切削加工基础知识

切削加工基础知识切削加工基础知识1.1切削加工概述1.2刀具与刀具切削过程1.3磨具与磨削过程1.4普通切削加工方法综述1.5常见表面加工分析1.1切削加工概述切削加工是利用切削工具从工件上切除多余材料,使工件获得符合图样要求的形状、尺寸以及表面质量的加工方法.切削加工（Cutting）是指采用具有规则形状的刀具从工件表面切除多余材料，从而保证在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度以及表面层质量等方面均符合设计要求的机械加工方法。切削加工基本概念1.1.1切削加工的分类•钳工–工人手持工具对各种工件所进行的切削加工–锯切、钻孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹、挫削、刮削和研磨等–工件的划线、机器的装备及设备的维修•机械加工–利用机械力对各种工件所进行的切削加工–车削、钻削、镗削、刨削、拉削、铣削、磨削、珩磨、超精加工和抛光1.1.2零件表面的分类和成形原理1.几何表面的形成原理圆锥面圆柱面平面成形表面任何一个零件都是由若干个基本表面组成的组成零件的基本表面主要有发生线2.发生线的形成•加工表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合.•加工表面形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需的相对运动的组合.3.加工表面的形成方法1.1.3切削运动和切削用量1.切削运动加工过程中工件与刀具间的相对运动，从而切除多余金属，使工件获得所需要求的形状和精度车外圆切槽割断车螺纹速度最高必有且只有一个消耗功率最大形式为旋转或直线往复主运动切除工件多余金属、形成工件新表面所必不可少的基本运动主运动的特征车削主运动是工件的旋转运动铣削和钻削运动是刀具的旋转运动磨削主运动是砂轮的旋转运动刨削主运动是刀具（牛头刨床）或工件（龙门刨床）的往复直线运动等进给运动使新的切削层金属间断或连续投入切削的运动进给运动的特征速度较低有0~n个耗功较少形式为旋转或直线往复可连续，也可步进车削进给运动是刀具的移动铣削进给运动是工件的移动钻削进给运动是钻头沿其轴线方向的移动内、外圆磨削进给运动是工件的旋转运动和移动以及砂轮的横向进给等•切削加工过程中的辅助运动切入运动空程运动分度转位运动送夹料运动机床控制台运动合成切削运动合成切削运动主运动和进给运动的合成运动合成切削运动的瞬时速度用矢量ve表示ve=vc+vf注意：刀刃上各点的合成速度矢量不一定相等2.工件上的加工表面待加工表面过渡表面已加工表面工件有待切除金属层的表面主切削刃正在切削着的表面工件经刀具切除多余金属层后形成的新表面工件上的表面切削加工过程中，工件上形成三个不断变化的表面包括切削用量和切削层横截面要素切削速度vc主运动的线速度，单位磨削速度用为m/s，其他加工的切削速度习惯用m/min切削要素切削用量三要素主运动是旋转运动时，切削速度计算公式为进给量f背吃刀量ap工件或刀具每转一周，刀具沿进给方向与工件的相对位移。单位是mm/r。工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离(主切削刃与工件过渡表面的瞬时接触长度在垂直于基点工作平面的方向上测量的大小)车削钻孔-2wmpdda2mpda切削层指刀具与工件相对移动一个进给量时，相邻两个加工表面之间的金属层切削层横截面要素切削层横截面尺寸切削层横截面三要素切削层公称宽度bD刀具主切削刃与工件的接触长度（切削刃上两个极限点间的距离）（bD=ap/sinkr）切削层公称厚度hD刀具或工件每移动一个进给量时，刀具主切削刃相邻的两个位置之间的垂直距离（hD=fsinkr）切削层公称横截面积AD切削层横截面的面积（AD≈bDhD=apf）1.2刀具与刀具切削过程刀具切削部分的结构要素任何刀具都由切削部分和夹持部分组成刀具切削部分的结构要素有三面二刃一尖1.2.1刀具的几何结构前刀面Aγ主后刀面Aα副后刀面Aα’主切削刃S副切削刃S’刀尖切屑流经的刀面和工件过渡表面相对的刀面和工件已加工表面相对的刀面前刀面与主后刀面的交线前刀面与副后刀面的交线主切削刃和副切削刃的交点或连接部位刀尖的形状刀具角度的参考系为了确定和测量各刀刃、各刀面的空间相对位置，必须建立用以度量各刀刃、各刀面空间位置的参考系建立参考系，必须与切削运动相联系，应反映刀具角度对切削过程的影响。参考系平面与刀具安装平面应平行或垂直，以便于测量1.2.2正交平面参考系•用来确定刀具几何角度的参考系有两类•区别在于：前者由主运动方向确定，而后者则由合成切削运动方向确定刀具标注角度参考系刀具工作角度参考系它是确定刀具在切削运动中有效工作角度的参考系1.2.2.1正交平面参考系过切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面过切削刃上选定点，垂直该点切削速度方向的平面过切削刃上选定点，既垂直于切削平面，又垂直于基面的平面切削平面（ps）基面（pr）正交平面(po)切削部分结构复杂车削有进给运动主切削刃不一定水平主切削刃各点切削速度不等车刀的静止参考系不考虑进给运动的影响车刀安装绝对正确刀刃选定点的切削速度方向与刀刃各处的平行建立车刀静止参考系的假设由此得到ps⊥pr；ps⊥po；pr⊥pops⊥pr,pr∥安装底面（基于3点假设）主切削刃、副切削刃各有一个切削平面和基面建立参考平面刀具的标注角度刀具在设计、制造、刃磨和测量时，都是用刀具静止参考系中的几何角度来标明切削刃和刀面的空间位置的，故这些角度称为刀具的标注角度（静态角度）常用的有5个（打√者）车刀的标注角度介绍几种标注方法车刀的标注角度车刀的标注角度√主偏角kr主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角√副偏角kr’副切削刃在基面上投影与进给运动反方向之间的夹角（或副切削刃在基面上投影与已加工表面之间的夹角）刀尖角εr主切削刃、副切削刃在基面上投影的夹角由上可知：kr+kr’+εr=180°√主前角γo基面与前刀面之间的夹角√主后角αo后刀面与切削平面之间的夹角楔角βo后刀面与前刀面之间的夹角。由上可知：βo=90-(αo+γo)规定：前面低于基面时，γo0；前面高于基面时，γo0。加工过程中，一般不允许αo0√刃倾角λs主切削刃与基面之间的夹角规定：刀尖为最高点时，λs0；刀尖为最低点时，λs0。•工作参考系与静止参考系的区别合成切削运动方向代替假定主运动方向实际进给运动方向代替假定进给运动方向实际安装条件代替假定安装条件刀具的工作角度按照刀具工作中的实际情况，在刀具工作参考系中确定的角度。进给运动对工作角度的影响|横车刀具工作角度的标注只需用工作坐标平面取代静止坐标平面即可切断工件时，切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，实际切削平面为过切削刃而切于螺旋线的平面，实际基面又始终与之保持垂直，因而切削时实际的前角、后角等都在发生变化设η为合成切削速度角则γoe=γo+ηαoe=αo-ηtanη=vf/vc=f/πdd随切削过程变化，越靠近中心，η越大，以致可能αoe0（挤压）进给运动对工作角度的影响|纵车•车外圆时，η=30’~40’，可忽略；车螺纹，尤其是车多头大螺距螺纹时，η很大，则不可忽略考虑进给运动的影响，工作基面pre和工作切削平面pse都倾斜一个η角。则γfe=γf+ηαfe=αf-ηη=tan-1(f/πdw)换算到正交平面系：则tanηo=tanη·sinkrγoe=γo+ηoαoe=αo–ηo刀具安装情况对工作角度的影响|刀尖高于工件中心线刀尖高于工件中心线则γpe=γp+θpαpe=αp–θp换算到正交平面系则γoe=γo+θαoe=αo–θoθo=tan-1(tanθp·coskr)当刀尖低于工件中心线时，计算公式θp符号相反镗内孔时与车外圆的计算公式θp符号正好相反注刀杆轴线与进给方向不垂直时，工作主偏角和工作副偏角将发生变化设G为进给方向垂线与刀杆中心线的夹角则Kre=Kr±GKre’=Kr’干G刀具材料指刀具切削部分的材料刀具材料的性能直接影响刀具使用寿命、生产率、加工质量和加工成本刀具的切削性能主要取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和结构尺寸1.2.3刀具材料刀具工作环境十分恶劣，因此刀具材料必须具备以下性能高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性高的耐热性较小的膨胀系数良好的导热性稳定的化学性能良好的抗粘结性能良好的工艺性能良好的经济性刀具材料应具备的性能要求刀具材料种类的发展史•刀具材料的种类很多，常用的有•目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。工具钢硬质合金陶瓷金刚石立方氮化硼包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢别称锋钢钨钢白钢高速钢高速钢的特点高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢具有高的强度和冲击韧性，刃磨时能获得锋利的刃口，故有“锋钢”之称具有较高的耐热性，可在550650℃的温度下进行切削加工分类按切削性能不同，高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢按制造方法不同，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢按化学成分不同，可分为钨系、钨钼系、钼系高速钢普通高速钢钨系高速钢钨系高速钢的典型牌号是W18Cr4V钨钼系高速钢钨钼系高速钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V含碳量0.7－0.8％，含钨量17.5－19％，含铬量3.80－4.4％，含钒量1.0－1.4％，含硅量小于0.4％，含锰量小于0.4％，含钼量小于0.3％。高性能高速钢在普通高速钢中加入一些其他合金元素（C、V、Co、Al），以提高其耐热性和耐磨性典型牌号：W6Mo5Cr4V3、W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al粉末冶金高速钢采用粉末冶金法可完全消除碳化物偏析，提高刀具质量特点结晶组织细小、均匀，避免了偏析碳化物细小均匀，改善磨削加工性各向同性，减少热处理变形与应力提高了材料利用率高速钢刀具的表面涂层目的为了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好的表面层，以减少刀具磨损，提高刀具的切削性能方法蒸汽处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。还可采用真空溅射法在刀具表面沉积一层TiC或TiN涂层高速钢是一种复合材料，基体是强度、韧性好的高速钢，表层是具有高硬度、高耐磨性的其他材料•“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处：Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从2004年9月开始，河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后3次试制终于获得成功。如今，为“鸟巢”准备的Q460钢材已经开始批量生产。2008年，400吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材，撑起了“鸟巢”的铁骨钢筋。硬质合金硬质合金的组成与性能由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品高硬度、高熔点的金属碳化物含量高，故其硬度、耐热性和耐磨性都超过高速钢，允许切削温度高达800~1000℃。因此，切削速度远高于高速钢硬质合金抗弯强度低、韧性差，怕冲击振动，工艺性能差，不易做成形状复杂的整体刀具硬质合金的物理、力学性能取决于合金成份、粉末颗粒的粗细以及合金的烧结工艺金属碳化物所占比例大，则硬度高，耐磨性也好粘结剂含量高，则抗弯强度和冲击韧性会有所提高晶粒越细，硬度越高•硬质合金是以WC为基体，并分为WC-CoWC－TiC-CoWC－TaC（NbC）－CoWC－TiC－TaC（NbC）－Co普通硬质合金的分类、牌号及其使用性能YG类ISO称为K类，加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料YT类ISO称为P类，加工长切屑的黑色金属YN类ISO称为P类，高速精加工工具钢、淬火钢YW类ISO称为M类，可履盖K类、P类的应用范围硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的份量其他硬质合金及其使用性能超细晶粒硬质合金其WC的粒度则在0.2~1μm之间，其中大多数在0.5