2金属切削的基本概念

11第二章金属切削的基本概念金属切削加工是指用切削工具从工件上切除多余金属材料的加工方法。常用的切削工具有车刀、铣刀、刨刀、钻头、砂轮、齿轮刀具等，常见的切削加工方法有车削、铣削、刨削、钻削、磨削、齿形加工等。一．切削运动和切削用量⒈切削运动切削运动指切削加工时，切削工具和工件之间的相对运动。如图2-1所示，车削时工件的旋转运动是切除多余金属的基本运动，车刀平行于工件轴线的直线运动，是保证切削连续进行，由这两个运动组成的切削运动，完成工件外圆表面的加工。切削运动按其作用可分为切削运动可分为主运动和进给运动。图2-1车削运动和切削表面⑴主运动主运动是刀具与工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。⑵进给运动进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工，根据工件表面形状成形的需要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。⒉工件加工表面在切削加工过程中，通常工件上有三个不断变化的表面：待加工表面、已加工表面和切削表面（或称过渡表面），如图2-1所示。⑴待加工表面工件上有待切削的表面称为待加工表面，随着切削的继续，待加工表面逐渐减少直至全部切除。⑵切削表面工件上由切削刃形成的那部分表面称为切削表面，它在切削中不断变化，但总处在待加12工表面和已加工表面之间。⑶已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面称为已加工表面，它随着切削的继续而逐渐扩大。⒊切削用量切削用量是切削过程中切削速度、进给量和背吃刀量的总称，俗称切削三要素，如图2-2所示。它是调整机庥、计算切削力、切削功率、时间定额及核算工序成本的重要参数。图2-2车外圆时的切削层要素⑴切削速度切削速度是指切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位为m/min，若主运动为旋转运动，切削速度为其最大的线速度。计算公式为:式中dw――工件待加工表面直径(mm)；n――主运动的转速(r/min)。⑵进给量进给量是指刀具或工件在进给运动方向上相对于工件或刀具移动的距离,常用每转或每行程的位移量来表示。单位是mm/r或mm/行程（如刨床），它的大小反映着进给速度移v（单位为mm/min）的大小，关系为V=fn⑶背吃刀量背吃刀量是指工件上已加工表面与待加工表面间的垂直距离(单位为mm)。式中dm――工件已加工表面的直径(mm)。二．金属材料切削用量的选择1.切削用量的选择原则粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度，选择切削用量，应首先选取尽可能大的背吃刀量，其次是根据机床的动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度。增大背吃刀量可使走刀次数减少，增加进给量有利于断屑。2mwpdda13精车时，对加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量一般不大且较均匀，在选择精车切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率，因此，精车时应选用较小（但不能太小）的背吃刀量和进给量，并选用性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度。2.切削用量的选取方法（1）.背吃刀量的选择αp粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量，但当粗加工余量确实较大时，也可分多次走刀；精加工的加工余量一般较小，可一次切除。在中等功率机床上，粗加工的背吃刀量可达6～10mm,半精加工的背吃刀量取2～5mm，精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。（2）.进给速度（进给量）的确定f粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸以及己选定的背吃刀量等因素来选取进给速度。精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素选取进给速度。进给速度可按公式V=fn计算，式中f表未每转进给量，粗加工时每转进给量一般取0.3～0.8m/min，精加工时常取0.1～0.3m/min，切断时常取0.05～0.2m/min；这些进给量，在一般机床中可通过进给机构图标的参数选取（大都可通过拨动相应手柄位置确定进给量），而数控机床的进给量可通过编程设定。（3）.切削速度的确定V切削速度可根据己经选定的背吃刀量、进给量及在考虑刀具耐用度的情况下选取；实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。粗加工或工件材料的加工性能差时，宜选用较低的切削速度，精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的切削速度。切削速度V确定后，可根据刀具或工件直径(D)，按公式n=1000V/πD，计算出主轴的转速（r/min）,因为在实际的车床、铣床、钻立铣等普通切削机床上，可通过拨动手柄选取所需的主轴转速，而数控加工中的主轴转速则可以通过程序来设定。在生产过程中，一般根据经验或者采用查表的方法来选取切削用量。下面列出常用切削用量推存表，供学员在生产中，在考虑设备的刚性、材料的软硬、刀具材料及其它因素的情况选用，见表2-1，表2-2。表2-1硬质合金刀具切削用量推存表刀具材料工件材料粗加工精加工切削速度进给量背吃刀时切削速度进给量背吃刀时m/minmm/rmmm/minmm/rmm碳钢1000.631800.30.4低合金钢800.331300.20.4高合金钢700.231200.150.4硬质合金铸铁800.231300.20.414或不锈钢750.221000.150.4涂层硬质钛合金400.31.5600.150.4合金0.2灰铸铁1200.41.5～2.51500.30.3～0.8球墨铸铁1000.21.5～2.51500.150.3～0.80.3铝合金80～1200.451.5～3130～1800.30.3～0.8表2-2常用切削用量推存表工件材料刀具村料加工工艺切削速度进给量背吃刀量m/minmm/rmm碳素钢硬质合金粗加工60～900.2～0.62～7半精加工90～1200.2～0.42～5精加工130～1800.1～0.30.2～2切断7～1000.1～0.20.3～1高速钢钻中心孔20～400.05～0.100.5D高速钢钻孔20～400.15～0.250.5D硬质合金40～600.05～0.200.5D硬质合金扩孔40～900.05～0.40≤2.5硬质合金机用铰刀铰孔6～120.3～10.1～0.3硬质合金机用丝锥攻丝6～12P0.5P铸钢硬质合金粗加工50～700.2～0.42～5硬质合金精加工70～1200.1～0.30.15～0.4硬质合金切断50～700.1～0.30.10～0.2三．有关切削用量的案例分析1.轴类车削加工如图2-3，我们要加工一材料为45钢，毛坯外圆尺寸为φ55，现要将外圆尺寸φ55车至尺寸φ48±0.03，且保证己车外圆表面粗糙度Ra=3.2μm，采用CA6140卧式车床，试分析我们如何进行刀具和切削用量的选择？153.2φ55φ48±0.03180（1）.刀具材料的选用因为车削的材料是45钢，根据刀具的选用方法：上一章节表1-1常用硬质合金牌号的选用，45钢的粗车和精车可选用YT14、YT15等刀具材料，在此我们选常用的YT15刀具材料，又因为工件采用一夹一顶车削，设备CA6140的刚性也较好，可以满足粗加工大进给车削，所以可选用75度的YT15右偏刀。（2）.加工工艺的设定因为工件毛坯外圆加工余量大，且己加工外圆还有较高的尺寸要求，表面质量也要求较高，所以加工中不能一次走刀完成，必须要分粗加工和精加工二道工序，切削用量也要从粗加工和精加工两个方面来分析。（3）.粗车1)确定背吃刀量αP由图2-3可知，单边切削余量为3.5mm，根据粗车背吃刀量的选择原则：一次走刀尽可能切除全部加工余量有，及结合查表法和自身的经验，我们把粗车的背吃刀量αP设定为3mm，留精车余量0.5mm。2)确定进给量f粗加工件的材料为45钢，根据加工直径为φ55mm，己确定的背吃刀量为3mm，我们则通过查表法及根据机床的实际进给量，选取f=0.6mm。3)确定切削速度由己知条件和己经确定的进给量、背吃刀量，我们通过查表2-2的方法及及自身的经验，拟设定切削速为v=80r/mm，然后根据假定的切削速度，根据公式我们计算出机床主轴的转速。𝑛=1000×803.14×（55−6）≈519(r/min)根据CA6140车床的实际转速结合计算结果，我们选择主轴转速为500r/min，故实际的切削速度为：𝑉=3.14×(55−6)×5001000=86.35（m/min)（4）.精车1)确定背吃刀量粗车过后，外圆还有余量0.5mm，所以一次走刀保证尺寸要求。2)确定进给量考虑表面粗糙度及结合己选定的背吃刀量αP，由表2-2查得精车的进给量可在0.1～0.3之间，再对照CA6140机床的实际进给参数，我们选取f=0.28min/r。3)确定切削速度由己知条件和已经确定的进给、背吃刀量，结合查表2-2数据（精16车切削速度可选130～180m/min）,我们先假定切削速度为160m/min，根据公式求出机床主轴的转速为：𝑛=1000×1603.14×（49−1）≈1061(r/min）根据CA6140车床的实际转速并结合计算结果，我们选择主轴转速为900r/min，故实际的切削速度为：𝑉=3.14×(49−1)×9001000=135.65（m/min)所以，切削用量的最终结果：粗车时：αP=3mm，f=0.6min/r，V=86.35m/min；精车时：αP=0.5mm，f=0.28min/r，V=135.65m/min。需要注意的是，因为工件尺寸精度高及车削的尺寸又比较长，所以在车削前，一定要校好主轴与尾座顶尖之间的直线度，以免车削后，造成工件尺寸两头不一样，还有对刀操作也很关键，只有当对刀切深达到工件公差要求时，才能采用自动进给加工，对刀尺寸最好取公差的中间值。2.套类零件的车削如图2-4，我们要镗削φ32±0.02（未镗削前孔为φ28），且要保证长度100及孔的表面粗糙度，材料为精密压铸铝件，外形尺寸一致性较好，车床采用C616，试简析我们如何进行刀具和切削用量的选择？图2-4φ20φ50φ32±0.02φ8581201.6（1）.刀具材料的选择因为铝是易加工件，压铸铝含有一定的杂质，稍微难加工一点，如果工件要保证非常高的表面质量，那么可选用金钢石刀具，现在市面有买的是聚晶金钢石刀具，这种刀具车削效率高，加工质量好，在大批大量的情况下可以采用，因为刀具的费用比硬质合金等要高好几倍，甚至几十倍。如果工件质量要求不是特别高，我们可以选用硬质17合刀具，其中常用于压铸铝加工的硬质合金刀具材料是YT15和YW1，YW1刀具比YT15刀具要贵，如果压铸铝的杂质含量少的话，我们可以选用YW1刀具材料，因为此种刀具材料硬度高，耐磨性好，但在车削中遇硅等杂质，刀头会崩刃，所以在此例中，考虑刀具成本等因素，我们还是选用最常用的YT15镗孔刀。（2）.加工工艺的设定孔的毛坯余量为4mm，镗孔深度较深，有110mm，且孔的尺寸精度和表面粗糙度要求还是很高的，所以一次切削是无法满足要求的，我们也把其分成粗加工和精加工二道工序来进行。（3）.粗车1)确定背吃刀量αP己知零件未加工前孔为φ28，要加工到φ32，总的加工余下量为4mm，即单边2mm，我们确定粗车和精车都是一次走刀完成，通过查到表2-1，及对加工余量的合理分配，我们确定背吃刀量为1.5mm，留精车余量0.5mm。2)确定进给量f因为我们车削的是易切材料，为了提高生产效率，所以在粗车时。在考虑机床刚性的情况下，尽可能采用大的进给量，此例我们选择的机床为C616，考虑到该型号机床在大进给时平稳性还是不够理想，所以通过查表2-1，及综合考虑，我们选择进给量为0.35mm。如果在实际车削中，发现机床有震动，那么可以把进给量调至0.25mm，若发现