太原理工金属工艺学chapter5

第五篇切削加工•切削加工――用切削刀具，在工具（刀具）与工件的相对运动中，切除工件上的多余材料，得到预想的工件形状、尺寸和表面质量的加工方法。•分机加工和钳工，机加工是工人操作机床完成，这是我们主要研究的。钳工是工人用手持工具来加工的，在某些场合下，钳工加工还是非常经济和方便的。•目前绝大多数零件的质量还要靠切削加工的方法来保证。金属切削的基础知识第一章典型表面加工分析精密加工和特种加工简介常用加工方法综述金属切削机床的基本知识第三章第四章第五章第二章一、零件表面的形成及切削运动§1-1切削运动及切削要素1．主运动―――主要完成切削的动，消耗功率最多，一种加工主运动只有一个。（）；2．进给运动――使切削加工保持连续进行，一种加工可以有一种（或以上）的进给运动。（）（进给运动可以是连续的也可以是间歇的）实际的切削运动是一个合成运动。合成切削速度：是矢量和。cfecf二、切削用量1.切削速度Vc――选定点的主运动速度（m/s或m/min）,车削时一般算工件最大切削直径处的线速度。2．进给量f――刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，车削时为（mm/r）；刨削时为（mm/str），其他切削加工也可以用进给速度（mm/s、mm/min、m/min），和每齿进给量（mm/z）来衡量。3．背吃刀量ap（切削深度）――垂直与进给速度方向测量的切削层最大尺寸（mm）。三、切削层参数（如上页图）1．切削厚度hD――垂直与切削刃的方向上度量的切削层截面的尺寸。（mm）2．切削宽度bD――沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。(mm)3．切削面积AD――给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的横截面积。()2mmDpDDAfabh一、刀具材料1.对刀具材料的基本要求（1）高硬度刀具材料的硬度必须高，一般其常温硬度要求在62HRC以上。（2）足够的强度和韧度以承受很大的切削力、冲击与振动。（3）高耐磨性以抵抗切削过程中的剧烈磨损，保持刀刃锋利。一般情况，材料的硬度愈高，耐磨性愈好。（4）高的耐热性刀具材料应在高温下仍能保持较高硬度，又称为红硬性或热硬性。（常用刀具材料的耐热性见图1－3，耐热性是衡量刀具材料性能的主要指标，它基本上决定了刀具允许的切削速度。）（5）良好的工艺性以便于刀具制造，具体包括锻造、轧制、焊接、切削加工、磨削加工和热处理性能等。§1－2刀具材料及刀具结构图1－3常用刀具材料的耐热性2.常用刀具材料种类常用牌号主要性能主要应用碳素工具钢含碳量较高的优质碳钢T8A、T10A、T12A淬火后硬度高（达63～65HRC）、价廉，但耐热性差（200℃以下）制造小型、手动和低速切削工具，如手用锯条和锉刀等合金工具钢碳素工具钢中加入少量Cr、Si、W、Mn等元素9SiCr、CrWMn、CrW5、GCr15淬透性、耐热性（220～250℃）有所提高，热处理变形小，制造手用铰刀、圆板牙、丝锥、刮刀等高速钢含Cr、W、V等元素较多的合金工具钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2它的耐热性大大提高（540～650℃），从而耐磨性也有所提高，强度、韧度和工艺性都较好广泛用于制造较为复杂的各种刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀和齿轮刀具等，也可用以制作车刀、刨刀等简单刀具。硬质合金钨钴类【由WC和Co组成】以高硬度、高熔点的金属炭化物（WC、TiC等）作基体，以Co等为粘结剂的粉末冶金制品YG3、YG6、YG8(数字表示含钴量的百分数)【相当于ISO标准的K类】其相对塑韧性好，但切削塑性材料时耐磨性差，Co含量少的，相对较脆、较耐磨适用于加工铸铁、青铜等脆性材料钨钴钛类【由WC、TiC和Co组成】YT5、YT15、YT30(数字表示TiC含量的百分数)【相当于ISO标准的P类】其耐热性，耐磨性均优于YG类，但韧性较差。TiC含量愈多，则耐热性、耐磨性愈高，韧性愈小。适用加工一般钢件钨钛钽（铌）钴类【由WC、TiC、TaC（NbC）和Co组成】YW1、YW2【相当于ISO标准的M类】兼有YG、YT类的大部分优良性能，被称为通用合金，但价高既可加工铸铁也可加工钢，适合耐热钢、高锰钢和不绣钢的加工陶瓷材料，它通常制成刀片陶瓷刀片硬度高，耐磨性好，耐热性高，许用的切削速度较高，且价廉，它的主要缺点是性脆，怕冲击，抗弯强度低，在加入各种金属元素制成“金属陶瓷”后，其抗弯强度可大大提高可用于切削高硬度等难加工材料的精加工3．其他新型刀具材料简介高硬度、高强度、高韧性、高耐热性等难加工材料的不断增多，要求刀具材料也不断改进与创新，而且新材料的引入和原有材料的改进是刀具改革的根本方向。（1）高速钢的改进:添加新元素，提高其硬度和耐热性（如加Al）;或细化其晶粒，消除碳化物偏析。（2）硬质合金的改进：添加合金成分（如TaC或NbC）来细化其晶粒，提高其强度和韧性；或采用涂层刀片（涂TiC或TiN），提高其表层的耐磨性。（3）人造金刚石：硬度极高，可制成刀具或砂轮，可加工硬质合金、陶瓷、玻璃和有色金属及其合金，但不宜加工铁族金属。（4）立方氮化硼（CBN）：高硬度、耐热、稳定性都高于金刚石。能加工铁族金属，但较脆。二、刀具角度以车刀为例说明刀具的切削部分的结构要素和几何角度。1．刀具切削部分的组成外圆车刀由三个刀面，两条切削刃和一个刀尖组成（图1－4）。（1）前刀面――刀具上切屑流过的表面（）。（2）后刀面――刀具上与过渡表面相对的是主后刀面()。与已加工表面相对的是副后刀面()。（3）切削刃――前刀面与主后刀面相交形成的交线称为主切削刃（），它完成主要的切削工作。前刀面与副后刀面相交形成的是副切削刃()它完成部分的切削工作并最终形成己加工表面（4）刀尖――主、副切削刃的连接部位。ArAs'A's图1－4外圆车刀2．车刀切削部分的主要角度（1）刀具静止参考系――选定适当组合的基准坐标平面作为参考系。用于定义刀具设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系，称为刀具静止参考系。①基面――过切削刃选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面（Pr）；②切削平面――过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面，主切削平面（Ps），副切削平面（P´s）；③正交平面――过切削刃选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面（Po）；④假定工作平面――过切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面（Pf）。3.车刀的主要角度为确定刀具的主要角度，须建立三个相互垂直的参考平面构成的静止参考系。(1)建立车刀静止参考系基面切削平面正交平面υc1)基面通过切削刃选定点的平面，它平行刀具安装的一个平面，其方位要垂直于主运动方向。υc2)切削平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面的平面。υc正交平面切削平面基面3)正交平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。前角γ0基面投影线前刀面投影线在正交平面内测量，前刀面与基面之间的夹角。1)前角γ0υc(2)车刀切削部分的主要角度前角越大刀刃越锋利在-50~250内选取，粗加工取小，精取大已加工表面质量越好主切削刃强度越低，易崩刃切削平面投影线主后刀面投影线后角α0在正交平面内测量，主后刀面与切削平面之间的夹角。2)后角α0υc作用：减小后刀面与已加工表面之间的摩擦;它和前角一样影响刃口的强度和锋利程度。后角应在60~120内选取;粗加工取小，精加工取大。3)主偏角κr主切削平面与假定工作平面之间的夹角。主偏角κr主偏角κr减小，主切削刃参加切削的长度增加，刀具磨损减慢，但作用于工件的径向力会增加。常用刀具的主偏角κr有450、600、750、900。4)副偏角κr’副切削平面与假定工作平面之间的夹角。副偏角可减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，减小已加工表面的粗糙度。副偏角一般为50～150副偏角κr’基面投影线主切削刃刃倾角λs刀尖为切削刃最高点时为正，反之为负。刃倾角一般–50～505)刃倾角λs在切削平面中测量，主切削刃与基面的夹角。刃倾角可控制切屑流出方向和刀头强度。υc（2）车刀的主要标注角度及选择要点――在车刀设计、制造、刃磨和测量时，必须确定的角度。①前角γo――前刀面与基面之间的夹角。增大前角，使主切削刃锋利，减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃很脆弱，易产生崩刃。前角有正与负（如图）的区分。②后角αo――主后刀面与切削平面之间的夹角。后角的主要作用是减少刀具后刀面与工件表面间的摩擦和后刀面的磨损，并配合前角影响切削刃的锋利和强度。③主偏角Κr――主切削刃和假定进给方向在基面（Pr）上投影的夹角。主偏角的大小影响切屑断面形状和切削分力的大小。有时主偏角也根据工件加工形状来定。④副偏角Κ´r――副切削刃和假定进给的相反方向在基面Pr上投影的夹角。副偏角的主要作用是减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，减少刀具磨损和防止切削时产生振动。减小副偏角可减小切削残留面积，降低己加工表面的粗糙度（如图）⑤刃倾角λs――在主切削平面（Ps）里测量的主切削刃与基面间的夹角。它与前角类似，也有正、负和零值之分（如图）。刃倾角主要影响刀头的强度、切削分力和排屑方向。选择刀具几何角度时，应遵循“锐字当先，锐中求固”原则。即将刀具锋利放在第一位，同时保证刀具有一定的强固。国内外先进刀具在角度的变革方面，大致有“三大一小”的趋势，即采用大的前角、刃倾角和主偏角，采用小的后角。（3）车刀的工作角度――是在工作参考系中定义的角度。①刀尖安装高低的影响车外圆时若刀尖高于工件的回转轴线（图1－10a）），则工作前角γoe＞γo，工作后角αoe＜αo；若刀尖低时（图1－10c））则反之。②刀杆中心线安装偏斜的影响当刀杆中心线与进给方向不垂直时，工作主偏角Κr和工作副偏角Κ´r将发生变化（见下左图）。右下图是横向进给对前角和后角的影响③进给运动对工作角度的影响通常进给量不大时，角度的变化常可忽略，但在快速切断和车丝杆、蜗杆和多头螺纹时，必须考虑进给运动对工作角度的变化。三、刀具结构车刀按结构分类，有整体式、焊接式、机夹式和可转位式四种型式（见图）。（它们的特点与常用场合见表1－2。）表1－2车刀结构类型、特点与用途名称特点适用场合整体式用整体高速钢制造,刃口较锋利,但价高的刀具材料消耗较大小型车床或加工有色金属焊接式焊接硬质合金或高速钢于预制刀柄上,结构紧凑,刚性好,灵活性大。但硬质合金刀片经过高温焊接和刃磨，易产生内应力和裂纹各类车刀机夹式避免了焊接式的缺陷,刀杆利用率高。刀片可集中精确刃磨,使用灵活。但刀具设计制造较为复杂外圆、端面、镗孔、割断、螺纹车刀。大刃倾角、小后角刨刀等可转位式不焊接、刃磨,刀片可快换转位,生产率高。可使用涂层刀片,断屑效果好。刀具已标准化，方便选用和管理大中型车床、特别适用自动、数控车床与加工中心等§1－3金属切削过程一、切屑的形成及种类（一）切屑的形成过程切削区划分为三个变形区，如图：1第Ⅰ变形区：主要发生塑性材料的剪切滑移变形。金属材料的变形程度、切削力、切削热的大小和切屑形态等，主要决定于该区的状况。在切削速度较大时，该区就逐渐变窄成一个面（图中OM面），通常OM面的位置就反映了金属变形程度。2第Ⅱ变形区：发生刀具前刀面的磨损和积屑瘤现象。3．第Ⅲ变形区：影响刀具后刀面的磨损以及已加工表面的质量（包括加工硬化、表面纤维化等）。（二）切屑的种类工件材料的塑性不同、刀具的前角不同或采用不同的切削用量等，会形成不同类型的切屑，同时也反映了对切削加工的不同影响。常见的切屑种类有以下几种（见图）1．带状切屑：其特征是连绵不断，底部很光滑。这时切削力稳定，加工表面较光洁。精加工时出现这种切屑较为理想，但必须采取断屑措施。2．挤裂切屑：切屑的背面呈锯齿形，底面有时出现裂纹，这时表明材料的剪切滑移量较大，使切屑材料局部地方加工硬化严重，达到了断裂强度。此时切削力波动较大，已加工表面粗糙度大，粗加工时才允许出现。3．崩碎切屑：切屑为不规则的碎块状，这时工件已加工表面凹凸不平。已加工表面质量差。在切削铸铁和黄铜等脆性材料时会产生。二、积屑瘤（一）积屑瘤的现象在一定条件下切削塑性金属时，常发现刀具前刀面靠近切削刃的部位，粘