7金属切削加工基础知识

金属切削加工工艺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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。6.2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6.3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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(cuttingbehavior)是指材料切削加工的难易程度。它主要取决于材料的力学性能且与材料的热处理状态有关。6.4.2已加工表面质量1．加工精度a．尺寸精度b．形位精度2．表面质量表面质量表面粗糙度加工硬化残余应力加工表面的微观几何误差，一般是由于切削过程中，刀具相当于零件的运动轨迹、刀具和零件表面的摩擦、切削层金属的撕裂以及工业系统的振动等原因所致工件表层金属在形成已加工表面的过程中经过强烈的塑性变形，使其晶粒伸长、扭曲和破碎而被强化的现象在没有外力作用的情况下，零件内部残存的应力,可分为残余拉应力和残余压应力;前者降低零件的疲劳强度，后者可提高零件的疲劳强度6.4.3切削用量的合理选择1、切削用量同加工生产率的关系2、切削用量的选用原则1)切削用量对加工质量的影响当切削速度增大时，切削力减小可减小或避免积屑瘤，有利于提高加工质量进给量增大使工件残留面积的高度显著增大表面更粗糙切削深度增大，时切削力和工件变形增大可能引起振动，使零件的加工精度和表面质量下降2)切削用量对刀具耐用度的影响在切削用量中，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量次之，切削深度影响最小。选取顺序：背吃刀量—进给量f—切削速度Vc3)选择切削用量的原则较大的切削深度和进给量，取尽可能大的切削速度一般取较大的切削速度，较小的切削深度和进给量以保证加工质量粗加工精加工pa4、切削液的合理使用：（1）切削液作用：冷却、润滑（2）切削液种类：水基切削液：冷却效果好，流动性好。如肥皂水、苏打水油基切削液：冷却效果差，流动性差，润滑效果好。如矿物油、动植物油乳化液：乳化油由矿物油、乳化剂、添加剂配成。具有良好的冷却性能和清洗性能，并兼有润滑性能和防锈性能，最常用的切削液。（3）切削液的选用：粗加工：为提高生产率、采用高进给量（f）和高切削深度（ap），所以切削力和切削热都大，应选用水基冷却液，以加大冷却强度。精加工：为保证加工质量、减小刀具磨损，应选用润滑效果好的油基冷却液。加工钢材：一般用乳化液，硫化切削液；加工有色金属：一般不用含硫化物的切削油，以防止工件腐蚀；加工脆性材料：一般不用切削液，以免粉末状切屑污染机床；但在低速精加工时：一般用煤油切削液，以提高工件表面粗糙度Ra；高速钢刀具（耐热，耐用度低）可选用切削液；硬质合金刀具（耐热、耐用度高）一般不选用切削液。5、材料切削加工性能切削加工性以下几个指标来衡量材料切削加工性的好坏。①一定刀具耐用度T下的切削速度VTVT越高，材料的切削性能越好。②材料的相对加工性Kr③已加工表面质量：容易获得好的表面加工质量的材料，其加工性好。④切屑的控制或断屑的难易。切屑容易控制的材料，其加工性好。⑤切削力、切削温度：在相同的切削条件下，切削力小的材料，其加工性好；切削温度越高，其加工性越差。