机械制造基础课件--金属切削加工基础知识

王德春机械制造基础王德春第五章金属切削加工基础知识技术准备毛坯制造零件加工检验和装配（车、铣、钻、刨、磨、镗等）（零件的检验、组装成部件，最后将部件总装成机器）毛坯(经过铸造、锻造、焊接，冲压等变成）的获得。图纸、工艺规程和各种设备的准备等。机械制造的生产过程如下所示：一般情况下，通过铸造、锻造、焊接和各种轧制的型材，毛坯精度低和表面粗糙度大，不能满足零件要求，必须进行切削加工才能成为零件。金属切削加工担负着几乎所有零件的加工任务，在机械制造过程中，处于十分重要的地位。铸铁的浇注也有一些通过精密铸造、锻造、焊接的产品，可以不经过切削加工，直接使用。零件的加工方法金属切削加工就是通过机床所提供的动力和切削运动，使刀具和工件之间产生相对运动，切除工件上多余的材料，从而使工件的形状、尺寸精度及表面质量都符合预定的要求，就是获得合格零件的加工过程，通常也叫冷加工。金属切削加工目的在于加工出符合图纸要求的机械零件。金属切削加工分为钳工和机械加工（简称机工）两部分。1、钳工一般时通过工人手持工具进行切削加工的。钳工加工方式多种多样，使用的工具简单、方便灵活，是装配和修理工作中不可缺少的加工方法、随着生产的发展，钳工机械化的内容也逐渐丰富起来了。2、机械加工主要通过工人操纵机床来完成切削加工的。其主要加工方法有车削、钻削、铣削、刨削、磨削等，所用的机床分别为车床、钻床、铣床、刨床、磨床等。本章主要介绍金属切削加工。车床卧轴矩台平面磨床金属切削加工概述第一节金属切削加工的基础知识为了保证机械设备的精度和使用寿命，同时也为了保证产品的质量，在设计零件时应根据零件在机器中的的不同作用提出合理的要求，这些要求通称为零件的加工质量，如下图所示。机械零件的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、生产率和经济性等。一、概述（一）加工精度经机械加工后，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，简称为加工精度。实际值与理想值相符合的程度超高，即偏差（加工误差）越小，加工精度超高。加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。零件图上，对被加工件的加工精度要求常用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。1、尺寸精度尺寸精度是指零件加工后的实际尺寸相对于理想尺寸的准确程度。尺寸精度是用尺寸公差来控制的。尺寸公差是切削加工中零件尺寸允许的变动量。在基本尺寸相同的情况下，尺寸公差愈小，则尺寸精度愈高，反之亦然。2、形状精度形状精度是指零件上的线、面等要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。形状精度是用形状公差来控制的，如直线度、圆度、圆柱度、平面度等。3、位置精度位置精度是指零件上的点、线、面等要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。位置精度是用位置公差来控制的，如平行度、垂直度、同轴度、圆跳动、对称度等。（二）表面质量机械零件的表面质量，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。1、表面粗糙度表面粗糙度是指零件的表面微观不平度。即使是光滑的磨削表面，放大后也会发现有高低不同的微小峰谷。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的影响，它直接影响机器的使用性能和寿命。常用的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差Ra值；即表面粗糙度的符号用Ra来表示。表面粗糙度共分14级，单位为μm。不同的加工方法可以达到不同的表面粗糙度。要合理的在图纸上标注表面粗糙度，必须掌握各种加工方法，以及详细了解零件各表面在装配体中的功能。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的增加。2、表面层材质的变化零件加工后表面层的力学、物理及化学等性能会与基体材料不同，表现为加工硬化、残余应力产生、疲劳变化及耐腐蚀性下降等，这些将直接影响零件的使用性能。零件加工质量与加工成本有着密切关系。加工精度要求高，将会使加工过程复杂化，导致成本上升，所以在确定零件加工精度和表面粗糙度时，总的原则是在满足零件的使用性能和后续工序要求的前提下，尽量选用较低要求的精度等级和较大的表面粗糙度值，以降低零件的成本。二、切削运动和切削用量（一）切削运动在金属的切削过程中，为了获得各种不同形状的零件，刀具与工件之间必须要有相对的运动，即切削运动，它是由金属切削机床来完成的，如轴类零件的车削加工。切削运动通常是由金属切削机床的工作台完成的，如下所示：切削运动按运动在切削中所起的作用不同分为主运动和进给运动两种。1、主运动所谓的主运动就是由机床提供的刀具与工件间主要的相对运动，即使刀具切削刃切入工件材料的运动。主运动的特点是速度最高、消耗功率最大，而且通常只有一个。主运动既可以由刀具来完成也可以由工件来完成；主运动的运动形式即可是直线运动，也可以是旋转运动。２、进给运动由机床或人力提供的运动，使刀具与工件之间产生附加的相对运动，它使新的金属层不断投入切削，以便切除工件表面上全部余量的运动。进给运动也由刀具或工件完成，其形式一般有直线、旋转或两者的合成运动。进给运动的主要特征是速度低、消耗功率小、可以有多个。3、合成运动切削时，主运动与进给运动同时进行。这时，刀具切削刃上一点相对于工件的合成运动为合成切削运动。车削加工时主运动和进给运动如下所示：C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\录像\主运动和进给运动.swf主运动和进给运动（二）工件表面以车削为例，在切削加工过程，工件的表面有三个，如下图所示：1、待加工表面—需要切去金属的表面。2、已加工表面—切削后得到的表面。2、过渡表面—正在被切削的表面，也称为切削表面或加工表面。车削加工工件上的表面（三）切削用量：用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量，是切削速度、进给量及背吃刀量的总称。1、切削速度切削速度指切削刃上某点瞬时速度，以v表示，单位m/min。以车削为例，当主运动为旋转运动时，可按下式计算：：1000πdnvc2、进给量进给量指工件（或刀具）每转一转时，刀具（或工件）沿进给方向移动距离（也称走刀量），以f表示，单位为mm/r。如主运动为往复直线运动（如刨削、插削），则进给量单位为mm/次。1）车削：每转进给量，用f表示，单位mm/r；2）刨削：每行程进给量，用f表示，单位mm/次；3）铣削：每齿进给量，用fz表示，单位mm/z。车削时进给速度为vf=n×f，单位mm/min。通常，切削加工中的主运动只有一个，而进给运动可以是一个或几个。3、背吃刀量背吃刀量指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离（旧称切削深度），以ap表示，单位为mm。在车床上车外圆时，背吃刀量计算公式为：αp=dw-dm/2式中：dw—待加工表面直径，mm；dm—已加工表面直径，mm。第二节刀具切削部分的几何角度金属切削刀具是完成切削的重要工具，其作用是从工件上切除多于的金属。它是影响生产率、加工质量和成本的主要因素。刀具的性能是决定机床性能的主要因素。由于机械零件种类繁多、结构复杂程度不一，其形状、尺寸和表面质量也不尽相同，为了适应不同零件的加工，机床有许多不同的种类，相应就有很多种机床刀具，如下图所示。焊接式车刀机夹式车刀整体式车刀中心钻麻花钻扩孔钻深孔钻铰刀镗刀螺纹刀具拉刀铣刀齿轮加工刀具砂轮砂轮刀具的种类虽然很多，但外圆车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，因而最肯有代表性。其他刀具都可以看作是以车刀为基本形态演变而来的，如下图所示。因此，在研究金属切削工具时，通常以外圆车刀为例进行研究和分析。车刀与其它刀具的形状比较车刀是车床加工时使用的刀具。车床车刀是车床车削加工时使用的刀具。车刀的种类很多，按结构形式划分有整体式、焊接式、机夹式等三种，如下图所示：C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\录像\机夹重磨式车刀.wmv整体式焊接式机夹式车刀按其用途不同可分为外圆车刀、镗孔刀、切断刀、螺纹车刀和成形车刀。上述类型中，最常用的是外圆车刀，它按其主偏角大小又分为90°、75°各45°外圆车刀，如下图所示。外圆车刀的使用应根据外圆表面加工的方案选择。75°的外圆车刀刀头强度高，常被选用为外圆的粗车刀；45°的弯头车刀，使用方便，可用来车削端面和倒角；90°的外圆车刀可用于粗车或精车，还可以车削有垂直台阶的外圆和细长轴。450外圆车刀900外圆车刀750外圆车刀一、车刀的组成外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，它由切削部分和刀柄两部分所组成。切削部分是刀具上直接参加切削工作的部分，也称刀头。刀柄（刀体）是刀具上的夹持部分；一般采用碳钢制造。车刀的刀头由“三面两刃一尖”所组成：1）前刀面Ar（前面）—切屑流出所经过的刀面。2）后刀面Aα（主后面）—对着工件切削表面的刀面。3）副后刀面A’α（副后面）—对着工件已加工表面的刀面。4）主切削刃S—前刀面与后刀面的交线。5）副切削刃S′—前刀面与副后刀面的交线。6）刀尖rε—主切削刃与副切削刃的交点，一般为半径很小的圆弧，以保证刀尖有足够的强度。二、刀具几何角度参考系由于车刀的刀头形状是不规则的，为方便的表示刀具切削部分的几何形状，必须把刀具放在一个确定的参考系中，用一组确定的几何参数来表达刀具和切削刃在空间的位置，这就是刀具的几何角度（即刀具的几何参数）。而这个参考系通常是人为建立的基准坐标平面，作为组成参考系的基准。刀具几何角度参考系有两类，刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。1、刀具标注角度参考系1）假设条件刀具标注角度参考系是设计刀具时，为标注刀具几何角度而采用的参考系。也是制造、刃磨和测量刀具时用的参考系。为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特别规定了如下假设条件：（1）假设运动条件：用主运动向量Vc近似地代替相对运动合成速度向量Ve（即Vf=0）。（2）假设安装条件：假定车刀安装绝对正确。即安装车刀时应使刀尖与工件中心等高；车刀刀杆对称面垂直于工件轴线；车刀刀杆底面水平。由此可见，标注角度参考系是在简化了切削运动和设立标准刀具位置的条件下建立的参考系。刀具标注角度参考系有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系三种，其中正交平面参考系最应用的最多。（1）正交平面参考系正交平面参考系由基面（Ｐr）、主切削平面（Ｐs）和正交平面（Po）所组成。a、基面（Ｐr）—切削刃上任意一点的基面是通过该点并垂直于该点切削速度方向的平面。b、切削平面（Ｐs）—切削刃上任意一点的切削平面是通过该点并和工件切削表面相切的平面。c、正交平面（Po）—主刀刃上任意一点的正交平面是通过该点并垂直于主切削刃在基面上投影的平面。上述三个平面在空间是互相垂直的，如下图所示。此外，还有法平面参考系和假定工作平面参考系。车刀上的三个辅助平面三、刀具标注角度1、在基面内测量的角度：主偏角Kr—为主切削刃在基面上的投影与进给运动速度方向之间的夹角。副偏角K´r—为副切削刃在基面上的投影与进给运动速度反方向之间的夹角。还有一个刀尖角εr=180°-（Kr+K´r）。C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\录像\车刀的主偏角和副偏角.wmv2、正交平面内测量的角度正交平面中测量的刀具角度主要有前角和后角：前角γo—前刀面与基面之间的夹角。后角αo—主后刀面与切削平面之间的夹角。楔角βo—前刀面与后刀面之间的夹角。楔角的大小决定着切削部分的强度，它与前后角关系：βo=90℃-（γo+αo）。C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\录像\车刀的前角和后角.wmv3、在主切削平面内测量的角度切削平面中测量的刀具角度主要有刃倾角：刃倾角λs—在切削平面内主切削刃与基面之间的夹角，当主切削刃与基面平行时，λs=0°。当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时λs＞0°，反之λs＜0°。C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\录像\车刀的刃倾角.wmv刃倾角影响刀尖强度并控制切屑流出的方向，如下图所