AD）（mm2）DDpDhbafA×=×=（mm2）§2金属切削刀具一、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：主切削刃副切削刃刀尖切屑流出所经过的表面。刀具上与工件的过渡表面相对的表面。刀具上与工件的已加工表面相对的表面。二、刀具材料1.对刀具材料的基本要求⑴较高的硬度。一般要求在HRC60以上。⑵有足够的强度和韧性。⑶有较好的耐磨性。⑷较高的耐热性。⑸有较好的工艺性。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。如铰刀、板牙、丝锥等。机铰刀手铰刀拉刀⑶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℃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、等粘结剂：CoHRC≈76～84耐热温度—1000℃允许的切削速度是高速钢的4～10倍。W18Cr4V硬质合金车刀，刀片高速钢麻花钻头①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陶瓷刀片刀具角度：刀具几何角度是确定刀具切削部分几何形状与切削性能的重要参数，它是由刀面、切削刃及假定参考坐标平面间的夹角所构成的。用来确定刀具几何角度的参考坐标系有两大类；一类称为标注参考系（静态参考系），它是刀具设计计算、绘图标注、制造与刃磨及测量时用来确定刀刃刀面空间几何角度的定位基准，用它定义的角度称为刀具的标注角度（静态角度）。另一类称为工作参考系（动态参考系），它是确定刀具切削刃、刀面在切削过程中相对于工件的几何位置的基准，用它来定义的角度称为刀具的工作角度。确定标注角度的坐标系有：正交平面坐标系、法平面坐标系、进给与背平面坐标系等，但大都是采用正交平面坐标标注坐标系。三、刀具几何形状1.三个辅助平面①基面dwdmnf过切削刃选定点，与该点切削速度方向相垂直的平面。②切削平面过切削刃选定点，与该点过渡表面相切，并垂直于基面的平面。切削平面③正交平面正交平面过切削刃选定点，并同时垂直与基面和切削平面的平面。车刀各部分名称2.刀具的主要标注角度dwdmnf切削平面正交平面1)前角（0）前刀面和基面之间的夹角。在正交平面内度量。02）后角（0）主后刀面和切削平面之间的夹角。在正交平面内度量。03）主偏角（kr）4）副偏角（kr’）krKr’在平面内度量。5）刃倾角（S）主切削刃与基面之间的夹角。在切削平面内度量3.刀具的工作角度4.刀具的结构形式1）焊接式车刀2）机加重磨式车刀3）机夹可转位式车刀四、刀具角度对加工过程的影响1.前角（0）作用①减小切屑的变形；②减小前刀面与切屑之间的摩擦力。所以0：a.减小切削力和切削热；b.减小刀具的磨损；c.提高工件的加工精度和表面质量。0选择：加工塑性材料和精加工—取大前角（）0加工脆性材料和粗加工—取小前角（）0前角（0）可正、可负、也可以为零。高速钢车削碳钢：0=200～300硬质合金车削碳钢：0=100～2002.后角（0）作用：减小工件加工表面与主后刀面之间的摩擦力。所以0a.减小切削力和切削热；b.减小刀具的磨损；c.提高工件的加工精度和表面质量。00选择：加工塑性材料和精加工—取大后角（）0加工脆性材料和粗加工—取小后角（）0后角（0）只能是正的。精加工：0=80～120粗加工：0=40～803.主偏角（kr）改善切削条件，提高刀具寿命。作用：减小kr：当ap、f不变时，则bD、hD—使切削条件得到改善，提高了刀具寿命。nfdwdmkrkr’ap选择系统刚性好：取较小的kr。100～300、450。系统刚性差：取较大的kr。600、750、900。但减小krFy、Fx，加大工件的变形挠度，使工件精度降低。同时，容易引起系统振动。4.副偏角（kr’）最终形成已加工表面。作用：选择：在不产生振动的前提下，取小值。Kr’：使已加工表面残留密集的高度减小，降低工件的表面粗糙度。5.刃倾角（S）作用①影响切削刃的锋利程度；②影响切屑流出方向；③影响刀头强度和散热条件；④影响切削力的大小和方向。选择：粗加工：可取零或负（S=0、-S）精加工：取正（+S）§3金属切削过程金属材料在刀具的作用下变形、分离的过程。一、切屑的形成过程及切屑的种类1.切屑的形成过程与切屑变形F450OMABFOMABoMLchDhch切屑的变形程度用变形系数表示。=hch/hD1大，则切削力大，温度高，表面粗糙影响切屑变形的因素：①刀具角度：0②切削速度：v③材料塑性：④刀具与切屑之间的摩擦系数2.切屑的种类1)带状切屑特征：内表面光滑，外表面呈毛茸状。形成条件：塑性材料、速度中等、较大的0、较小的f和ap。2)节状切屑特征：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿状。形成条件：中等硬度的塑性材料、速度较低、较小的0、较小的f和ap。3)崩碎状切屑特征：不规则的碎块状。形成条件：脆性材料。二、积屑瘤在一定的切削速度下切削塑性材料时，常发现在刀具前刀面上靠近刀刃的部位粘附着一小块很硬的金属—称为积屑瘤。1.积屑瘤的形成oM滞留层1)积屑瘤的形成过程2)积屑瘤的形成条件①工件材料：塑性材料；②切削速度：中等（10～50m/min），温度约300℃；③刀具角度：0偏小；④冷却条件：不加切削液。2.积屑瘤对加工过程的影响有利①使0增大，使切削过程变得轻快。②可代替主刀刃和前刀面进行切削，保护刀具。所以：粗加工时可以利用。3.积屑瘤的抑制不利①积屑瘤不稳定，易引起振动，使Ra增大。②会引起ap的变化，使加工精度降低。所以：精加工时应尽量避免。①利用切削液；②控制切削速度；③加大刀具前度0；④对工件进行正火、调质处理，降低、ak。三、切削力和切削功率1.总切削力1)总切削力的构成oM①材料的弹性变形和塑性抗力；②切屑、工件表面与刀具的摩擦力。2)总切削力的分解刀具切削工件时作用在刀具或工件上的力。将F沿主运动方向、进给运动方向和径向三个相互垂直的方向分解为Fc、Ff、Fp。F弹、塑F摩1F摩2Fr①切削力（切向分力）FcFz是F在主运动方向上的分力。切削力占总切削力的80%～90%，消耗的功率占总功率的95%以上。是计算机床动力及主要传动零件强度和刚度的依据。②进给力（轴向分力）FfFx是F在进给方向上的分力。消耗的功率仅占总功率的1～5%。是设计和计算进给机构零件强度和刚度的依据。③背向力（径向分力）Fp是F在切削深度方向上的分力。FrFzFxFyFX、Y3)影响切削力的因素②工件材料：材料的强度、硬度越高，塑性韧性越好，F越大。①切削用量：ap、f增大，F越大。③刀具角度：增大0，Fc减小；增大kr，Ff减小、Fp增大。④冷却条件：加切削液，F减小。4)切削力的估算生产中常用切削层单位面积切削力kc估算切削力的大小。单位：N/mm2(Mp)pcDccafkAkF××=×=（N）2.切削功率（Pm）ccvFPm×=310（KW）四、切削热和切削温度1.切削热的来源与传散1)切削热的来源a.切屑变形所产生的热；b.切屑与前刀面之间的摩擦；c.工件与后刀面之间的摩擦。切屑：介质：工件：刀具：50~86%1%40~10%9~3%2)切削热的传散2.切削温度及其影响因素切削温度—切削区的平均温度。切削区—切屑、工件、刀具相接触的区域。影响切削温度的因素：②工件材料：材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好，切削温度越高；材料的导热性愈好，切削温度愈低。③刀具④冷却条件：加切削液，切削温度降低。刀具角度：增大0，切削温度降低；减小kr、kr’，切削温度降低。刀具材料：导热性愈好，切削温度愈低。①切削用量：、、愈大，切削温度愈高。但的影响最大、次之、最小。cvfpacvfpa3.切削液在切削过程中，正确的选择和使用切削液。对降低切削温度、减小刀具磨损，提高生产率和加工质量有着重要的意义。1)切削液的作用a.冷却作用：b.润滑作用：c.洗涤与排屑作用：d.防锈作用：2)切削液的种类②乳化液：乳化油+水；呈乳白色。应用最广泛。③切削油：矿物油；润滑作用。①水溶液：水+防锈剂等；呈透明状。3)切削液的选用粗加工：以冷却为主。如水溶液、低浓度的乳化液等。精加工：以润滑为主。高浓度的乳化液、切削油等。五、刀具磨损和刀具耐用度1.刀具磨损1)刀具磨损形式①后刀面磨损：VB这种磨损一般发生在切削脆性材料或以较小的背吃刀量（aP0.1mm），切削塑性材料的条件下。后刀面磨损：后刀面与工件表面的接触压力很大，存在着弹性和塑性变形。因此，后刀面与工件实际上是小面积接触，磨损就发生在这个接触面上。后刀面磨损带往往不均匀：刀尖部分（C区）强度低，散热条件又差，磨损比较严重，其最大值为VC。主切削刃靠近工件待加工表面处的后刀面（N区）上，磨成较深的沟，以VN表示。在后刀面磨损带的中间部位（B区），磨损比较均匀，其平均宽度以VB表示，而其最大宽度以VBmax表示。前刀面磨损：切削塑性材料时，如果刀具材料耐热、耐磨性较差，切削速度和切削厚度较大，则在前刀面上形成月牙洼磨损。它以切削温度最高的位置为中心开始发生，然后逐渐向前后扩展，深度不断增加，当月牙洼发展到其前缘与切削刃之间的棱边变得很窄时，切削刃强度降低，容易导致切削刃破损。前刀面月牙洼磨损以其最大深度KT表示。②前刀面磨损：KT这种磨损一般发生在以较大的背吃刀量（ac0.5mm）切削塑性材料的条件下。③前后刀面同时磨损：KTVB这种磨损一般发生在以中等背吃刀量（ac=0.1～0.5mm）切削塑性材料的条件下。由于多数情况下，后刀面都有磨损，它的磨