切削加工工艺理论基础

5第2章切削加工工艺理论基础2.1切削加工概述2.1.1切削加工的地位和种类切削加工是利用切削刀具从工件(毛坯)上切去多余的材料，使零件具有符合图样规定的几何形状、尺寸和表面粗糙度等方面要求的加工过程。1.切削加工的地位机械加工中的切削加工，在机械制造过程中所占比重最大，用途最广。目前，机械制造业中所用的工作母机有80％～90％仍为金属切削加工机床。切削加工在模具制造中处于十分重要的地位。2.切削加工的分类切削加工可分为钳工和机械加工(简称机工)两部分。（1）钳工钳工主要是在钳工台上以手持工具为主，对工件进行加工的切削加工方法。其主要工作内容有划线、用手锯锯削、用錾子錾削、用锉刀锉削、用刮刀刮削、用钻头钻孔、用扩孔钻扩孔、用铰刀铰孔，此外，还有攻螺纹、套螺纹、手工研磨、抛光、机械装配和设备修理等。（2）机械加工机械加工是在机床上利用机械力对工件进行加工的切削加工方法。其主要方法有车、钻、镗、铣、刨、拉、插、磨、珩磨、超精加工和抛光等。随着加工技术的现代化，越来越多的钳工加工工作已被机械加工所代替，同时，钳工自身也在逐渐机械化。但是，在模具制造与装配中，由于钳工加工灵活、方便，所以在切削加工行业中仍占有一席之地。2.1.2切削加工的特点和发展方向1.切削加工的主要特点（1）切削加工获得零件的几何精度变化范围广泛，可以适应不同层次的需要，这是其他加工方法难于达到的。加工精度范围一般为：1）尺寸精度一般在IT5～IT10；2）表面粗糙度一般在Ra25～0.008μm以内；3）形状精度、位置精度选择好工艺路线和工装，可以达到与尺寸精度相适应的形状和位置精度。（2）切削加工零件的材料、形状、尺寸和重量的适应范围很大。主要表现为：1）材料可以是金属材料，也可以是非金属材料；2）可以是形状较复杂的零件；3）零件的尺寸大小一般不受限制；4）重量的适用范围很广，可以重达数百吨，轻的只有几克，如微型仪表零件。（3）切削加工的生产率较高，一般高于其他加工方法。2．切削加工的发展方向目前，切削加工正朝着高精度、高效率、自动化、柔性化和智能化方向发展。（1）加工设备朝着高精度、高速度、自动化、柔性化和智能化方向发展。加工中心、自适应控制系统、直接数字控制系统(即：计算机群控系统)、柔性制造系统等的出现，以及误差自动化补偿的问世，已揭开了切削加工发展的前幕，在精度上向原子级加工逼近。（2）刀具材料朝着超硬方向发展，陶瓷、聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料将被普遍应用于切削加工，使切削速度迅速提高到每分钟数千米。（3）生产规模由目前的小批量和单品种大批量向多品种变批量方向发展。6（4）切削加工将被融合到计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)、计算机集成制造系统(CIMS)等高新技术和理论中。实现设计、制造和检验(CAT)与生产管理等全部生产过程自动化。2.1.3工件加工所需的运动和切削用量1.工件加工所需的运动(1).切削运动在金属切削加工中，获得所需表面形状，并达到工件的尺寸要求，是通过切除工件上多余的金属材料来实现的。切除多余金属材料时工件和刀具之间的相对运动，称为切削运动。图2-1所示为钻、车、刨、铣、磨、镗削的切削运动。根据切削运动在切削加工中的功用不同，可分为主运动(cv)和进给运动(fv)。a—钻削b—车削c—刨削d—铣削e—磨削f—镗削图2-1常见几种加工方法的切削运动①主运动cv主运动是刀具和工件产生主要相对运动以进行切削金属层，形成加工表面必不可少的最基本、最主要的运动。通常它的速度最高，消耗机床动力最多。一般机床的主运动只有一个。如车削、镗削加工时工件的回转运动，铣削和钻削时刀具的回转运动，刨削时刨刀的直线运动等都是主运动。②进给运动fv进给运动是新的切削层金属不断投入切削的运动。进给运动与主运动配合即可连续地或断续地切除切削层，并得出具有所需几何特性的加工表面。通常它消耗动7力比主运动小得多，可由一个(如车削)、或多个运动(如外圆磨削)组成。根据刀具相对于工件被加工表面运动方向的不同，进给运动分为纵向进给、横向进给、圆周进给、径向进给和切向进给运动等。此外，进给运动也可以分为轴向(钻床)、垂直和水平(铣床)方向进给运动。进给运动可以是连续的(如车外圆时车刀的纵向运动)，也可以是周期间断的(如刨削时工件的横向移动)。主运动可以由工件完成(如车削)，也可以由刀具完成(如钻削、铣削)。进给运动也同样可以由工件完成(如刨削、磨削)或刀具完成(如车削、钻削)。③合成切削运动当主运动和进给运动同时进行时，由主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动（图2-4a、b、d）。刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称为合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度。合成切削速度ev为同一选定点的主运动速度cv与进给运动速度fv的矢量和，即cv+fv=ev（2）辅助运动机床中除切削运动外，为完成机床工作循环，有时还需调整刀具切削刃与工件相对位置的运动和其他辅助动作，称为辅助运动。如：刀架、工作台的快速接近或退出工件、工件或刀具回转的分度运动、刀具的快速移动及变速、换向、启停等操纵及控制运动等等。2．切削用量和切削层参数（1）切削过程中的工件表面刀具和工件相对运动过程中，在主运动和进给运动作用下，工件表面的一层金属不断被刀具切下转变为切屑，从而加工出所需要的工件新表面，因此，被加工的工件上有三个依次变化着的表面，见图2-2所示。图2-2切削过程中工件上的表面①待加工表面工件上即将被切除的表面。②已加工表面已被切去多余金属而形成符合要求的工件新表面。③过渡表面加工时由切削刃在工件上正在形成的那部分表面，并且是切削过程中不断变化着的表面，它在待加工表面和已加工表面之间。（2）切削用量在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、工件结构、加工精度、刀具材料和其他技术经济要求，来选定适宜的切削速度cv、进给量f和背吃刀量pa值。切削速度cv、进给8量f和背吃刀量pa称之为切削用量的三要素。①切削速度cv切削刃相对于工件的主运动速度，称为切削速度，单位为m/s或m/min。当主运动为旋转运动时，切削速度可用公式计算：cv()sm601000×=ndp（2-1）式中d——切削刃上选定点处工件或刀具的最大直径（mm）；n——工件或刀具的转速，（r／s或r／min）。当主运动为直线往复运动（如刨削加工）时，其平均速度可用公式计算：cv()sm6010002×=rLn（2-2）式中L——行程长度，单位为mm；rn——冲程次数，单位为r/min。在转速n值一定时，切削刃上各点的切削速度cv不同；考虑到刀具的磨损和已加工表面质量因素，计算时取最大切削速度。如车外圆时，计算待加工表面速度；钻削时计算钻头外径处的速度。当主运动为直线运动时，切削速度是刀具相对于工件的直线运动速度。②进给量f刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量称进给量。当主运动是回转运动时(如车削、钻削、磨削等)，进给量指工件或刀具每转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm／r；当主运动为往复直线运动时(如刨削)，进给量指刀具或工件每往复一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位是mm／每双行程，或mm／每单行程。铣削、绞削时，由于刀具为多齿刀具，还用每齿进给量zf表示，单位是mm／每齿。它与进给量的关系为：f=zfz进给速度vf为vf=f·n(mm/min)③背吃刀量（切削深度）pa背吃刀量pa是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上测量的工件上已加工表面和待加工表面间的距离，单位为mm。外圆车削的背吃刀量是工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离（参见图2-3），单位为mm。主运动是回转运动时：2pmwdda-=(mm)（2-3）式中wd——工件上待加工表面直径（mm）；md——工件上已加工表面直径（mm）。主运动是直线运动时：pamHwH-=(mm)式中wH——工件上待加工表面厚度（mm）；mH——工件上已加工表面厚度（mm）。9图2-3外圆车削时的切削用量（3）切削层参数以车削加工为例，如图2-4所示，工件每转一转，车刀沿工件轴线移动一段距离，即进给量f(单位为mm／r)。这时，切削刃从加工表面Ⅰ的位置移至相邻的加工表面Ⅱ的位置上，于是，Ⅰ、Ⅱ之间由车刀切削刃切下的一层金属称为切削层。在与切削速度方向相垂直的切削层截面内度量的切削层的尺寸称为切削层参数。图2-4外圆车削时的切削层参数切削层的参数有以下几个：1．切削层的公称厚度Dh过切削刃上选定点，在基面内测量的垂直于加工表面的切削层尺寸(单位为mm)。纵车外圆时，如车刀主切削刃为直线Dhrkfsin=（2-4）2．切削宽度Db过切削刃上选定点，在基面内测量的平行于加工表面的切削层尺寸(单位为mm)。纵车外圆时，如车刀主切削刃为直线Dbrpsinka=（2-5）可见，在f和pa一定的条件下，主偏角rk越大，切削层的公称厚度Dh也越大，但切削10宽度Db越小；反之亦然。当rk=90º时，Dh=f，bD=ap。3．切削面积DA过切削刃上选定点，在基面内测量的切削层的横截面面积(单位为mm2)。对于车削，不论切削刃形状如何，切削面积均为：DA=DhDb=fpa（2-6）2.1.4金属切削刀具基础1.刀具的组成切削刀具的种类繁多，结构各异，但是各种刀具的切削部分的基本构成是一样的。其中外圆车刀是最基本、最典型的刀具，其它各种刀具（如刨刀、钻头、铣刀等）切削部分的几何形状和参数，都可视为以外圆车刀为基本形态而按各自的特点演变而成。普通外圆车刀的构造如图2-5所示。其组成包括刀柄部分和切削部分（又称刀头）。刀柄是车刀在车床上定位和夹持的部分。切削部分一般有三个表面、两个刀刃和一个刀尖组成，可简称为三面、两刃、一尖。图2-5外圆车刀切削部分的组成切削部分的组成要素如下：（1）三个表面①前刀面gA刀具上切屑流过的表面。②主后刀面aA刀具上与加工表面相对的表面。③副后刀面aA′刀具上与已加工表面相对的表面。（2）两个刀刃①主切削刃S前刀面与主后刀面的交线，在切削过程中承担主要的切削工作。②副切削刃S′前刀面与副后刀面的交线，在切削过程中参与部分切削工作，最终形成已加工表面，并影响已加工表面粗糙度的大小。（3）一个刀尖刀尖是主切削刃和副切削刃连接处的一部分切削刃，常指它们的实际交点。在实际刀具上常见的刀尖结构类型如图2-6所示，它分为修圆刀尖和倒角刀尖两类。11(a)—切削刃的实际交点(b)—修圆刀尖(c)—倒角刀尖图2-6刀尖的类型2.刀具的几何参数为定量地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。度量刀具几何参数的参考系分为两类——刀具的标注角度参考系和刀具的工作角度参考系。（1）刀具标注角度的参考系及刀具的标注角度①刀具标注角度的参考系刀具标注角度的参考系用于定义刀具的设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系。刀具标注角度参考系的确定有两个假定条件：a.假定运动条件：不考虑进给运动的大小，只考虑其方向。这时合成运动的方向就是主运动方向；b.假定安装条件：刀具的安装定位基准与主运动方向平行或垂直，刀柄的轴线与进给运动方向平行或垂直。在此前提下，基面是与主运动方向垂直的平面，对车刀来讲，基面与刀柄的底面平行。切削平面与切削刃相切，与主运动方向相平行。刀具标注角度的参考系如图2-7所示，它有下列几个参考坐标平面组成：a.正交平面参考系：由基面rp、切削平面sp、正交平面op组成的正交坐标系。基面rp：通过切削刃上选定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。切削平面sp：通过切削刃上的选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面。它包含切削速度方向，切于工件上的过渡表面。正交平面op：通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。b.法平面参考系：由基面rp、切削平面sp、法平面np组成的非正交坐标系。法平面坐标系可由正交平面坐标系转动一定角度得到。12图2-7刀具标注角度参考系法平面np：通过切削刃上的选定点，垂直于切削刃在该点的切线的平面。实际是以主切削刃为法线的平面，主切削刃非水平，因此法平面非铅垂。c