钳工工艺学教案-第一章

第一章金属切削基础知识§1－1金属切削的基本概念§1－2金属切削刀具§1－3金属切削过程与控制§1－1金属切削的基本概念常见的金属切削方法a）车削b）铣削c）钻削d）刨削e）外圆磨削f）平面磨削一、切削运动1．主运动由机床或人力提供的主要运动，它促使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件。主运动的速度最高，所消耗的功率最大。2．进给运动由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可不断地或连续地切除切屑，并得出具有所需几何特性的已加工表面。3．切削时的工件表面切削时工件上形成的表面a）车削外圆b）扩孔钻扩孔（1）待加工表面工件上有待切除之表面。（2）已加工表面工件上经刀具切削后形成的表面。（3）过渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程，刀具或工件的下一转里被切除，或者由下一切削刃切除。二、切削用量切削用量是指切削过程中切削速度、进给量和切削深度的总称，也称为切削用量三要素。它是衡量切削运动大小的参数。车削外圆时的切削用量1．切削速度（vc）切削速度是指刀具切削刃上选定点相对于工件待加工表面在主运动方向上的瞬时速度（即主运动的线速度），单位为m/min。车削时切削速度的计算式为：vc=式中dω——工件待加工表面直径，mm；n——工件转速，r/min。1000ndw2．进给量（f）进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述和度量。如车削时的进给量为工件每转一转，车刀沿进给运动方向移动的距离，单位为mm/r。3．切削深度（αp）切削深度一般指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。车削外圆时切削深度的计算式为：ap=(dω－dm)/2式中dω——工件待加工表面直径，mm；dm——工件已加工表面直径，mm。三、切削用量的选择1．切削深度的选择粗加工时，除留出的精加工余量外，剩余加工余量尽可能一次切完。如果余量太大，可分几次切去，但第一次走刀应尽量将ap取大些。精加工时，切削深度要根据加工精度和表面粗糙度的要求来选择。2．进给量的选择在切削用量三要素中进给量的大小对表面粗糙度的影响最大，因此，粗加工时，f可取大些；精加工时，f可取小些。各种切削加工的进给量可根据进给量表选择确定。3．切削速度的选择切削速度应根据工件尺寸精度、表面粗糙度、刀具寿命的不同来选择，具体可通过计算、查表或根据经验加以确定。§1-2金属切削刀具金属切削刀具的种类很多，其中外圆车刀最为典型，其他刀具的切削部分就其单个刀齿而言，都可看作是以外圆车刀的切削部分为基本形态演变而成刀具切削部分形态a）镗刀b）钻头c）铣刀一、刀具的构成刀具一般由切削部分(刀头)和夹持部分（刀体）组成。车刀的切削部分由“三面、两刃、一尖”构成。刀面前面(前刀面)刀具上切屑流过的表面主后面(主后刀面)刀具上同前面相交形成主切削刃的后面（即与过渡表面相对的表面）副后面(副后刀面)刀具上与前面相交形成副切削刃的后面（即与已加工表面相对的表面）切削刃主切削刃前刀面与主后刀面的交线,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,副切削刃配合主切削刃完成少量的切削工作刀尖指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。即主切削刃与副切削刃的交点,为提高刀尖强度,刀尖处一般磨出直线或圆弧形的过渡刃车刀的切削部分的“三面、两刃、一尖”车刀切削部分的构成车刀刀尖的形状a）切削刃实际交点b）直线形过渡刃c）圆弧形过渡刃二、刀具的切削角度1．确定刀具切削角度的辅助平面三个辅助平面（1）基面Pr通过主切削刃上某选定点与该点切削速度方向垂直的平面。车刀的基面平行于水平面。（2）切削平面Ps通过主切削刃上某选定点与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。车刀的切削平面是铅垂面。（3）正交平面Po通过主切削刃上某选定点，且同时垂直于基面和切削平面的平面。2．车刀的主要角度及作用外圆车刀的主要角度辅助平面切削角度及作用角度间的关系及大小选择在正交平面内测量前角γo前刀面与基面间的夹角。它主要影响切削刃的锋利及切屑变形程度一般选取范围是-5°～25°，粗加工时前角宜小，精加工时前角宜大主后角αo主后刀面与切削平面间的夹角。主后角可改变车刀主后刀面与工件间的摩擦状况。后角的选取只能是正值，一般选取范围是3°～12°，粗加工时选较小值，精加工时选较大值楔角βo前刀面与主后刀面间的夹角。它影响刀头的强度及散热情况前角、主后角与楔角之间的关系为：γo+αo+βo=90°在基面内测量主偏角κr主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。它能改变主切削刃与刀头的受力及散热情况主偏角的大小通常根据工件的形状在45°～90°之间选取副偏角κ′r副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间的夹角。它可改变副切削刃与工件已加工面间的摩擦状况一般副偏角取值6°～8°左右刀尖角εr主切削刃与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。它影响刀尖强度及散热情况主偏角、副偏角与刀尖角之间的关系为：κr+κ′r+εr=180°在切削平面内测量刃倾角λS主切削刃与基面间的夹角。它影响刀尖强度并控制切屑流出的方向刃倾角有正值、负值和零度三种情况。刃倾角λS选值一般在-5°～10°之间，粗加工时常取负值，精加工时常取正值各测量面内测量的主要角度及作用刃倾角对切屑流向的影响三、刀具材料1．刀具材料应具备的性能（1）高硬度刀具切削部分材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温下一般应在60HRC以上。（2）高耐磨性刀具材料必须具有良好的抵抗磨损的能力，特别是在高温切削条件下，更需保持应有的耐磨性。通常刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。（3）足够的强度和韧性保证刀具在正常切削过程中能够承受压力、冲击和振动，防止刀具的崩刃或脆性断裂。（4）高耐热性耐热性是指刀具材料在高温下能够保持高硬度的性能，又称为红硬性或热硬性。它是评定刀具材料的主要性能指标。（5）良好的工艺性为了便于刀具的加工制造，刀具材料应具备良好的可加工性和热处理性。2．钳工常用的刀具材料（1）碳素工具钢碳素工具钢淬火后硬度较高（60~64HRC），刃磨性好，刃口锋利，但耐热性差，温度超过200℃时硬度就显著下降，淬透性差，热处理变形大。（2）合金工具钢合金工具钢与碳素工具钢相比有较高的韧性、耐磨性和耐热性，热处理变形小、淬透性较好。（3）高速钢高速钢的耐磨性、耐热性都比前两者明显提高，切削温度达到550~600℃仍保持其切削性能，强度、韧性和制造工艺性也较好，热处理变形小。（4）硬质合金硬质合金是以高硬度的碳化钨、碳化钛等为基体，与粘结金属钴在高温、高压下制成的粉末冶金材料。§1-3金属切削过程与控制一、切屑的种类种类图示说明带状切屑加工塑性金属材料时，若切削深度较小、切削速度高、刀具前角较大时，易产生内表面光滑、外表面呈毛茸状的带状切屑节状切屑在切削速度较低，切削深度较大的情况下，切削钢及黄铜等材料时，易产生内表面有裂纹、外表面呈齿状的节状切屑粒状切屑在切削速度很低，切削深度很大的情况下，切削钢等材料时，由于剪切变形完全达到材料的破坏极限，切下的切屑断裂成均匀的颗粒状崩碎切屑切削如铸铁等脆性金属材料时，切削层金属未经明显的塑形变形，就在弯曲应力作用下脆断，得到不规则的细粒状切屑切屑的种类二、切削力切削加工时，刀具使工件材料变形成为切屑所需的力称为切削力。1．切削力的分解切削合力与分力（1）主切削力（或切向力）Fz作用于切削速度方向的分力。（2）切深抗力（或径向力）Fy作用于切削深度方向的分力。（3）进给抗力（或轴向力）Fx作用于进给方向的分力。它是计算机床进给机构强度的依据。切削力Fr和分力之间的关系为：Fr==22zxyFF222zyxFFF2．影响切削工件所需切削力的因素（1）工件材料工件材料的强度和硬度越高，切削力就越大。（2）切削用量切削用量中对切削力影响最大的是切削深度，其次是进给量，影响最小的是切削速度。（3）刀具角度刀具角度中对切削力影响最大的是前角、主偏角和刃倾角。（4）切削液为了提高切削效果而使用的液体称为切削液。三、切削热可采取以下措施对刀具和工件的温度加以控制。1．在刀具强度允许的情况下，适当增大前角，以尽量减小切屑的变形和磨擦。2．在机床—工件—刀具系统刚性较好时，适当减小主偏角，以改善刀具的散热条件。3．降低切削速度。4．提高刀具前、后刀面的刃磨质量，减小磨擦。5．合理选用切削液。四、刀具寿命影响刀具寿命的因素有：1．工件材料的强度、硬度、塑性越大时，寿命越短。2．在切削用量中，对刀具寿命影响最大的是切削速度，其次是进给量，最小的是切削深度。3．适当增大前角γo，减小主偏角kr、副偏角kr´和增大刀尖圆弧半径rε，均能延长刀具寿命。4．选用新型材料的刀具，是提高刀具寿命的有效途径。5．合理地选用切削液也能延长刀具寿命。五、切削液1．切削液的作用（1）冷却作用（2）润滑作用（3）清洗作用（4）防锈作用2．切削液的种类及应用类型主要组成性能应用水溶性切削液水溶液普通型在水中添加亚硝酸钠等水溶性防锈添加剂，加入碳酸钠或磷酸三钠，使水溶性微带碱性冷却性能、清洗性能好，有一定的防锈性能，润滑性能差粗磨、粗加工防锈型在水中除添加水溶性防锈添加剂外，再加表面活性剂、油性添加剂冷却性能、清洗性能、防锈性能好，兼有一定的润滑性能，透明性较好对防锈性要求高的精加工极压型再加极压添加剂有一定极压润滑性重切削和强力磨削乳化液防锈型常用1号乳化油加水稀释成乳化液防锈性能好，冷却性能、润滑性能一般，清洗性能稍差适用于防锈性要求较高的工序及一般的车、铣、钻等加工。但由于乳化液对环境污染较大，正逐步被淘汰普通型常用2号乳化油加水稀释成乳化液清洗性能、冷却性能好，兼有防锈性能和润滑性能适用于磨削加工及一般切削加工极压型常用3号乳化油加水稀释成乳化液极压润滑性能好，其他性能一般适用于要求良好的极压润滑性能的工序，如拉削、攻螺纹、铰孔以及难加工材料的加工切削液的分类及应用类型主要组成性能应用水溶性切削液合成切削液多效型由水、各种表面活性剂和化学添加剂组成除具有良好的冷却、清洗、防锈、润滑性能外，还能防止对铜、铝等金属的腐蚀作用。合成液中不含油，可节省能源，有利环保。适用于多种金属（黑色金属、铜、铝）的切削及磨削加工，也适用于极压切削或精密加工油溶性切削液矿物油主要有机械油、柴油、煤油等润滑性能好，冷却性能差，化学稳定性好，透明性好适用于流体润滑，可用于冷却、润滑系统合一的机床，如多轴自动车床、齿轮加工机床、螺纹加工机床动植物油主要有豆油、菜油、棉子油、蓖麻油、猪油、鲸鱼油、蚕蛹油等润滑性能比矿物油更好，但易腐败变质，冷却性能差，粘附在金属上不易清洗适用于边界润滑，可用于攻螺纹、铰孔、拉削复合油以矿物油为基础再加若干动植物油润滑性能好，冷却性能差适用于边界润滑，可用于攻螺纹、铰孔、拉削极压切削油以矿物油为基础再加若干极压添加剂、油性添加剂及防锈添加剂等，最常用的有硫化切削油、含硫氯、硫磷或硫氯磷的极压切削液极压润滑性能好，可代替动植物油或复合油适用于要求良好的极压润滑性能的工序，如攻螺纹、铰孔、拉削、滚齿、插齿以及难加材料的加工3．切削液的选用（1）粗加工粗加工时，切削用量较大，产生大量的切削热。这时主要是要求降低切削温度，应选用冷却为主的切削液，如3%~5%乳化液或离子型切削液。硬质合金刀具耐热性较好，一般不用切削液。（2）精加工精加工时，切削液的主要作用是减小工件表面粗糙度值和提高加工精度。