第一章-金属切削加工基础知识

第五篇金属切削加工工艺第6章金属切削加工的基础知识主要内容1、切削运动及切削要素2、刀具3、金属的切削过程4、金属切削过程的规律本章重难点1、金属切削过程中的各种物理现象2、刀具角度的标注内容介绍6.11.切削运动与工件上形成的表面2.切削用量3.切削层参数6.21.刀具材料2.刀具切削部分的几何参数3.刀具结构6.31.切削的形成过程及切削的种类2.切削瘤3.切削力及切削功率4.切削热和切削温度5.刀具的磨损与刀具的耐用度6.41.金属材料的切削加工性2.已加工表面质量3.切削用量的合理选择金属切削加工—用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。金属切削加工钳工机械加工加工方法有划线、錾、锯、刮、研、攻螺丝、套螺丝等通过操作机床来完成切削加工的，如车、钻、刨、磨、齿轮加工等6.1切削运动及切削要素6.1.1切削运动与工件上形成的表面机床为实现切削加工所必需具有的加工工件与工件间的相对运动。它包括主运动和进给运动。主运动：是指在切削加工中形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动。进给运动：是指在切削加工中，工件的多余材料不断被去除的工作运动。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工作台移动进给运动：刀具运动工件移动工件间歇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。注释:1、主运动可以使旋转运动，也可以是往复运动；2、主运动可以是工件来实现（车外圆）,主运动也可以是刀具来实现（切断、刨、铣加工）;3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。6.1.2切削用量切削三要素切削速度切削深度进给量指在单位时间内工件和刀具沿主运动方向的相对位移待加工表面到已加工表面间的垂直距离，即垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度。刀具在进给运动方向上相对于工件的位移f(mm/r)切削速度Vc（车削运动）式中,d-工件（或刀具）直径（mm）n-工件（或刀具）转速（r/s或r/min）min//msmdnVc或1000切削速度Vc（刨削运动）式中,L-往复行程长度，mmnr-主运动每秒或每分钟的往复次数，st/s或st/min)min/ms/m(10002Lnvrc或进给量（f）（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）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背吃刀量(切削深度)ap(mm)：)(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。待加工表面：指加工时工件上有待切除的表面；已加工表面：指工件上经刀具切削后产生的表面;加工表面：指工件上由刀具切削刃形成的表面。6.1.3切削层参数切削厚度（hD）：垂直于加工表面度量的切削层尺寸；rkfsinhd切削宽度（bD）：沿主切削刃度量的切削层尺寸；切削面积（AD）：切削层在垂直于切削速度截面内的面积。rpkasin/bD)(sin/sin2mmafkakfhbAprprDDD不同切削工艺的进给量和被吃刀量6.2刀具材料及刀具结构6.2.1刀具材料1、刀具材料应具备的基本性能: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；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）2、常用刀具材料的种类与特性机加工用刀具材料：高速钢（W18Cr4V）和硬质合金（YG、YT）等。碳素工具钢：用于制造切削速度低的简单手工工具，如锉刀、锯条、刮刀等。合金工具钢：常用于制造低速加工和要求热处理变形小的刀具，如铰刀，拉刀等。高速钢：广泛用于制造各种复杂的刀具，如钻头，铣刀，拉刀和齿轮刀具等。硬质合金：抗弯强度、韧性，冲击韧性差。通常制成各种型式的刀片，将其焊接或夹固在刀体上使用。常见刀具的种类6.2.2刀具切削部分的几何参数1.刀具切削部分的组成要素刀杆：起夹持作用刀头:(三面)前刀面：切屑流过的表面主后刀面：刀具上与加工表面相对的表面副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面(两刃)主切削刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线(一尖)主切削刃与副切削刃的交点２．车刀切削角度的坐标平面基面通过主切削刃上的某一点，与主运动方向相垂直的平面切削平面通过主切削刃上的某一点，于加工表面相切并垂直于基面的平面正交平面通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面和切削平面的平面3.刀具的主要角度正交平面内主偏角前角后角副偏角主切削刃与进给方向间的夹角前刀面与基面间的夹角主后刀面与切削平面间的夹角负切削刃与进给方向的夹角切削平面内刃倾角主切削刃与基面间的夹角前角γ0――前刀面与基面间的夹角前角大，刃口锋利，切屑变小，切削力小，切削轻快。但易产生崩刃。后角α0――主后刀面与切削平面间的夹角增大后角可减少摩擦，提高工件加工质量和刀具耐用度，并使切削刃锋利。PoPrPsγoα0κr已加工面加工面待加工面κ'r主偏角κr――主切削刃与进给方向间的夹角影响切削层的形状，切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷。减少κr，主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，耐用。副偏角κ′r´――副切削刃与进给方向间的夹角影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，减少κ′r´，减少表面的粗糙度的数值，还可提高刀具强度。过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降低表面质量。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副偏角其大小亦影响副切削刃，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。PoPrPsγoα0κr已加工面加工面待加工面κ'rαοfnPsPrPoγ0κ'r已加工面κr注意：车外圆与车端面主、副偏角的变化刀具的工作角度车外圆时车刀安装的高低，对前角、后角有影响车外圆时车刀安装的偏斜，对主偏角、副偏角有影响6.2.3．刀具结构刀具的结构形式焊接式整体式机夹不重磨式结构简单、紧凑、刚性好，可磨出各种所需角度，应用广泛不需焊接和刃磨，避免了焊接和刃磨引起的缺陷，保持了硬质合金的原有性能，提高了刀具的耐用度多为高速钢车刀，其结构简单，制造、使用都方便常见刀具的结构形式6.3金属的切削过程金属在切削过程中，会出现一系列物理现象，如金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等，这些都是以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题，如积屑瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削过程密切相关。6.3.1切屑的形成过程及切屑种类1.切屑形成过程随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移切削层的金属弹性变形塑性变形挤裂切离切屑切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂沿刀具前刀面流出2.切屑的种类a）带状切屑b）节状切屑c）崩碎切屑带状切屑：切削塑性材料时采用大前角，较高的切削速度和较小的进给量容易形成带状切屑。形成带状切屑时，切削力平稳，加工表面光洁，但不安全。崩碎切屑：切削铸铁、青铜等脆性材料时容易形成崩碎切屑。形成崩碎切屑时刀尖磨损严重，产生振动，影响加工表面质量。节状切屑：当采用较低的切削速度和较大的进给量容易形成节状切屑。形成节状切屑时，切削力波动大，产生振动，加工表面粗糙。(1)切屑的形态可随切削条件不同而改变(2)可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工质量增大前角提高切削速度减小进给量有利于使粒状切屑、节状切屑向带状切屑转化使切削过程平稳降低加工表面粗造度数值6.3.2积屑瘤1.积屑瘤的形成摩擦阻力→切屑滞流层→切屑粘在刀具上→积屑瘤切削钢、球墨铸铁，铝合金等塑性金属时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下，常常有一些金属冷焊（粘结）沉积在前面上，形成硬度很高的楔块，它能代替切削刃进行切削，这个小硬块称为积屑瘤。２．积屑瘤对切削加工的影响积屑瘤对粗加工有利，对精加工不利。有利方面保护刀具增加工作前角积屑瘤硬度很高可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大可减小切削变形和切削力，使切削轻快不利方面影响工件尺寸精度影响工件表面粗造度时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大3.积屑瘤的控制影响积屑瘤的因素工件材料切削用量刀具角度切削液等控制措施要避免在中温、中速加工塑性材料增大前角可减小切削变形，降低切削温度，减小积屑瘤的高度采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤6.3.3切削力及切削功率１．切削合力的构成与分解切削合力:前刀面受到切屑的压力和摩擦力后刀面受到工件表面的压力和摩擦力主切削力（Fc）:背向力（Ff）:进给力（Fp）：切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，其大小约占总的切削合力的８５％～９０％切削合力在切削深度方向上的分力;它在基面内，与切深方向相反切削合力在进给方向上的分力;它在基面内，与进给方向平行，但方向相反)(NafkFpcc2.影响切削合力的因素3.切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的总和工件材料切削用量刀具角度强度、硬度高、塑性、韧性大，合力大切削深度、进给量、切削速度前角越大，切屑变形越小，切削合力越小)(103kWvFPccm)(kWPPmE切削功率的计算：式中，Pm－切削功率；PE－机床电机功率；Fc－切削力；vc－切削速率；η－机床传动效率6.3.4切削热和切削温度1.切削热的产生传出及影响ａ．切削热的来源切屑层的金属发生弹性变形、塑性变形而产生大量的热切屑与刀具前刀面产生的摩擦工件与刀具后刀面产生的摩擦ｂ．切削热的传导传入切屑，约占总热量的５０％～８６％，对切削加工无不利影响传入工件，约占总热量的４０％～１０％，会使工件膨胀或伸长，产生尺寸和形状误差，影响加工精度传入刀具，约占总热量的９％～３％，使刀具温度升高，硬度下降，磨损加快，耐用度降传入周围介质，约占总热量的１％，对切削加工无不利影响2.切削温度及其影响因素切削温度：是指刀具、切屑、工件接触面上的平均温度。其高低取决于切削时产生热量的多少和传导条件的好坏，切削用量、工件材料、刀具材料及角度等对切削温度均有影响3.降低切削温度的措施(1)选择合理的几何角度和切削用量(2)使用切削液6.3.5刀具的磨损及刀具的耐用度１．刀具的磨损形式及过程刀具的磨损形式:前刀面磨损；后刀面磨损；前、后刀面同时磨损.刀具的磨损过程:刃磨后的刀具起前、后刀面上的高低不平，受到切屑的冲击和摩擦时，将“凸峰”很快磨去，时间很短初期磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段刀具上的高低不平已被磨去，磨损量增加缓慢且比较稳定切削刃变钝，刀具与工件之间的摩擦变大，切削力增大，切削温度上升，磨损加剧，刀具失去正常的切削能力２．刀具耐用度刀具耐用度指刀具刃磨后从开始切削直到磨损量达到磨损标准为止的切削时间用Ｔ表示。切削用量对刀具耐用度的影响用硬质合金车刀车削中碳钢时，刀具耐用度T的经验公式:25.025.25pafvCTT切削速度（V）↑，切削用量（f、αp）↑，切削温度↑，加快刀具磨损，其中切削速度（V）影响最大。刀具材料：耐磨，导热性好的刀具，减少刀具磨损。刀具角度：加大前角，切削力小，减少磨损。加冷却液：起冷却和润滑作用，减少刀具磨损。6.4金属切削过程基本规律的应用6.4.1金属材料的切削加工性切削加工性(c