金属工艺学__5.1

金属工艺学下册（第一章，第一节）下册需要完成的任务围绕切削加工这个大主题，学习（1）切削加工原理（2）切削机床（3）传统的切削加工方法和工艺过程（4）了解精密加工、特种加工方法和现代制造技术。（5）掌握典型表面的加工（6）切削加工工艺规程的制定（7）零件的结构工艺性第一章切削加工的基本知识本章的主要内容：一、切削运动及切削要素（零件典型表面、切削用量、切削层几个参数）二、刀具及刀具材料（刀具材料、刀具标注角度、工作角度、刀具磨损、刀具耐用度等）三、金属切削过程中的各种物理现象（切屑形成、积屑瘤、切削力、切削功率，切削热、切削温度）四、围绕切削加工的主要经济指标（产品质量、生产率、经济性），合理选择切削用量、切削液。五、材料切削加工性的概念和衡量指标，及改善的主要途径。第一节切削运动和切削要素一、零件的加工表面及切削运动任何一种机电产品都是由许多零件组成，每一个零件的几何形状虽不同，但分析起来主要由三种典型表面构成：即内、外圆柱面，平面，成形面等。1．不同表面的形成：母线轨迹内、外圆柱表面直线圆作旋转运动所形成的表面平面直线直线作平移运动所形成的表面成形表面曲线圆或直线作旋转或平移运动所形成的表面2．切削运动：刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。按其功能的不同，切削运动分为主运动和进给运动。主运动：消耗功率最大进给运动：与主运动配合，可以保持切削的连续进行，以形成零件的几何表面。总结：常用机床的主运动与进给运动：车削铣削刨削平面磨削主运动：工件旋转刀具旋转滑枕带刀具往砂轮旋转运动复直线移动进给运动：刀具运动工件移动工件间歇移动工作台移动砂轮移动切削运动有旋转的、直线的、曲线的、连续的和间歇的等运动形式。工件加工表面以车削为例，工件在车削过程中有三个不断变化着的表面o待加工表面—即将被切除金属层的表面o已加工表面—已经切去一部分金属而形成的新表面o加工表面—切削刃正在切削的表面二、切削用量三要素：切削用量是用来衡量切削运动的大小。在一般的切削过程中，包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素。切削用量的变化对零件加工质量和生产率有十分重要的影响。1）切削速度Vc：在单位时间内，工件与刀具沿主运动方向相对移动的距离。以车削加工为例（主运动为旋转运动）：min//1000msmdnVc或d：工件（或刀具）直径（mm）n：工件（或刀具）转速（r/s或r/min）刨削加工为例（主运动为往复直线运动）)min/ms/m(10002Lnvrc或L----往复行程长度，mmnr----主运动每秒或每分钟的往复次数，st/s或st/min2）进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移f(mm/r)如车削加工：工件每转一转，刀具相对工件的位移mm/r。牛头刨床：刀具每走一个行程，在进给方向上相对于工件的位移，mm/st对于多齿刀具加工时，进给运动的瞬时速度称为进给速度，即或smmVf/(min)/mm（每转的位移×每秒多少转）nzfz（每齿进给量fz×刀具齿数z×每秒多少转）(mm/s或mm/min)3）背吃刀量(切削深度)ap(mm)：切削加工时，待加表面与已加工表面间的垂直距离(mm)，也就是垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度。)(2mmddamwpdw：待加工表面dm：已加工表面在切削层尺寸平面中，垂直于进给方向测量的切削层尺寸。三、切削层的几何参数：切削层：工件上被刀具切削刃切除的那一层材料，它是在垂直于含切削速度的平面内测量。切削层公称厚度：（即相邻加工表面间的距离）rckfasin)(hd切削层公称宽度：（沿主切削刃上度量的切削层尺寸）rpwkaasin/)b(D切削层公称横截面积：)(sin/sin2mmafkakfhbAprprDDD讨论：在AD不变时：当kr变小，则增大，减少，这时，单位长度切削刃上承受切削力减少，切屑变薄，散热效果好，但切削的径向分力增大；当kr变大，则情况正相反。waca作业：画出端铣平面的切削层参数。第二节刀具材料及刀具结构一、刀具材料：在切削加工时，刀具材料要在高温条件下承受较大的切削力、摩擦、冲击、振动。为了保证零件的加工精度和刀具的耐用性，刀具材料必须具有特殊的综合性能。1）刀具材料的主要性能要求：①较高硬度（大于HRC60以上）；②足够强度和韧性（承受切削力，冲击、振动、不变形等）；③较好的耐磨性（抵抗磨损，耐用）；④较高的耐热性（在高温下保持较高的硬度及其它性能）；⑤较好的工艺性（便于制造成各种成刀具形）；⑥成本低，来源广；2）常用刀具材料：手工刀具的刀具材料：碳素工具钢（T10A含C0.7~1.2%的优质钢）和合金工具钢（9SiCr，即碳素工具钢中加入Cr、w、Mn、Si）机加工用刀具材料：高速钢（W18Cr4V）和硬质合金（YG、YT）等。高速钢和硬质合金性能比较高速钢是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。它的硬度、耐磨性和耐热性低于硬质合金，但强度和韧性却高于硬质合金，工艺性能较硬质合金好，而且价格比较便宜。广泛地应用于制造形状较为复杂的各种刀具。硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC）作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。其硬度高，耐磨性好，耐高温，允许的切削速度比高速钢高数倍，但强度、韧性和工艺性不如高速钢。常制成各种形式的刀片。国产硬质合金材料（YG、YT）一般分为两大类：钨钴类（YG）和钨钛钴类（YT）。钨钴类（YG类：WC+CO），主要牌号有：YG3、YG6、YG8，其中数字为CO的百分含量，含CO少，材质较脆，但较耐磨。YG类刀具切塑性材料时，耐磨性差，适用于加工铸铁，青铜等脆性材料。钨钛钴类（YT类：WC＋TiC＋CO），主要牌号有：YT5、YT15、YT30，其中数字为TiC的百分含量，TiC含量多，韧性差，但耐磨，耐高温。YT类刀具适用于加工钢件。除外：陶瓷材料（Al2O3），人造金刚石，改性硬质合金和改性高速钢材料等。这些刀具材料具有更好耐高温，耐磨和高硬度特点。常用刀具材料的基本性能和代表牌号见表1-13）常用刀具种类常用刀具种类•切刀•孔加工刀具•拉刀•铣刀•螺纹刀具•齿轮刀具•磨具二．刀具角度1.切削部分的组成刀具种类繁多，形状复杂，但却有共同特征，都具有楔形的切削部分车刀是最简单的刀具，其它刀具则可认为是车刀的演变和组合.以车刀为例，学习刀具切削部分的几何参数刀具切削部分的组成车刀：刀杆和刀头两部分车刀的切削部分：前刀面Aγ—切屑沿其流出的刀面主后刀面Aα—与工件加工面相对的刀面副后刀面Aα’—与工件已加工面相对的刀面主切削刃—前刀面与主后刀面的交线，它完成主要切削工作副切削刃—前刀面与副后刀面的交线，它配合主刀刃最终形成已加工表面刀尖（过渡刃）—主刀刃与副刀刃的交点刀尖形式a)实际交点b)曲线刃c)直线刃2.车刀切削部分的主要角度参考系定义刀具几何角度的参照平面系，以确定刀面和刀刃的空间位置正交剖面系通过刀刃某选定点基面Pr—通过刀刃某选定点x，与主运动假定方向相垂直的平面切削平面Ps—通过刀刃某选定点x，与刀刃相切且垂直于基面的平面正交平面（主剖面）Po—通过刀刃某选定点x，同时垂直于基面与切削平面的平面通过副刀刃上任选点Pr’、P’s、P’o刀具标注角度画刀具图及磨刀时掌握的角度，是假定条件下的切削角度，以便于刀具的设计与制造假定运动条件不考虑进给运动的大小假定安装条件规定刀具的刃磨和安装基准面垂直于切削平面或平行于基面，同时规定刀杆的中心线同进给运动方向垂直•前角γо•后角αо•主偏角кr•副偏角кr’•副后角αo•刃倾角λS1）前角r0：在主剖面中测量，前刀面与基面之间的夹角，r00、=0、0。其大小影响：刀具锋利强度、刀具强度、散热条件、磨损及耐用度，前角大，切削刃锋利，切屑变形小，切削力小，切削热小，但切削刃强度下降，散热差，刀具耐用度下降；前角小，切削刃强度高，散热条件好，刀具耐用度提高，但切削刃变钝，切屑变形大，切削力大。确定前角大小的原则：锐字当先，锐中求固。一般情况，硬质合金刀具切削结构钢材料时，前角：粗加工取10—18度；精加工取13—20度。硬质合金刀具切削铸铁材料时，粗加工取10—15度；精加工取5—10度。因此，一般加工硬材料或粗加工时取较小的后角；加工较软材料或精加工时取较大的后角。一般情况，粗加工取6-8度；精加工取8-12度。2）后角αо：在主剖面中测量，主后刀面与切削平面之间的夹角。其大小影响：主后刀面与工件磨擦、刀具强度、刀具锋利强度等。后角大，摩擦小，切削刃锋利，但切削刃强度下降，散热差，刀具耐用度下降；后角小，切削刃强度高，散热条件好，刀具耐用度提高，但刀具摩擦加剧。3）主偏角kr：在基面中测量，主切削刃与进给方向之夹角。其大小影响：切削层形状，切削力的分布，散热条件，刀具耐用度和表面粗糙度。3、主偏角及副偏角：1）主偏角主要影响切削层的形状、表面粗糙度和切削分力的大小；3．刀具的工作角度：以上介绍的是刀具的标注角度，但在切削过程中刀具的实际切削角度会因为装刀的准确度变化而偏离刀具标注角度。4）副偏角：在基面上测量，副切削刃与进给反方向的夹角。其大小亦影响副切刃，副后刀面与已加工表面之间的摩擦，以及加工面的表面粗糙度Ra值。1）刀尖高度对前后角影响（车外圆为例）2）车刀偏斜对主副编角影响：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4．刀具结构：整体式、焊接式、机夹式几种。第三节金属切削过程1.切屑形成过程及切屑种类2.积屑瘤；3.切削力和切削功率；4.切削热和切削温度5.刀具磨损及耐用度第三节金属切削过程3.1金属切屑的形成过程及切屑的种类1．切屑的形成过程材料在刀具及切削力作用下，经过弹性变形→塑性变形(OA-0B)→被挤裂(切断）。ＢＡ工件刀具Ｏυ在切削过程中，被切金属层在前刀面的推动作用下产生剪应力，当剪应力达到并超过工作材料的屈服极限时，被切金属层将沿着某一方向产生剪切滑移变形而逐渐累积在前刀面上，随着切削运动的进行，这层累积物将连续不断的沿前刀面流出，从而形成了被切除的切屑金属切削层的变形金属切削层的三个变形区•第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OD线晶粒的剪切滑移基本完成•第二变形区切屑沿刀具前面排出时，进一步受到前面的挤压和摩擦，使靠近前面处的金属纤维化，其方向基本上和前面相平行•第三变形区已加工面受到切削刃钝圆部分与刀具后面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件母体材料分离，大部分变成切屑，很小的一部分留在已加工表面上ＡＢＣＤＥ切削层刀具工件ⅠⅢⅡＯ金属切削层的变形4第一变形区内金属的剪切变形•主要特征沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化•工件原材料的晶粒AB变成A’B’•受到切应力时，晶格内的晶面就发生滑移，就是剪切面方向•晶粒伸长方向即金属纤维化的方向A”B”•纤维化方向与剪切面方向不重合，夹角ψ金属切削层的变形5第一变形区内金属的剪切变形•晶粒伸长方向即金属纤维化的方向•纤维化方向与剪切面方向不重合，夹角ψ•剪切面在一般切削速度范围内，宽度仅约0.2~0.02mm，OM•剪切角剪切面和切削速度方向的夹角φ•塑性金属的切削过程模拟示意图•剪切角φ对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度高时，φ较大，剪切面积变小，切削比较省力，说明切屑变形较小。须用某种方法来表示切削变形程度•变形系数ξ〉1•切屑厚度与切削层厚度之比ξa切削层长度与切屑长度之比ξL在金属切削过程中，经过塑性变形的切屑，其外形与原切削层不同，其切屑层的厚度ach要大于切削层厚度ac，而切屑层的长度Lch要小于切削层Lc，这种现象称为切屑收缩。变形系数对切削力、切削温度及表面粗糙度Ra都有重要的影响。变形系数愈大，则切削力愈大、切削温度愈高，表面愈粗糙。增大前角，或降低材料塑性，可减小变形系数§。2．切屑种类：带状切屑、节状切屑，崩碎切屑等多种带状切屑节状切屑