机械切削加工基础

第4章机械切削加工基础知识4.1切削加工成形过程的基础知识机械加工及设备4.1.1切削加工的概念及分类切削加工的概念切削加工是指用切削刀具从工件上切除多余的材料，使工件的几何形状、尺寸和表面质量达到设计要求的过程。车削加工铣削加工图4-1切削加工图切削加工的分类按工艺特征车削铣削钻削镗削刨削磨削拉削滚削…vssvsvvsvs1s2(a)车削(b)铣削(c)钻削(d)镗削(e)刨削(f)磨削sv4.1.1切削加工的概念及分类切削加工的分类按切除率和精度粗加工半精加工精加工超精密加工光整加工4.1.1切削加工的概念及分类切削加工的分类按表面形成方法刀尖轨迹法成形刀具法相切法展成法工件车刀工件成型车刀工件刀具工件刀具(a)轨迹法(b)成形法(c)相切法(d)展成法图4-2表面成形方法4.1.1切削加工的概念及分类零件表面的切削成形原理母线轨迹母线母线母线母线轨迹轨迹轨迹轨迹(a)圆柱面(b)圆锥面(c)平面(d)旋转曲面(e)曲面图4-3表面成形原理图通过母线沿着轨迹线的运动进行零件表面成形的。4.1.2切削运动切削运动（Cuttingmotion）切削运动是指在切削加工中刀具与工件间的相对运动，即表面成形运动。切削运动通常分为主运动和进给运动两种。主运动进给运动工件刀具图4-4螺纹的车削运动4.1.2切削运动◆主运动主运动是指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用v(m/s)表示。图4-5外圆面的车削运动待加工表面v过渡表面已加工表面主运动f进给运动主运动是切削运动中速度最高，消耗功率最大的运动；主运动只有一个；可以是刀具或工件的运动；可以是直线或旋转运动。4.1.2切削运动◆进给运动进给运动是指不断把余量投入切削的运动。其速度用进给量f（mm/r）或进给速度vf（mm/min）表示。进给运动可以是一个或几个；可以是刀具或工件的运动；可以是直线或旋转运动。主运动进给运动fv过渡表面已加工表面待加工表面图4-6平面的刨削运动4.1.2切削运动常见表面成形加工的运动4.1.2切削运动外圆磨无心磨铣削加工滚压加工铣削成形磨（横磨）主运动进给运动表4-1外圆表面加工方法刀具T/RT主运动进给运动工件表面成形原理图RRRRRTRRT/R车削成形车削拉削研磨T表4-2内圆表面加工方法表面成形原理图钻扩铰镗拉挤行星式内圆磨主运动刀具主运动进给运动工件RRTRRT/RTTRTT内圆磨无心磨进给运动4.1.2切削运动表4-3平面加工方法主运动进给运动刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTTTT刨插周铣端铣平磨端面平磨车拉TR4.1.2切削运动表4-4螺纹加工方法刀具工件滚压车螺纹板牙主运动进给运动主运动进给运动表面成形原理图RTRRTTR丝锥铣螺纹梳形铣刀旋风铣磨螺纹RR4.1.2切削运动4.1.2切削运动表4-5齿形加工方法主运动进给运动刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RRRTTR/TRRR/T铣齿指状铣刀铣齿成形磨齿滚齿剃齿插齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿R4.1.3切削要素工件上的表面图4-7工件上的表面(a)车加工表面(b)镗加工表面待加工表面已加工表面过渡表面fv待加工表面过渡表面已加工表面vf待加工表面：工件上有待切除的表面；已加工表面：工件上刀具切削后形成的表面；过渡表面：工件上正在被切除材料的表面。4.1.3切削要素切削用量切削速度vc：单位时间内，工件和刀具在主运动方向上，相对移动的距离。（Cuttingspeed）单位为m/s，或m/min旋转运动：1000nDvc式中n—主运动转速（r/s）；D—刀具或工件的直径（mm）。往复运动：10002rcnlv式中nr—主运动每秒钟往复次数（str/s）；l—往复运动单行程长度（mm）。4.1.3切削要素切削用量进给量f：工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离。（Feed）进给速度vf(mm/min)（Feedspeed）每转进给量f(mm/r)（Feed）每齿进给量fz(mm/z)（Feedpertooth）切削深度ap：工件上待加工表面与已加工表面之间的距离。(Cuttingdepth，Backengagementofthecuttingedge)车外圆时：2pdDa式中D—工件待加工表面的外径(mm)；d—工件已加工表面的外径(mm)。4.1.3切削要素切削层参数bD﹦ap/sinκr切削层公称宽度bD：沿过渡表面测量的切削层尺寸。(Nominalwidthofcut)过渡表面待加工表面已加工表面图4-8车削要素图4.1.3切削要素切削层参数切削层公称厚度hD：垂直于过渡表面测量的切削层尺寸。(Nominalthicknessofcut)待加工表面过渡表面已加工表面图4-8车削要素图hD﹦f·sinκr4.1.3切削要素切削层参数AD﹦hD·bD=ap·f切削层公称横截面积AD：切削层横截面积。(Nominalcross-sectionalareaofthecut)过渡表面待加工表面已加工表面图4-8车削要素图AD第4章机械切削加工基础知识4.2机械制造工艺过程（该节不讲）机械加工及设备4.2.1机械加工工艺过程及其组成φ20±0.072×10.8图4-9阶梯轴φ32φ40φ25±0.07φ350-0.0170.80.8354030550150其余倒角1×45°3.22×1工序——是指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分机械加工工艺过程。工序是工艺过程的基本单元，又是生产计划和成本核算的基本单元，工序的安排与零件的生产批量有关。4.2.1机械加工工艺过程及其组成安装——在一道工序中，工件每经一次装夹后所完成的那部分工序称为安装。Vf图4-10车削加工过程图工位——工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序称为工位。21341-装卸工件；2-钻孔；3-扩孔；4-绞孔图4-11多工位加工4.2.1机械加工工艺过程及其组成4.2.1机械加工工艺过程及其组成工步——指在加工表面不变、切削刀具不变的情况下所连续完成的那部分工序。（在一个工步内，若有几把刀具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步）走刀——同一加工表面加工余量较大，可以分作几次工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。a）立轴转塔车床的一个复合工步b）钻孔、扩孔复合工步图4-12复合工步4.2.2机械装配工艺过程机械装配工艺过程将组成机器的零、部件按一定的精度要求和技术条件连接与固定在一起，构成合格机械产品的过程。机械装配工作包括：组装、部装、总装、调试、检验、试车、涂装与包装等。装配工序、工步和操作装配工序——在一个工作地点，由一个或一组工人所连续完成的那一部分装配工作；装配工步——装配工序的组成部分，在装配工步中，装配对象、装配工具和装配方法均不改变；装配操作——装配工步中各个装配动作。第4章机械切削加工基础知识4.3切削刀具机械加工及设备4.3.1刀具结构车刀外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。车刀的切削部分由3个刀面(前刀面、主后刀面和副后刀面)，2个刀刃(主切削刃和副切削刃)和1个刀尖组成。(a)焊接式车刀(b)整体式车刀(c)机夹式车刀图4-12车刀的结构前刀面主后刀面副后刀面主切削刃副切削刃刀尖“3面”“2刃”“1尖”4.3.1刀具结构刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图4-13各种刀具切削部分的形状4.3.2刀具几何角度刀具标注角度坐标系（主剖面坐标系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面PoA1)基面Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。切削平面Ps基面Pr图4-14车刀主剖面坐标系2)切削平面Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3)主剖面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。4.3.2刀具几何角度(1)前角γo在主剖面内测量，前刀面与基面的夹角。基面位于刀头实体之外时γo定为正值；位于刀头实体之内时γo定为负值。γo影响切削难易度。增大前角可使刀具锋利,但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。Aκr′A向f图4-15车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ0刀具标注角度用硬质合金车刀切削钢件，γo取10～20°；切削灰铸铁，γo取5～15°；切削铝及铝台金，γo取25～35°；切削高强度钢，γo取-5～-10°。4.3.2刀具几何角度Aκr′A向f图4-15车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs(2)后角αo后角αo在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面间的摩擦，以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。α0粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为4°～6°；精加工时切深小，为保证表面加工质量，后角可选大一些，一般为8°～12°。4.3.2刀具几何角度主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°几种。(3)主偏角κr在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与进给方向的夹角。κr影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削长度增加，负荷减轻，增强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。κr还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。Aκr′A向f图4-15车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr4.3.2刀具几何角度κr′AA向f图4-15车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs(4)副偏角κr′κr′在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。κr′在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。4.3.2刀具几何角度(5)刃倾角λs：在切削平面内测量的主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,λs0；反之λs0。λs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，λs常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，λs常取正值或零。图4-16刃倾角对排屑方向的影响λs0λs0λs=04.3.2刀具几何角度刀具工作角度刀具安装高度对工作角度的影响图4-17车刀安装高度对工作角度的影响(a)刀尖在中心点上α0e=α0α0e＜α0(b)刀尖在中心点上方α0e＞α0γre＞γr(c)刀尖在中心点下方γre＜γrγre=γr4.3.3刀具材料对刀具切削部分材料的要求(1)高的硬度和耐磨性；(2)足够的强度和韧性；(3)较好的热硬性；(4)良好的工艺性；(5)经济性。4.3.3刀具材料刀具材料的发展图4-18刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼(PCBN)陶瓷聚晶金刚石（PCD）4.3.3刀具材料常用的刀具材料◆高速钢(highspeedsteel,HSS)高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点(1)强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍；(2)韧性高，比硬质合金高几十倍；(3)硬度HRC63以上，且有较好的耐热性；(4)可加工性好，热处理变形较小。应用常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。表4-6常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4