《机械制造基础》金属切削加工基础

第3章金属切削加工基础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。切削加工概述3.1金属切削加工概论一、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。金属切削运动实例3.零件上的三个表面已加工表面过渡表面(加工表面)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。dwdm切削速度601000dnvc6010002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）进给量dmdwfn3）切削深度（ap）（mm）2mwpdda（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。12fapKrfapKr背吃刀量（旧称切削深度）1)切削厚度（hD）（mm）两相邻加工表面之间的垂直距离。rkfsinhD（mm）2)切削宽度（bD）（mm）沿主切削刃度量的切削层的长度。fapKrrpkasinbD（mm）3)切削面积（AD）（mm2）DDpDbhafA（mm2）切削层参数(车外圆)3.2刀具的基本结构及常用刀具材料一、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。二、刀具几何形状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’在基面内度量。车刀的主要几何角度15）刃倾角（S）主切削刃与基面之间的夹角。在切削平面内度量车刀的主要几何角度24.刀具的结构形式1）焊接式车刀2）机加重磨式车刀3）机加可转位式车刀5.手工画刀具的主要标注角度三、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）四、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60HRC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(热硬性)。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。⑶高速钢HSS（HighSpeedSteel）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、W6Mo5Cr4V2①钨钴类（YG）(K)：WC+Co②钨钴钛类（YT）(P)：WC+TiC+Co③通用（YW）(M)：TaC、NbC④表面涂层：TiC、TiN、TiCN、TiAlN①钨钴类（YG）(K)：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、青铜等脆性材料和有色合金。常用牌号有YG3、YG6、YG8等。后面的数字表示含钴量的百分比，含钴量愈高，其承受冲击的性能就愈好。因此，YG8常用于粗加工，YG6和YG3常用于半精加工和精加工。②钨钴钛类（YT）(P)：WC+TiC+Co硬度高、耐磨性好、耐热性好，但韧性较差。适于加工塑性材料。常用牌号有YT5、YT15、YT30等。后面数字是碳化钛含量的百分数，碳化钛的含量愈高，红硬性愈好；但钴的含量相应愈低，韧性愈差，愈不耐冲击。所以YT5常用于粗加工，YT15和YT30常用于半精加工和精加工。③通用（YW）(M)：TaC、NbC适于范围广泛。④表面涂层：TiC、TiN、TiCN、TiAlN⑸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。（6）人造金刚石、立方氮化硼等刀具材料3.3.1金属切削过程金属材料在刀具的作用下塑性变形、滑移、切离的过程。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F450OMABFOMAB3.3常用切削加工方法及相应切削机床切屑的形成2.切屑的种类1)带状切屑特征：底层光滑，上表面呈毛茸状。形成条件：塑性材料、切削速度大、较大的0、切削厚度较小。2)节状切屑(挤裂切屑)特征：底层光滑、有时有裂纹，上表面呈锯齿状。形成条件：中等硬度的塑性材料、切削速度较低、较小的o、切削厚度较大。3)崩碎切屑特征：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1)积屑瘤的形成过程积屑瘤的形成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可代替主刀刃和前刀面进行切削，保护刀具。②使0增大，使切削过程变得轻快。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Fz、Fx、Fy。F弹、塑F摩1F摩2Fr①切削力（切向分力）FzFz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。②进给力（轴向分力）FxFx是F在进给方向上的分力。消耗的功率仅占总功率的1-5%。③背向力（径向分力）Fy是F在切削深度方向上的分力。FrFzFxFyFX、Y2.切削功率（Pm）cvFzPm310mmEPP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)切削热的传散切屑：介质：工件：刀具：28%5%52.5%14.5%车削钻削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。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。cvfpacvfpa2.影响切削温度的因素切削热概述3.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。3.3.2车削加工车削—用车刀在车床上加工工件的工艺过程。加工精度：IT8~IT7，表面粗糙度：Ra=1.6~6.3um主运动—工件的旋转运动。进给运动—刀具的直线运动。车削加工适宜各种回转体表面的加工。普通车床—适于各种中、小型轴、盘、套类零件的单件、小批量生产。转塔式六角车床—适于加工零件尺寸较小、形状较复杂的中、小型轴、盘、套类零件。立式车床—适于直径较大、长度较短的重型零件。（L/D=0.3~0.8）数控车床—适于多品种、小批量生产复杂形状的零件。典型机床传动系统与结构一、工件装夹的方法1.卡盘装夹适用于L/D4的工件。1)三爪卡盘安装定位精度一般为0.01~0.1mm，三爪卡盘最适宜安装形状规则的圆柱形工件。2)四爪卡盘安装定位精度可达0.005mm，四爪卡盘夹紧力大，适合于三爪卡盘不能安装的工件，如矩形的、不对称或较大的工件。3)花盘安装适用于外形复杂以不能使用卡盘安装的工件。2.顶尖装夹适用于L/D=4~10的工件。用顶尖安装时，工件两端面先用中心钻钻上中心孔3.心轴装夹适用于盘、套类零件的精加工。4.其它附件跟刀架、中心架二、车削加工的应用pafv1.车外圆面2.车内圆面（车床上镗孔）3.车端面、切槽、切断粗车：精车：vfpa①实体零件：钻孔—车（镗）扩、铰②已铸出、锻出孔：镗孔4.车锥面Ddl1)转动小刀架法2)成形刀法3)偏移尾架法4)靠模尺法可加工内外圆锥面，且不受工件锥角大小的限制。适于加工锥面较短的内外圆锥面，且不受工件锥角大小的限制。可加工较长的锥面，但不能加工锥孔及锥角较大的锥面。08适用于大批量生产，可加工内外锥面。0125.车成形面1)双手控制法2)成形刀法3)靠模尺法(轨迹法）6.车螺纹7.滚花车