课题十二-金属切削加工基础知识

模块三机械加工基础课题十二金属切削加工基础知识学习情境1熟悉切削加工与切削刀具学习情境2了解用刀具基本定义学习情境3掌握工件材料的切削加工性学习情境4熟悉常用切削刀具【课题要点】本课题主要介绍金属切削加工的运动分析和切削要素，切削刀具的基本定义，常用刀具的基本定义，工件材料的切削加工性，常用的金属切削刀具等。【学习目标】（1）熟悉金属切削加工的基本知识、刀具材料应具备的性质、刀具材料类型。（2）了解金属切削刀具的角度定义及工作角度的选择方法、工件材料的切削加工性、常用的金属切削刀具类型。（3）能初步掌握金属切削刀具选择方法。【课题描述】金属切削是金属切削加工过程中刀具与工件之间相互作用和各自变化规律的一门学科。在设计机床和刀具﹑制定机器零件的切削工艺及其定额﹑合理地使用刀具和机床以及控制切削过程时，都要利用金属切削原理的研究成果，使机器零件的加工达到经济﹑优质和高效率的目的。学习情境1熟悉切削加工与切削刀具【情境导航】切削加工运动分析切削要素切削刀具基本定义【相关知识】一、切削加工运动分析切削加工时，为了获得各种形状的零件，刀具与工件之间必须具有一定的相对运动，即切削运动，切削运动按其所起的切削作用可分为主运动和进给运动。(一)主运动主运动是由机床提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动。主运动的特点是速度最高，消耗功率最大。车削时，主运动是工件的回转运动；牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动。(二)进给运动进给运动是由机床提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。例如，车削外圆进给运动是刀具的纵向运动；车削端面时，进给运动是刀具的横向运动。牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。(三)主运动和进给运动的合成当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动。常用合成速度向量ve来表示。二、切削要素切削要素是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削要素包括切削速度、进给量、背吃刀量三个要素。(一)切削速度vc在切削加工时，切削刃选定点相对于工作主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件或刀具沿主运动方向相对移动的距离，单位为m/min或m/s。主运动为旋转运动时，切削速度vc的计算公式为式中：d——工件直径，mm；n——工件或刀具每分(秒)钟转数，r/min（r/s）。(二)进给量f进给量是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最来表示或度量。车削时进给量的单位是mm/r，即工作每转一圈，刀具沿进给运动方向移动的距离。刨削的主运动为往复直线运动，其间歇进给的进给量为毫米/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。单位时间的进给量，称为进给速度，它是切削刀选定点相对于工作进给运动的瞬间速度。车削时的进给速度vf(mm/min或m/s)计算公式为铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用az表示，单位是(mm/z)。vf，f，az三者之间的关系为：式中：z——多齿刀具的齿数。(三)背吃刀量(切削深度)ap背吃刀量(切削深度)ap是指主刀刃工作长度(在基面上的投影)沿垂直于进给运动方向上的投影值。对于外圆车削，背吃刀量ap等于工件已加工表面和待加工表面之间的距离，单位为mm。三、切削刀具基本定义切削刀具种类很多，如车刀、刨刀、铣刀和钻头等，它们几何形状各异，复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度却具有许多共同的特征。其中，车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，最具有代表性，其他刀具都可以看做是车刀的组合或变形。因此，在研究金属切削工具时，通常以车刀为例进行研究和分析。（一）车刀的组成车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削任务，刀柄是用以装夹在机床刀架上。切削部分是由一些面和切削刃组成。常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的，如图12.1所示。图12.1车刀的组成1.刀面（1）前刀面Ar。前刀面Ar是指刀具上切屑流过的表面。（2）后刀面Aa。后刀面Aa是指与工件上切削表面相对的刀衙面。（3）副后刀面Aa′。副后刀面Aa′是指与已加工表面相对的刀面。2.切削刃（1）主切削刃S。主切削刃S是指前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作。（2）副切削刃S′。副切削刃S′是指前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作。（3）刀尖。刀尖是指主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成，微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径，用rε表示，如图12.2所示。图12.2刀尖形状（二）刀具几何角度参考系为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方位。根据ISO3002/1—1997标准推荐，刀具几何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。1.正交平面参考系如图12.3所示，正交平面参考系由以下三个平面组成：基面Pr是过切削刃上某选定点平行或垂真于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。车刀的基面都平行于它的底面。主切削平面Ps是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。正交平面Po是过切削刃某选定点同时垂直于基面和切削平面得到的平面。过主切削刃，副切削刃某选定点都可以建立正交平面参考系。基面Pr、主切削平面Ps、正交平面Po三个平面在空间相互垂直。2.法平面参考系如图12.4所示，法平面参考系由Pr，Ps和法平面Pn组成。其中法平面Pn是过切削刃某选定点垂直于切削刃的平面。图12.3正交平面参考系图图12.4法平面参考系图3.假定工作平面参考系如图12.5所示，假定工作平面参考系由Pr，Pf和Pp组成。假定工作平面Pf是过切削刃某选定点平行于假定进给运动平面并垂直于基面的平面。背平面Pp是过切削刃某选定点既垂直于二假定迸给运动平面又垂直于基面的平面。图12.5假定工作平面参考系图（三）刀具标注角度刀具标注角度如图12.6所示。1.在基面内测量的角度（1）主偏角kr。主偏角kr是指主切削刃与进给运动方向之间的夹角。（2）副偏角kr′。副偏角kr′是指副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。（3）刀尖角εr。刀尖角εr是指主切削刃与副切削刃之间的夹角，刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和传热性能。它与主偏角和副偏角的关系为2.在主切削刃正交平面(O-O)内测量的角度(1)前角γo。前角γo是指前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。图12.6车刀的几何角度(2)后角αo。后角αo是指后刀面与切削平面间的夹角。(3)楔角βo。楔角βo是指前刀面与后刀面间的夹角。楔角的大小将影响切削部分截面的大小，决定着切削部分的强度，它与前角γo和后角αo的关系为βo=90°－（γo+αo)3.在切削平面内(S向)测量的角度刃倾角λs是指主切削刃与基面间的夹角。刃倾角正负的规定如图12.7所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。图12.7λs的正负规定λs=0的切削称为直角切削，此时主切削刃与切削速度方向垂直，切屑沿切削刃的法向流出。λs≠0的切削称为斜角切削，此时主切削刃与切削速度方向不垂直，切屑的流向与沿切削刃的法向倾斜了一个角度。4.在副切削刃正交平面内(O′-O′)测量的角度副后角αo′是指副后刀面与副切削刃切削平面的夹角。上述的几何角度中，最常用的是前角γo、后角αo、主偏角kr、刃倾角λr、副偏角kr′和副后角αo′，通常称之为基本角度。在刀具切削部分的几何角度中，上述基本角度能完整地表达出车刀切削部分的几何形状，反映出刀具的切削特点。第三章6----24三、分支程序与循环程序设计休息一下，巩固所学的知识学习情境2了解用刀具基本定义【情境导航】刀具的材料切削力和影响切削力的因素刀具的磨损与耐用度刀具几何参数的合理选择【相关知识】一、刀具的材料刀具的材料是指刀具切削部分的材料，刀具材料性能的优劣对切削加工过程及精度、质量、生产效率有着直接影响。(一)刀具材料应具备的性能1.高硬度高硬度是刀具材料应具备的最基本性能，一般认为，刀具材料应比工件材料的硬度高1.3～1.5倍，常温硬度高于60HRC。2．足够的强度和韧度切削过程中，刀具承受很大的压力、冲击和振动，刀具材料必须具备足够的抗弯强度和冲击韧性。一般说来，刀具材料的硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性值越低。为了不产生崩刃和折断，刀具材料必须具备足够的强度和韧度。3.高耐磨性在切削过程中，刀具要经受剧烈摩擦，所以作为刀具材料必须具备良好的耐磨性。耐磨性不仅与硬度有关，往往还与强度、韧度和金相组织结构等因素有关。一般认为，刀具材料的硬度越高、马氏体中合金元素越多、金属碳化物数量越多、颗粒越细、分布越均匀，耐磨性就越高。4.高耐热性耐热性是衡量刀具材料切削性能优劣的主要指标，它是刀具材料在高温下保持或基本保持其硬度、强度、韧度和耐磨性的主要指标。故工具钢刀具常用红硬性(加热4h仍能保持58HRC时的温度值即为红硬性)来表示。例如，高速钢的红硬性为550℃～650℃，即在此温度下，高速钢仍能保持或基本保持常温时的切削性能指标，硬质合金约为900℃。作为刀具材料除具备上述性能外，还应具备一定的可加工性能，如切削加工性、磨削性、焊接性能、热处理性能、高温塑性等。(二)刀具材料类型1.高速钢高速钢是在高碳钢中加入W，Cr，V，Mo等合金元素，与C生成碳化物而制成的。加入合金元素后，细化了晶粒，提高了合金的硬度。一般高速钢的淬火硬度可达63～67HRC。红硬性可达550℃～660℃。切削速度vc可比合金工具钢提高1～2倍。高速钢具有较高的强度，在所有刀具材料中它的抗弯强度和冲击韧度最高，是制造各种刃形复杂刀具的主要材料。就其性能用途，高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢两类。2.硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物和金属黏结剂(如Co，Ni，Mo等)，经过高压成型，并在1500℃左右的高温下烧结而成。硬质合金的硬度高达89～95HRA，耐磨性、耐热性很好，耐热温度可达800℃～1000℃。其缺点是抗弯强度低、脆性大、怕振动、怕冲击、制造工艺差。硬质合金刀具的加工效率非常高，切削速度可达100m/min以上，能够切削淬火钢等硬材料。(三)其他刀具材料或超硬刀具材料1.陶瓷2.金刚石3.立方氮化硼二、切削力和影响切削力的因素(一)切削力如图12.8所示，直角自由切削时，作用在前刀面上有弹、塑性变形抗力Fnr和摩擦力Ffr，作用在后刀面上的力有弹、塑性变形抗力Fna和Ffa它们的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处。直角非自由切削时，由于副切削刃的影响，使直角自由切削时的F，改变了方向。为了便于测量和应用，将合力分解为三个互相垂直的分力Fc，Fp和Ff。图12.8切削力的来源和分力1.主切削力Fc主切削力Fc是指垂直于基面，与主切削速度方向一致的分力。它是最大的一个分力，是设计及使用刀具、计算机床功率和设计主传动系统的主要依据，也是夹具设计及切削用量选择的依据。2.吃刀抗力Fp吃刀抗力Fp是指在基面内，与进给方向相垂直，即沿吃刀方向上的分力。吃刀抗力Fp影响工艺系统的变形，会引起工艺系统振动，影响加工表面质量。3.进给抗力Fr进给抗力Fr在基面内，与进给运动方向相平行，即沿进给方向上的分力。它是验算机床进给系统临界强度的依据。(二)影响切削力的因素1.工件材料工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切屈服强度τs越大，虽然变形系数ξ有所下降，但单位切削力增大。强度、硬度相近的材料，若其塑性或韧性越大，切屑越不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增加，切削力越大，如不锈钢1Cr18Ni9Ti与45钢强度接近，但其韧性高45钢4倍，相同条件下，其切削力要高25%。对于脆性材料，