金属切削加工的基本概念

毛坯精度低、表面粗糙度值大，不能满足零件的使用性能要求，必须进行切削加工才能成为零件。金属切削加工是通过刀具与工件间的相对运动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的一种机械加工方法。切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、镗削、刨削、拉削、磨削等。钳工也属于金属切削加工。基本形式有：錾削、锉削、锯削、刮削、以及钻孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹等。1．切削运动和工件加工表面为了切除工件上多余的金属，以获得形状、尺寸、位置精度和表面质量都符合要求的工件，除必须使用切削刀具外，刀具与工件间必须作相对运动——切削运动。根据切削过程中所起的作用，分为主运动和进给运动一切削运动与切削要素切削运动和加工表面主运动——切除工件多余金属、形成工件新表面所必不可少的基本运动主运动的特征：速度最高消耗功率最大必有且只有一个形式为旋转或直线往复切削刃上各点的主运动速度的大小和方向都不一定相同。为了分析运动，必须确定一个选定点。选定点——为便于分析运动而选取的合适点切削运动及选定点切削速度——切削刃上选取点相对于工件的主运动的瞬时速度。用矢量vc表示车削主运动是工件的旋转运动；铣削和钻削运动是刀具的旋转运动；磨削主运动是砂轮的旋转运动；刨削主运动是刀具（牛头刨床）或工件（龙门刨床）的往复直线运动等进给运动——使新的切削层金属间断或连续投入切削的运动进给运动的特征速度较低耗功较少有0~n个可以连续，也可以步进形式为旋转或直线往复进给速度——切削刃上选取点相对于工件的进给运动的瞬时速度。用矢量vf表示车削进给运动是刀具的移动；铣削进给运动是工件的移动；钻削进给运动是钻头沿其轴线方向的移动；内、外圆磨削进给运动是工件的旋转运动和移动以及砂轮的横向进给等切削加工过程中的辅助运动切入运动空程运动分度转位运动送夹料运动机床控制运动等合成切削运动合成切削运动——主运动和进给运动的合成运动合成切削运动的瞬时速度用矢量ve表示ve=vc+vf注意：刀刃上各点ve不等合成切削运动工作平面——vc和vf所在的平面，以Pfe表示合成切削速度角——在工作平面内，同一瞬时主运动方向与合成切削运动方向之间的夹角，以η表示合成切削速度角工件上的加工表面切削加工过程中，工件上形成三个不断变化的表面待加工表面──工件有待切除金属层的表面过渡表面──主切削刃正在切削着的表面已加工表面──工件经刀具切除多余金属层后形成的新表面2．切削要素切削用量三要素切削速度：这是主运动的线速度，单位为m/s或m/min。主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下：1000dnvc切削要素包括切削用量和切削层横截面要素在生产中，磨削速度用m/s，其他加工的切削速度习惯用m/min。背吃刀量asp：工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离(主切削刃与工件过渡表面的瞬时接触长度在垂直于基点工作平面的方向上测量的大小)车削：钻孔：2mwspdda2mspda进给量：工件或刀具每转一周，刀具沿进给方向与工件的相对位移。单位是mm/r。切削层横截面三要素切削层——指刀具与工件相对移动一个进给量时，相邻两个加工表面之间的金属层切削层横截面要素——切削层横截面尺寸切削层公称宽度bD：刀具主切削刃与工件的接触长度（切削刃上两个极限点间的距离）切削层公称厚度hD：刀具或工件每移动一个进给量时，刀具主切削刃相邻的两个位置之间的垂直距离切削层公称横截面积AD：切削层横截面的面积1．刀具切削部分的结构要素任何刀具都由切削部分和夹持部分组成刀具切削部分的结构要素有三面二刃一尖二刀具切削部分基本定义前面（Aγ）：切屑流经的刀面主后面（Aα）：和工件过渡表面相对的刀面副后面（Aα’）：和工件已加工表面相对的刀面主切削刃（S）：前面与主后面的交线副切削刃（S’）：前面与副后面的交线刀尖：主切削刃和副切削刃的交点或连接部位刀尖的形状2．刀具角度的参考系为了确定和测量各刀刃、各刀面的空间相对位置，必须建立用以度量各刀刃、各刀面空间位置的参考系建立参考系，必须与切削运动相联系，应反映刀具角度对切削过程的影响。参考系平面与刀具安装平面应平行或垂直，以便于测量用来确定刀具几何角度的参考系有两类：一类称为刀具标注角度参考系，即静止参考系；另一类称为刀具工作角度参考系，它是确定刀具在切削运动中有效工作角度的参考系它们的区别在于：前者由主运动方向确定，而后者则由合成切削运动方向确定宽刃刨刀的静止参考系宽刃刨削的特点：刀刃为直线刀刃长度大于工件宽度前面和后面均为平面无进给运动(只有主运动)选取参考平面：过主切削刃，取平行于切削速度方向并切于工件过渡表面的平面为切削平面（ps）过主切削刃，取垂直于切削速度方向的平面为基面（pr）取垂直于主切削刃的平面为po-po截面（又称正交平面）pr-po-ps便组成了测量宽刃刨刀角度的静止参考系车刀的静止参考系车削的特点：切削部分比刨刀复杂车削有进给运动主切削刃不一定水平主切削刃各点切削速度不等建立车刀静止参考系的假设不考虑进给运动的影响车刀安装绝对正确刀刃选定点的切削速度方向与刀刃各处的平行建立参考平面切削平面（ps）：过刀刃上选定点，包含该点假定主运动方向和刀刃的平面基面（pr）：过刀刃上选定点，垂直该点假定主运动方向的平面po-po截面（又称正交平面）：过刀刃上选定点，既垂直于切削平面，又垂直于基面的平面由此得到：ps⊥pr；ps⊥po-po；pr⊥po-pops⊥pr,pr∥安装底面（基于3点假设）主切削刃、副切削刃各有一个切削平面和基面3．刀具的标注角度（静态角度）刀具在设计、制造、刃磨和测量时，都是用刀具静止参考系中的几何角度来标明切削刃和刀面的空间位置的，故这些角度称为刀具的标注角度（静态角度）。重点介绍10个，常用的有6个（打√者）车刀的标注角度车刀的标注角度在基面中测量的角度：√主偏角kr：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角√副偏角kr’：副切削刃在基面上投影与进给运动反方向之间的夹角（也有的定义为副切削刃在基面上投影与已加工表面之间的夹角）刀尖角εr：主切削刃、副切削刃在基面上投影的夹角由上可知：kr+kr’+εr=180°在po-po截面中测量的角度：√前角γo：基面与前面之间的夹角规定：前面低于基面时，γo0；前面高于基面时，γo0。√主后角αo：后面与切削平面之间的夹角。加工过程中，一般不允许αo0楔角βo：后面与前面之间的夹角。由上可知：βo=90-(αo+γo)（影响强度）在切削平面中测量的角度：√刃倾角λs：主切削刃与基面之间的夹角规定：刀尖为最高点时，λs0；刀尖为最低点时，λs0。注意：这一规定与84年以前的正好相反在副po-po截面中测量的角度：副前角γo’：副基面与副前面间的夹角√副后角αo’：副后面与副切削平面间的夹角。影响表面粗糙度及振动。加工过程中，一般不允许αo’0在副切削平面中测量的角度：副刃倾角λs’：副切削刃与副基面之间的夹角4．刀具的工作角度刀具的工作参考系及工作角度工作参考系与静止参考系的区别合成切削运动方向代替假定主运动方向实际进给运动方向代替假定进给运动方向实际安装条件代替假定安装条件刀具的工作角度刀具的工作角度，只需用工作坐标平面取代静止坐标平面即可进给运动对工作角度的影响横车以切断工件为例，切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，实际切削平面为过切削刃而切于螺旋线的平面，而实际基面又始终与之保持垂直，因而切削时实际的前角、后角等都在发生变化。设η为合成切削速度角则γoe=γo+ηαoe=αo-ηtgη=vf/vc=f/πdd随切削过程变化，越靠近中心，η越大，以致可能αoe0（挤压）。纵车由于考虑进给运动的影响，工作基面pre和工作切削平面pse都倾斜一个η角。则γfe=γf+ηαfe=αf-ηη=tg-1(f/πdw)换算到正交平面系：则tgηo=tgη·sinkrγoe=γo+ηoαoe=αo–ηo车外圆时，η=30’~40’，可忽略；车螺纹，尤其是车多头大螺距螺纹时，η很大，则不可忽略刀具安装情况对工作角度的影响刀尖高于工件中心线刀尖高于工件中心线则γpe=γp+θpαpe=αp–θp222hdhtgwp换算到正交平面系则γoe=γo+θoαoe=αo–θoθo=tg-1(tgθp·coskr)注：(i)当刀尖低于工件中心线时，上述计算公式θp符号相反；(ii)镗内孔时与车外圆的计算公式θp符号正好相反。刀杆轴线与进给方向不垂直时，工作主偏角和工作副偏角将发生变化。设G为进给方向垂线与刀杆中心线的夹角，则Kre=Kr±GKre’=Kr’干G三刀具材料及选用刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具的切削能力直接影响生产率、加工质量和加工成本。刀具的切削性能，主要取决于刀具材料。刀具工作环境十分恶劣，因此刀具材料必须具备以下性能高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性高的耐热性良好的导热性和较小的膨胀系数稳定的化学性能和良好的抗粘结性能良好的工艺性能和经济性1．刀具材料应具备的性能刀具材料的种类很多，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、金钢石和立方氮化硼等。目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。刀具的分类高速钢的特点高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的耐热性，可在500650℃的温度下进行切削加工。还具有高的强度和冲击韧性，所以刃磨时能获得锋利的刃口，故有“锋钢”之称。别称：锋钢、钨钢、白钢2．高速钢按用途不同，高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢。按制造方法不同，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢普通高速钢按化学成分不同，普通高速钢可分为钨系和钨钼系两类：钨系高速钢钨系高速钢的典型牌号是W18Cr4V、W9Mo3Cr4V钨钼系高速钢钨钼系高速钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2高性能高速钢在普通高速钢中加入一些其他合金元素（C、V、Co、Al），以提高其耐热性和耐磨性。典型牌号：W6Mo5Cr4V3、W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al粉末冶金高速钢采用粉末冶金法可完全消除碳化物偏析，提高刀具质量高速钢刀具的表面涂层表面涂层处理的目的是为了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好的表面层，以减少刀具磨损，提高刀具的切削性能。表面涂层的方法有蒸汽处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。此外还可采用真空溅射的方法在刀具表面沉积一层TiC或TiN（约10μm）。涂层高速钢是一种复合材料，基体是强度、韧性好的高速钢，而表层是具有高硬度、高耐磨性的其他材料。3．硬质合金由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。高硬度、高熔点的金属碳化物含量高，故其硬度、耐热性和耐磨性都超过高速钢，允许切削温度高达800~1000℃。因此，切削速度远高于高速钢。硬质合金是当今主要的刀具材料之一。普通硬质合金的分类、牌号和性能常用的硬质合金是以碳化钨（WC）为基体，并分为WC-CoWC－Tic-CoWC－TaC（NbC）－CoWC－TiC－TaC(（NbC）－CoYG类，ISO称为K类，加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料YT类，ISO称为P类，加工长切屑的黑色金属YN类，ISO称为P类，高速精加工工具钢、淬火钢YW类，ISO称为M类，可履盖K类、P类的应用范围硬质合金的选用各种硬质合金的应用见表1-1硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的份量表1-1各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工、不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工、不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高