朱明zhubob-机械加工工艺与设备第二章

第二章金属切削过程的基本知识一、金属切削运动和切削要素在金属切削加工过程中，用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，这种相对运动称为切削运动。切削运动可分为主运动与进给运动。1.主运动切除多余金属层以形成工件要求的形状、尺寸精度及表面质量所必须的基本运动，也是切削运动中速度最高、消耗功率最大的运动。在切削加工中，主运动只有且必须有一个。主运动可以是旋转运动（如车削、镗削中主轴的运动），也可以是直线运动（如刨削、拉削中的刀具运动）。如图2－1所示。图2－1各种切削加工的切削运动2.进给运动使新的金属不断投入切削的运动。它保证切削工作连续或反复进行，从而切除切削层形成已加工表面。进给运动的速度较低、消耗功率较小。进给运动可由刀具完成（如车削、钻削），也可由工件完成（如铣削）。进给运动不限于一个（如滚齿），个别情况也可以没有进给运动（如拉削）；进给运动可以是连续的（如车削),也可以是间断的（如刨削）。3.合成切削运动当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动。在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面（如图2－2所示）。即：工件上有待切削金属层的表面已加工与待加工表面间的切削刃正在切除的表面工件上经刀具切削后形成的表面。图2－2车削运动和加工表面二、切削用量在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其它技术经济要求来选定适宜的切削速度、进给量和背吃刀量值。切削速度、进给量和背吃刀量通常称为切削用量三要素。1.切削速度切削速度---切削刃上选定点相对于工件的主运动的线速度。式中——主运动转速，r/s(或r/min)；——刀具或工件的最大直径，mm。单位为m/s（或m/min）1000dncv计算公式为：cvnd2.进给量进给量---当主运动旋转一周时，刀具（或工件）沿进给运动方向上的位移量，单位为mm/r。进给量的大小也反映了进给速度（单位为mm/min）。关系式为：ffvnffv3.背吃刀量背吃刀量---是工件上待加工表面和已加工表面间的垂直距离。外圆车削的背吃刀量为：pa2wmpdda——待加工表面直径，mm——已加工表面直径，mmwdmd4.合成运动速度合成运动速度---在主运动与进给运动同时进行的情况下，切削刃上任一点的实际切削速度是它们的合成速度。evecfvvv三、切削层参数切削过程中，刀具切削刃在一次进给（走刀）中，从工件待加工表面上切下的金属层称切削层。如图2－4所示，外圆车削时，工件转一转，车刀从位置Ⅰ移到位置Ⅱ，所切下Ⅰ与Ⅱ之间的金属层为切削层。切削层参数共有三个，通常在垂直于切削速度的平面内测量。图2－3切削层参数切削厚度---是指垂直于过渡表面度量的切削层尺寸。的大小反映了切削刃单位长度上的工作负荷。1．切削厚度sinDrhfDhDh2．切削宽度切削宽度---是指沿过渡表面度量的切削层尺寸。的大小反映了切削刃参加切削的长度。DbDbsinpDrab3．切削面积切削面积---是指在切削层尺寸平面里度量的横截面积。DADDDpAhbaf二、金属切削刀具几何角度图2－4几种刀具切削部分的形状金属切削加工的刀具种类繁多，各种刀具的结构尽管有的相差很大，但刀具切削部分具有相同的几何特征。其中较典型、较简单的是车刀，其他刀具的切削部分可以看成是以车刀为基本形态演变而来的刀具，如图2－4所示。前刀面---切削过程中切屑流出所经过的刀具表面。主后刀面---切削过程中与工件上过渡表面相对的刀具表面。副后刀面---切削过程中与工件上已加工表面相对的刀具表面。主切削刃---前刀面与后刀面的交线。它担负着主要的切削工作。副切削刃---前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作。刀尖---主切削刃和副切削刃的交点。为了改善刀尖的切削性能，常将刀尖磨成直线或圆弧形过渡刃。2.2.1刀具切削部分的组成AAAss图2－5车刀的组成部分和各部分名称不同类型的刀具，其刀面、切削刃的数量不完全相同。2.2.2刀具的标注角度在刀具设计、制造、刃磨和测量时用于定义刀具几何参数的参考系称为标注角度参考系或静止参考系。在此参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。以下主要介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。基面：指过主切削刃上的选定点，并垂直于该点切削速度方向的平面。车刀切削刃上各点的基面都平行于车刀的安装面（即底面）。安装面是刀具制造、刃磨和测量时的定位基准面。切削平面：指过主切削刃上的选定点，与主切削刃相切，并垂直于该点基面的平面（即与工件过渡表面相切的面）。正交平面：指过主切削刃上的选定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。1．正交平面参考系rPsPoP图2－6正交平面参考系2．刀具的标注角度图2－7正交平面参考系标注角度图2－8刃倾角3.刀具的工作角度(1)进给运动对工作角度的影响①横向进给对工作角度的影响图2－9横向进给运动对工作角度的影响②纵向进给对工作角度的影响车外圆或车螺纹时（如图2-10所示），合成运动方向与主运动方向之间的夹角为f，这时工作基面Pre和工作切削平面Pse相对于标注参考系都要偏转一个附加的角度，使车刀的工作前角oe增大和工作后角oe减小，分别为式中，f—纵向进给量或被切螺纹的导程（mm/r）；d—工件选定点的直径（mm）；f—螺旋升角（°）。oeooeorfrsintantansinπfd图2－10纵向进给运动对工作角度的影响（2）刀具安装对工作角度的影响①刀刃安装高度对工作角度的影响车削时，刀具的安装常会出现刀刃安装高于或低于工件回转中心的情况（如图2-11所示），此时工作基面、工作切削平面相对于标注参考系产生角的偏转，将引起工作前角和工作后角的变化：oeooeo图2－11车刀安装高度对工作角度的影响②刀杆安装偏斜对工作角度的影响在车削时会出现刀杆与进给方向不垂直的情况（如图2-12所示），此时刀杆垂线与进给方向产生角的偏转，将引起工作主偏角和工作副偏角的变化：rerrer图2－12车刀安装偏斜对工作角度的影响2.3刀具材料刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。2.3.1刀具材料应具备的性能1．高的硬度和耐磨性2．足够的强度和韧性3．较高的耐热性4．良好的工艺性5．经济性2.3.2常用刀具材料刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。1.高速钢（1）普通高速钢（含碳量0.7～0.9％62～66HRC)钨系高速钢W18Cr4V钼系高速钢W6Mo5Cr4V2高温塑性好用于一般材料的常规加工，切削速度一般不高于40m/min（2）高性能高速钢（增加碳量钒量，增加钴铝等66~70HRC）9W18Cr4VW6Mo5Cr4V3W6Mo5Cr4V2Co8W2Mo9Cr4VCo8W6Mo5Cr4V2AlW12Cr4V4Mo主要用于加工难加工材料的加工，加工普通材料切削速度可达90m/min2.硬质合金金属碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）+金属黏结剂（Co、Ni等）在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。◆硬度、耐热性、耐磨性都很高，切削速度高于高速钢◆抗弯强度低，冲击韧性差分类：P类（相当于我国YT类）也称钨钛钴类硬质合金由WC+TiC+Co组成常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等加工长切屑的黑色金属，不适合加工含Ti元素的不锈钢K类（相当于我国YG类）也称钨钴类硬质合金由WC+Co组成常用牌号有YG3、YG6、YG8等加工短切屑的黑色金属、有色金属、非金属M类（相当于我国YW类）由WC+TiC+TaC（NbC）+Co加工铸铁、钢材、有色金属、非金属不同硬质合金刀具的应用范围代号被加工材料适应的加工条件P0l钢、铸钢高切削速度、小切削截面、无振动条件下的精车、精镗P10钢、铸钢高切削速度、中等或小切削截面条件下的车削、仿形车削、车螺纹和铣削P20钢、铸钢、可锻铸铁中等切削速度和中等切削截面条件下的车削、仿形车削和铣削，小切削截面的刨削P30钢、铸钢、可锻铸铁中或低等切削速度、中等或大切削截面条件下的车削、铣削、刨削和不利条件下的加工P40钢、含砂眼和气孔的铸钢件低切削速度、大切削角、大切削截面以及不利条件下的车削、刨削、切槽和自动机床上的加工P50钢、含砂眼和气孔的中低强度钢铸件低切削速度、大切削角、大切削截面及不利条件下的车削、刨削、切槽和自动机床上的加工P51钢、含砂眼和气孔的中低强度钢铸件低切削速度、大切削角、大切削截面及不利条件下的车削、刨削、切槽和自动机床上的加工M20钢、铸钢、奥氏体钢或锰钢、灰铸铁中等切削速度、中等切削截面条件下的车削、铣削M30钢、铸钢、奥氏体钢、灰铸铁、耐高温合金中等切削速度、中等或大切削截面条件下的车削、铣削、刨削M40低碳易切钢、低强度钢、有色金属等车削、切断，特别适于自动机床上的加工K01特硬灰铸铁、冷硬铸铁、高硅铝合金、淬硬钢、高耐磨塑料、硬纸板、陶瓷车削、精车、镗削、铣削、刮削3.其他刀具材料1．陶瓷用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类：氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。2．立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成，其硬度高达8000HV，仅次于金刚石。3．人造金刚石金刚石分天然和人造两种，工业上多使用人造金刚石。2.4刀具磨损与刀具耐用度切削时刀具在高温条件下，受到工件、切屑的摩擦作用，刀具材料被逐渐磨耗或出现其他形式的破坏。当磨损量达到一定程度时，切削力加大，切削温度上升，切屑形状和颜色改变，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。刀具失效形式：磨损（正常工作时逐渐产生的损耗）破损（突发的损坏、随即产生）2.4.1刀具磨损的形态刀具正常磨损形式有以下几种：1.前刀面磨损（月牙洼磨损）切塑性材料，切削速度和切削深度较大，前刀面产生月牙洼磨损，用月牙洼的宽度KB和深度KT表示。2.后刀面磨损切脆性材料或切削速度和切削深度较小的塑性材料3.前刀面和后刀面同时磨损图2－13刀具的磨损形态2.4.2刀具磨损的主要原因刀具磨损的原因很复杂，主要有以下几个方面：1.硬质点磨损硬度较低的刀具材料或低速刀具（如高速钢刀具及手工刀具等），硬质点磨损是刀具的主要磨损形式。2.黏结磨损黏结磨损是指刀具与工件（或切削）的接触面在足够的压力和温度作用下，达到原子间距离而产生黏结现象，因相对运动，黏结点的晶粒或晶粒群受剪或受拉被对方带走而造成的磨损。3.扩散磨损扩散磨损是指刀具表面与被切出的工件新鲜表面接触，在高温下，两摩擦面的化学元素获得足够的能量，相互扩散，改变了接触面双方的化学成分，降低了刀具材料的性能，从而造成刀具磨损。4.化学磨损化学磨损又称为氧化磨损，指刀具材料与周围介质，在一定的温度下发生化学反应，在刀具表面形成硬度低、耐磨性差的化合物，加速刀具的磨损。2.4.3刀具磨损过程及磨钝标准1.刀具的磨损过程（1）初期磨损阶段与刀具刃磨质量有关（2）正常磨损阶段VB与切削时间近似正比斜率表示磨损强度（3）急剧磨损阶段切削力、切削温度急剧升高，刀具很快失效。应在之前及时更换刀具。图2－14刀具的磨损过程2.刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。◆有经验的工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝。◆国际标准ISO统一规定以1/2背吃刀量处后刀面磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。不同的加工条件、磨钝标准VB的数值是不同的硬质合金刀具粗车碳钢、合金钢1.0～1.4硬质合金刀具精车碳钢、合金钢0.4～0.6硬质合金刀具粗车灰铸铁、可锻铸铁0.8～1.0硬质合金刀具半精车灰铸铁、可锻铸铁0.6～0.8◆自动化精加工刀具，以径向