第三章-金属切削过程及其控制

机械电子学院主讲：尹明富第三章金属切削过程及其控制MetalCuttingProcessandControl本章提要概述金属切削加工的基本概念金属切削加工用的刀具金属切削过程中的变形金属切削过程中切屑的类型及控制金属切削过程中的切削力和切削效率金属切削过程中的切削热和切削温度刀具磨损和刀具寿命工件材料的切削加工性切削条件的合理选择磨削过程与磨削机理3.1概述切削刀具工件切削力切削热切削变形切屑切削瘤刀具结构刀具材料刀具磨损工件切削加工性3.2金属切削加工的基本概念BaseConceptforMetalCutting3.2金属切削加工的基本概念切削加工：切削加工是利用刀具切去工件毛坯上多余的加工余量，获得具有一定的尺寸、形状、位置精度和表面质量的机械加工方法。切削运动：刀具与工件之间的相对运动，即表面成形运动，分为主运动和进给运动。主运动：使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。主运动速度最高，消耗功率最大，且只有一个。进给运动：不断把被切削层材料投入到切削过程中，以便形成全部已加工表面的运动。3.2金属切削加工的基本概念加工表面：3.2金属切削加工的基本概念切削用量：切削速度vc、进给量f、背吃刀量ap（切削深度）3.2金属切削加工的基本概念切削层参数：切削层公称厚度、切削层公称宽度、切削层公称横截面积3.3金属切削加工用的刀具CutterforMetalCutting3.3金属切削用的刀具－刀具结构刀具切削部分组成：三面两刃一尖刀体前刀面刀头刀尖主后刀面副后刀面副切削刃主切削刃3.3金属切削用的刀具－确定刀具角度的参考平面正交平面参考系：基面切削平面正交平面基面切削平面正交平面3.3金属切削用的刀具－刀具标注角度刀具标注角度：前角后角主偏角副偏角刃倾角前角后角正交平面基平面主偏角副偏角切削平面刃倾角3.3金属切削用的刀具－刀具工作角度产生原因在实际的切削加工中，切削平面、基面和正交平面位置会发生变化。定义以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。影响刀具安装位置对工作角度的影响、进给运动对工作角度的影响。3.3金属切削用的刀具－刀具工作角度进给运动对工作角度影响横向运动纵向运动前角增大后角减小3.3金属切削用的刀具－刀具工作角度安装位置对工作角度影响前角增大后角减小前角减小后角增大3.3金属切削用的刀具－刀具工作角度安装位置对工作角度影响刀杆中心线与进给方向不垂直主偏角增大副偏角减小主偏角减小副偏角增大3.3金属切削用的刀具－常用刀具刀具分类按功能：车、铣、刨、钻、拉、铰等按切削刃多少：单刃、多刃按标准化程度：标准、非标准按尺寸规格：定尺寸、非定尺寸按刀具组成形式：整体式、装配式3.3金属切削用的刀具－车刀1—切断刀；2—左偏刀；3—右偏刀；4—弯头车刀；5—直头车刀；6—成形车刀；7—宽刃精车刀；8—外螺纹车刀；9—端面车刀；10—内螺纹车刀；11—内槽车刀；12—通孔车刀；13—盲孔车刀按功能分：3.3金属切削用的刀具－车刀按结构分：焊接式车刀整体式车刀机夹式车刀成形车刀3.3金属切削用的刀具－孔加工工具常用的钻孔刀具：麻花钻、中心钻、扁钻和深孔钻，其中最常用的是麻花钻。根据制造麻花钻的材料不同，可分为碳素钢麻花钻、高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻等，由于碳素钢麻花钻的切削性能较差，现在基本上不再使用。3.3金属切削用的刀具－高速钢麻花钻3.3金属切削用的刀具－高速钢麻花钻前角变化大；排屑不畅；横刃的切削条件差；散热条件差主、副切削刃磨损剧顶角、后角和横刃不能够或很难分别控制孔表面粗糙度大存在问题3.3金属切削用的刀具－高速钢麻花钻解决方法－群钻三尖七刃锐当先,月牙弧槽分两边,一侧外刃开屑槽,横刃磨得低窄尖.3.3金属切削用的刀具－中心钻3.3金属切削用的刀具－深孔钻3.3金属切削用的刀具－扩孔钻3.3金属切削用的刀具－铰刀3.3金属切削用的刀具－镗刀单刃镗刀双刃镗刀多刃镗刀微调镗刀3.3金属切削用的刀具－铣刀3.3金属切削用的刀具－拉刀3.3金属切削用的刀具－螺纹刀具螺纹加工螺纹车刀螺纹梳刀板牙丝锥螺纹铣刀螺纹滚压工具3.3金属切削用的刀具－齿轮刀具齿轮加工成形齿轮铣刀齿轮滚刀插齿刀剃齿刀3.3金属切削用的刀具－常用刀具材料刀具材料应具备的性能高硬度:比工件高,HRC60高耐磨性:决定其耐用度足够的强度和韧性:不崩刃,不断高的耐热性(热稳定性):高温时可以加工良好的热物理性能和耐热冲击性能：保护刀具良好的工艺性能:刀具制造成本低种类牌号硬度维持切削性能的最高温度（℃）抗弯强度（GPa）工艺性能用途碳素工具钢T12AT10AT8A60～64HRC～2002.45～2.75可冷热加工成形，工艺性能良好，磨削性好，须热处理只用于手动刀具，如手动丝锥、板牙、铰刀、锯条、锉刀等合金工具钢CrWMn9CrSi60～65HRC250～3002.45～2.75只用于手动或低速机动刀具，如丝锥、板牙、拉刀等高速钢W10Mo4Cr4V3AlW6Mo5Cr4V2Co8W6Mo5Cr4V2AlW6Mo5Cr4V2W18Cr4V62～70HRC540～6002.45～4.41可冷热加工成形，工艺性能良好，须热处理，磨削性好，但钒类较差用于各种刀具，特别是形状较复杂的刀具，如钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具、丝锥、板牙、刨刀等硬质合金YW1，YW2YT5，YT15，YT30YG3，YG6，YG889～94HRA800～10000.88～2.45压制烧结后使用，不能冷热加工，多镶片使用，无须热处理车刀刀头大部分采用硬质合金，钻头、铣刀、滚刀、丝锥等可镶刀片使用陶瓷91～94HRA12000.441～0.833多用于车刀，性脆，适用于连续切削立方氮化硼7300～9000HV压制烧结而成，可用金刚石砂轮磨削用于硬度、强度较高材料的精加工金刚石10000HV用天然金刚石砂轮刃磨极困难用于非铁金属的高精度、小表面粗糙度切削3.3金属切削用的刀具－磨料与磨具磨料磨料是砂轮的主要成分，直接担负切削工作。磨料应该具有高硬度、高耐热性和一定的韧性，在磨削过程中受力破碎后还要能形成锋利的几何形状。常用的磨料有氧化物系、碳化物系和超硬磨料系三类.3.3金属切削用的刀具－磨料与磨具系列磨料名称代号显微硬度特性使用范围氧化物系棕刚玉A2200~2280棕褐色，硬度高，韧性大，价格便宜磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁，硬青铜白刚玉WA2200~2300白色，硬度比棕刚玉高，韧性较棕刚玉地磨削淬火刚、高速钢、高碳钢及薄壁零件碳化物系黑碳化硅C2840~3320黑色，有光泽。硬度比白刚玉高，性脆而锋利，导热性和导电性良好磨削铸铁、黄铜、铝、耐火材料及非金属材料绿碳化硅GC3280~3400绿色，硬度和脆性比黑碳化硅高，具有良好的导热性和导电性磨削硬质合金、宝石、陶瓷、玉石、玻璃等材料高硬磨料系人造金刚石D6000~10000无色透明或淡黄色、黄绿色、黑色，硬度高，比天然金刚石脆磨削硬质合金、宝石、陶瓷、玉石、光学玻璃、半导体等材料立方氮化硼CBN6000~8500黑色或淡白色，立方晶体，硬度次于金刚石，耐磨性高磨削各种高温合金、高钼、高钒、高钴钢、不锈钢等材料3.3金属切削用的刀具－磨料与磨具粒度表示磨料颗粒的尺寸大小，分为磨粒（直径大于40m）和微粉（直径小于40m）。类别粒度颗粒尺寸/μm应用范围类别粒度颗粒尺寸应用范围磨粒12°~36°2000~1600500~400荒磨打毛刺微粉W40~W2840~2828~20珩磨研磨46°~80°400~315200~160粗磨半精磨精磨W20~W1420~1414~10研磨、超级加工、超精磨削100°~280°160~12550~40精磨珩磨W10~W510~75~3.5研磨、超级加工、镜面磨削3.3金属切削用的刀具－磨料与磨具结合剂将磨粒黏结在一起，形成具有一定形状和强度的砂轮。结合剂代号性能适用范围陶瓷V耐热，耐蚀，气孔率大，易保持廓形，弹性差最常用，适用于各类磨削加工树脂B强度较V高，弹性好，耐热性差适用于高速磨削，切断，开槽等橡胶R强度较B高，更富有弹性，气孔率小，耐热性差适用于切断，开槽及作无心磨的导轮青铜J强度最高，型面保持性好，磨耗少，自锐性差适用于金刚石砂轮3.3金属切削用的刀具－磨料与磨具硬度磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。软软软中软中软中中中硬中硬中硬硬硬大级名称超软软中软中中硬硬超硬小级名称超软123121212312超硬代号DEFGHJKLMNPQRSTY3.3金属切削用的刀具－磨料与磨具组织砂轮的组织是指磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨料在砂轮体积中所占的比例越大，组织越紧密；反之，则组织越疏松。砂轮的组织分为紧密（组织号0～3）、中等（组织号4～7）和疏松（组织号8～12）三个类别。3.3金属切削用的刀具－磨料与磨具砂轮形状砂轮名称代号断面简图基本用途平行砂轮P根据不同尺寸，分别用于外圆磨、内圆磨、平面磨、无心磨、工具磨、螺纹磨和砂轮机上双斜边砂轮PSX主要用于磨齿轮齿面和磨单线螺纹双面凹砂轮PSA主要用于外圆磨削和刃磨刀具，还可用作无心磨的磨轮和导轮薄片砂轮PB主要用于切断和开槽等筒形砂轮N用于立式平面磨床3.3金属切削用的刀具－磨料与磨具砂轮形状砂轮名称代号断面简图基本用途杯形砂轮B主要用其端面刃磨刀具，也可用圆周磨平面和内孔碗形砂轮BW通常用于刃磨刀具，也可用于磨机床导轨碟形砂轮D适于磨铣刀、绞刀、拉刀等，大尺寸的一般用于磨齿轮的齿面3.4金属切削加工过程中的变形DistortionofmetalCuttingProcess3.4金属切削过程中的变形金属切削过程中，刀具从工件上切下多余金属，形成切屑和已加工表面，产生切削力、切削热、刀具磨损、积屑瘤等现象，这些现象的成因、作用及变化规律都是以切削过程为基础的。研究金属切削过程对于保证加工质量、提高生产效率、降低生产成本具有十分重要的意义。3.4金属切削过程中的变形第一变形区第二变形区第三变形区切削过程中的三个变形区3.4金属切削过程中的变形第一变形区的金属滑移3.4金属切削过程中的变形切屑形成过程3.4金属切削过程中的变形－切屑的受力分析socos()Fdosincos()AF==doocos()sincos()Adoosin()sincos()AFc=Fcos(o)=Fp=Fsin(o)=3.4金属切削过程中的变形－切屑的变形程度三种表示方法：变形系数、相对滑移和剪切角厚度变形系数和长度变形系数hachdhh=osin(90)sinOMOMocos()sin=hl=cchllhahlh==3.4金属切削过程中的变形－切屑的变形程度三种表示方法：变形系数、相对滑移和剪切角相对滑移=SyMKNP==MKKPNK=cot+tan(o)3.4金属切削过程中的变形－切屑的变形程度三种表示方法：变形系数、相对滑移和剪切角剪切角4+o=4+o=与前角关系？3.4金属切削过程中的变形－影响切屑变形因素工件材料刀具前角切削速度切削层公称厚度3.4金属切削过程中的变形－积屑瘤的形成积屑瘤定义：在切速不高，而且又能连续切削的情况下，加工一般的钢料或其它塑性材料时，在刀具的前刀面常常粘结一块硬度很高的呈三角形的硬块，这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。产生原因：切屑与刀具前刀面在一定的压力和温度下，由于内外摩擦的作用，使切屑聚积在刀具的前刀面，发生加工硬化，形成了比工件材料硬度高的一个硬块，粘在刀具前刀面。acac′γγ′3.4金属切削过程中的变形－积屑瘤的形成积屑瘤形成的相关因素：工件材料的性质切削区的温度和压力切削速度3.4金属切削过程中的变形－积屑瘤的形成积屑瘤对切削过程的影响：实际切削前角增大：切削力小了，变得轻快；切厚增大：；表面粗糙度加大；影响刀具