金加工基础知识

目的与要求1、了解金加工过程中的基本定义。2、了解金加工的刀具。3、掌握金加工刀具的材料及刀具的几何形状。4、掌握金加工的基本概念。一、金加工过程中的基本定义1、切削加工金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量的零件的过程。2、加工表面在切削过程中，工件上形成的三种表面:①、待加工表面工件上待切除的表面。②、已加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面。③、过渡表面工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。3、切削运动加工时刀具与工件之间的相对运动,我们将这种相对运动称为切削运动。切削运动按其所起的作用可分为：主运动、进给运动。（1）主运动主运动是使刀具和工件之间产生的相对运动，从而使刀具前面接近工件实现切削的运动。（2）进给运动使刀具与工件间产生附加的相对运动，使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。常见的切削运动切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削用量包括：切削速度进给量背吃刀量三个要素。4、切削用量（1）切削速度：在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离,单位为m/min或m/s。)/min/(1000smmndvc或式中d－工件直径（mm）n－工件或刀具每分(秒)钟转数(r/min或r/s)（2）进给量：指工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移。单位是mm／r（对于车削、镗削等）或mm/行程（对于刨削、磨削等）；也可以用进给速度（单位是mm/min）或每齿进给量（单位是mm／z，用于铣刀、铰刀等多齿刀具）来表示。（3）背吃刀量（切削深度）指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位是mm，二、加工质量加工质量包括加工精度和表面质量两方面，它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、外观质量、生产率和经济性。零件的尺寸、形状、位置等参数的实际数值与设计理想值的符合程度称为机械加工精度，简称加工精度。实际值与理想值相符合的程度越高，加工精度越高。加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。常用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。1、加工精度（1）尺寸精度是指加工表面本身的尺寸(如圆柱面的直径)和表面间的尺寸(如孔间距离等)的精确程度。尺寸精度的高低，用尺寸公差的大小来表示。尺寸公差是尺寸允许的变动量，国家标GB/T1800.3-1998《极限与配合》中规定，尺寸公差分20个等级，即IT01、IT0、IT1、IT2……IT18。IT后面的数字代表公差等级，数字愈大，公差等级越低，公差值越大，尺寸精度越低。（2）形状精度是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度常用的有直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等。（3）位置精度是指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理想位置接近的程度。常用的有平行度、垂直度、同轴度、对称度等。形状和位置公差特征项目的名称及符号2、表面质量主要是指零件加工后的表面粗糙度以及表面层材质的变化。主要包括：表面粗糙度、表面层材质的变化（1）表面粗糙度表面粗糙度是指在切削加工中，由于刀痕、塑性变形、振动和摩擦等原因，会使加工表面产生微小的峰谷，这些微小峰谷的高低程度和间距状况称为表面粗糙度。·表面粗糙度对零件的耐磨性、抗腐蚀性和配合性质等有很大影响。它直接影响机器的使用性能和寿命。·国家标准GB/T1031-1995规定了表面粗糙度的评定参数及其数值。常用的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差Ra值。·一般来说，零件的表面粗糙度越小，零件的使用性能越好，寿命也越长，但零件的制造成本也会相应增加。（1）表面粗糙度（2）表面层材质的变化是指零件加工后在表面层内出现不同于基体材料的力学、冶金、物理及化学性能的变质层。•具体表现为加工硬化、金相组织变化、残余应力产生、热损伤、疲劳强度变化及耐腐蚀性下降等。确定零件加工精度和表面粗糙度时，总的原则是：能满足零件使用性能要求和后续工序要求的前提下，尽可能选用较低的精度等级和较大的表面粗糙度值。1、车床车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，加工范围较广，主要有；车外圆、车端面、切槽、钻孔、镗孔、车锥面、车螺纹、车成形面、钻中心孔及滚花等。三、常见切削机床2、钻床钻床用于扩孔、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工及孔系的加工。3、镗床镗床主要完成精度高、孔径大或孔系的加工，此外，还可铣平面、沟槽、钻孔、扩孔、铰孔和车端面、外圆、内外环形槽及车螺纹等。4、刨床主要用于加工平面、沟槽和成型面。5、铣床铣床的加工范围与刨床相近，但比刨床加工范围广，生产率也较高。常见的铣床有：卧式铣床、立式铣床和龙门铣床。6、磨床磨床种类多，范围广，能适应磨削各种加工表面、工件形状。外圆磨床可磨削工件的外圆柱面、外圆锥面、内圆柱面及锥度较大的内外圆锥面；内圆磨床主要用于磨削内圆柱面、内圆锥面及端面等；平磨床用来磨削工件的平面。切削刀具种类很多,如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。它们几何形状各异,复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度都具有许多共同的特征，其中车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，因而最具有代表性。其他刀具都可以看作是车刀的组合或变形。四、了解切削刀具1、车刀的组成车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削加工任务，刀柄用以装夹在机床刀架上。切削部分是由一些面、切削刃组成。我们常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的。前刀面刀具上切屑流过的表面；后刀面与工件上切削表面相对的刀面；副后刀面与已加工表面相对的刀面。（1）刀车面主切削刃前刀面与后刀面的交线；副切削刃前刀面与副后刀面的交线。刀尖是主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成，微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径。（2）切削刃（3）刀具角度主偏角r主切削刃与进给运动方向之间的夹角。副偏角r’副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。刀尖角r主切削平面与副切削平面间的夹角。前角o前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。后角o后刀面与切削平面间的夹角。楔角o前刀面与后刀面间的夹角。副后角o’：副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。刃倾角主切削刃与基面间的夹角刃倾角正负的规定如图所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。2、车刀工作时的角度切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具于工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与所刃磨出的角度有所不同，我们称这些角度为工作角度。1）切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响2）车刀刀柄的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起主偏角和副偏角的变化3.刀具结构1)、车刀结构上可分为整体式车刀、焊接式车刀、机夹重磨式车刀和机夹可转位式车刀2）、多齿刀具(1)麻花钻主要几何参数有：前角γ0、后角α0、螺旋角β、顶角2Ф(主偏角kr≈Ф)、横刃斜角ψ、直径、横刃长度等3)、铣刀五、刀具材料1、刀具材料应当具备的性能较高的硬度和耐磨性足够的强度和韧度常温硬度应在HRC60以上。耐磨性是硬度、组织及化学性能等的综合反映为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具有足够的强度和韧性。较高的耐热性良好的工艺性和经济性高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等，是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。为了便于刀具制造，包括锻、轧、焊接、切削加工、可磨削性和热处理特性等。2、常用刀具材料性能特征刀具材料性能特征刀具种类适用工件材料适用加工条件碳素工具钢Tl0A、T12AHRC61-65,高温强度低、淬火时易裂、变形。丝锥、锉刀、锯条、小钻头低强度、软材料、有色金属及塑性材料简单手动工具合金工具钢9SiCr,CrWMnHRC61-65,高温强度度比碳素钢稍好。拉刀、绞刀、钻头同上热处理变形小的低速工具高速钢HRC61-65,能耐600°C高温，热硬性尚好,耐磨性稍好。钻头、铣刀、齿轮刀具（低、中速）低、中强度和硬度的材料复杂刀具硬质合金HRC74-81,能耐1000°C高温，热硬性好,耐磨性好。车、铣、拉、刨钻头、绞刀（中高速）中等以上强度和硬度的材料各种刀具陶瓷材料HRA91-95，热硬性好，抗弯性差，易碎。车刀（高速）各种材料不可断续切削立方氮化硼HV73-9000，热硬性高，可耐1500°C，与铁素的亲和力小。车刀、铣刀（中高速）淬硬合金钢、高速钢、淬硬、冷硬铸铁、纯镍高温合金用于连续切削、避免冲击振动人造金刚石1000HV，热硬性好。车刀、铣刀、砂轮等硬质合金、陶瓷、玻璃、有色金属及合金不易加工的铁族金属3、常用刀具材料1）碳素工具钢常用的牌号有T10、T10A、T12、T12A等。2）合金工具钢常用的牌号有CrWMn、9SiCr等。3）高速工具钢特点：具有较高的强度、韧性和耐磨性，耐热性为540C°～600C°，工艺性能较好，容易磨出锋利的刃口硬度和耐热性不如硬质合金，但刀具的刃口强度和韧性比硬质合金高，能承受较大的冲击载荷。适用范围：结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。牌号：通用高速钢：钨系W18Cr4V钼系W6Mo5Cr4V2主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.高性能高速钢：高钒高速钢W12Cr4V4Mo高钴高速钢W2Mo9Cr4VCo8高铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达90m/min.4、硬质合金特点：硬度较高，常温下可达74～81HRC，它的耐磨性较好,耐热性较高，能耐800～1000C的高温,抗弯强度和冲击韧度比高速钢低.刃口不能磨得象高速钢刀具那样锋利。适用范围：结构简单的刀具，如车刀、铣刀、刨刀等。牌号：YG(K)类WC+Co短切屑黑色金属（铸铁）有色金属非金属钢材等YG3X、YG6X、YG6、YG8等YT(P)类WC+TiC+Co加工长切屑的黑色金属（钢材）YT5、YT14、YT15、YT30YW(M)类WC+TiC+TaC+Co钢材、铸铁有色金属非金YW1、YW2牌号：牌号：5、其它刀具材料(1)陶瓷材料(2)涂层硬质合金(3)人造金刚石(4)立方氮化硼(CBN)六、金属切削过程金属切削过程是指工件上一层多余的金属被刀具切除的过程和已加工表面的形成的过程。在这个过程中始终存在着刀具与工件（金属材料）之间切削和抗切削的矛盾，并产生一系列重要现象。如形成切屑、切削力、切削热与切削温度及刀具的磨损等。1、切屑的形成过程金属切削的特点是被切金属层在刀具的挤压、摩擦作用下产生变形以后转变为切屑和形成已加工表面。切削：与挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。剪切滑移变形,加工硬化、形成切屑1）切屑类型由于工件材料和切削条件的不同，切屑过程中的变形情况也不同，因而产生的切屑形状也不同，从变形的观点来看，可将切屑的形状分为四种类带状切屑：通常在加工塑性金属材料、切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的情况下获得。形成带状切屑时，材料没有充分变形。因此切削中产生的力和热均较小，切削平稳，已加工表面粗糙度低。节状（挤裂）切屑：在加工较硬的塑性金属材料且所用的切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较大的情况下产生。这是由于材料在剪切滑移过程中滑移量较大，由滑移变形所产生的加工硬化使剪切应力增大，在局部地方达到了材料的断裂强度所引起的。因此切削力波动较大，已加工表面粗糙度较大。粒状（单元）切屑：切屑沿剪切面完全断开，因而呈单元状。当切削塑性较差的材料，在切削速度极低时，会产生这种切屑崩碎切屑：在加工铸铁、青铜等脆性材料时，易形成崩碎切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖易磨损，容易产生振动，影响工件表面质量。