第二章《机械加工工艺基础》电子教案

第二章切削加工基础2.1刀具材料与几何角度2.2金属切削过程2.3切削过程中的物理现象2.4刀具磨损2.5刀具耐用度2.6切削液2.7工件材料的切削加工性下一页2.1刀具材料与几何角度2.1.1刀具材料刀具材料一般指刀具切削部分的材料。它的性能优劣将直接一、刀具材料必须能够按照人们的要求完成切削任务，因此首先必须具有足够的切削性能；刀具的制造精度要求一般都很高，因此刀具材料也必须具备一定的工艺性；刀具是生产中的重要组成部分，考虑到生产的效益，刀具材下一页2.1刀具材料与几何角度二、目前使用的刀具材料可以分为四大类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料。在一般切削加工中，使用最多的是高速钢和硬质合金。1耐热性差，但抗弯强度高、价格便宜、焊接与刃磨性能好，广泛用于中、低速切削中的成形刀具，不宜用于高速切削。(1)碳素工具钢：含碳量为0.70%～1.35%，含碳量越高，硬度和耐磨性越好，但韧性越低。下一页上一页2.1刀具材料与几何角度(2)合金工具钢：在碳素工具钢中加入少量的合金元素获得。(3)高速钢：在碳素工具钢中加入了较多的合金元素（W、Cr、Mn、Mo、V、Si等）获得。2耐热性好，切削效率高，但刀片强度、韧性、焊接及刃磨工艺性都比工具钢差，故多用于制作车刀、铣刀及各种形状简单的高效切削刀具。硬质合金是由高硬难熔金属碳化物微米级粉末，以钴、钼、镍等作为黏结相烧结而成。下一页上一页2.1刀具材料与几何角度(1)P类硬质合金（标志为蓝色）：相当于旧牌号中的YT类硬质合金，适宜加工塑性好的黑色金属，如钢、铸钢等。(2)K类硬质合金（标志为红色）：相当于旧牌号YG类硬质合金，适宜加工硬脆的金属和非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。(3)M类硬质合金（标志为黄色）：相当于旧牌号中的YW类硬质合金。(4)涂层刀具：涂层刀具是在硬质合金或高速钢的基体上，涂一层数微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物（TiC、TiN、Al2O3等）构成。下一页上一页2.1刀具材料与几何角度3常用的陶瓷刀具材料主要由纯Al2O3或在Al2O3中添加一定量的金属元素或金属碳化物构成。(1)Al2O3陶瓷：包括纯Al2O3陶瓷和以Al2O3为主体，添加少许金属及金属氧化物构成的陶瓷。(2)Al2O3复合陶瓷：包括在Al2O3中加入一定量的金属碳化物而构成的复合陶瓷，抗弯强度比Al2O3高，常用于高速切削。下一页上一页2.1刀具材料与几何角度(3)氮化硅基陶瓷：将硅粉经氮化、球磨后添加助烧剂置于模腔中热压烧结而成，能进行高速切削，适宜于精车、半精车、精铣、半精铣，可用于精车铝合金，达到以车代磨，还4超硬刀具材料指金刚石与立方氮化硼。加工一般材料大量使用的还是高速钢和硬质合金，只有在加工高硬度材料或进行下一页上一页2.1刀具材料与几何角度(1)金刚石：碳的同素异形体，是自然界最硬的物质，显微硬度达HV10000①天然单晶金刚石刀具：主要用于有色金属及非金属的精密加②人造聚晶金刚石刀具：聚晶金刚石是将人造金刚石微晶体在高温高压下再烧结而成，抗冲击性能有所提高。③复合金刚石刀片：指在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的聚晶金刚石。(2)立方氮化硼（CBN）：是由六方氮化硼（白石墨）在高温高压下转化而成，硬度仅次于金刚石，具有很高的热稳定性，1300℃时不发生氧化，与大多数金属、含碳的黑色金属都不起化学作用，抗弯强度及韧性介于陶瓷与硬质合金之间。下一页上一页2.1刀具材料与几何角度2.1.2刀具的几何角度1指不考虑进给运动，规定车刀（以车刀为例）刀尖安装得与工件轴线等高，刀杆中心线垂直于进给方向等简化条件下的参考系。静止参考系由一系列辅助平面构成，如图2-1所示。PsP′sPs：通过主切削刃选定点，与主切削刃相切P′s：通过副切削刃选定点，与副切削刃相切并垂直于基面的平面。下一页上一页图2-1构成刀具静止参考系的辅助平面返回2.1刀具材料与几何角度2(1)主前角γo：前刀面与基面间的夹角，在正交平面Po中测量。法前角γn：前刀面与基面间的夹角，在法平面PnN-N剖面）中测量。(2)主后角αo：主后刀面与切削平面间的夹角，在正交平面Po法后角αn：后刀面与切削平面间的夹角，在法平面Pn（N-N下一页上一页2.1刀具材料与几何角度(3)主偏角Κγ：主切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面Pr中测量。(4)副偏角Κγ′：副切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面Pr(5)刃倾角λsPs下一页上一页2.1刀具材料与几何角度3合理静止角度的选择刀具的“合理”几何角度，是指在保证加工质量和经济耐用度的前提下，获得较好的生产效率以及较低成本的几何角度。刃口锋利，减少切削层塑性变形和摩擦阻力，降低切削力、降低切削刃及刀头强度，降低刀具寿命下一页上一页2.1刀具材料与几何角度1.工件材料强度、硬度较低，塑性好时选用较大前角；反之2.3.4.工艺系统刚性差或机床功率不足时取较大前角减小后刀面与工件过渡表面间的接触摩擦后角过大会降低刀刃强度，影响散热，从而降低刀具寿命下一页上一页2.1刀具材料与几何角度1.2.工件材料较软、韧时，后刀面摩擦严重，应选择较大后角3.加工硬脆性材料时，切削力集中的刃口处，应选择较小后角刀尖强度增大，工作切削刃加长，提高刀具寿命，减小表面粗糙度1.2.3.粗加工和半精加工时，硬质合金车刀取较大主偏角，以减少振动下一页上一页2.1刀具材料与几何角度2.1.3刀具的工作角度一、由于进给运动速度通常远小于主运动速度，因此在正常安装条件下，刀具的工作角度近似于静止参考系角度。但在切断、切螺纹（特别是多头螺纹）以及加工非圆柱表面等情况下，进给运动的影响就必须考虑进去。这时，应对静止参考系内的角度（标注角度）进行相应的修正，以得到实际工作角度。1图2-3所示为切断车刀加工的情况。下一页上一页图2-3横向进给运动对工返回2.1刀具材料与几何角度由图2-3可知：由上面的计算可知，当进给量f增大时，μ值增大；当直径d减小时，μ值也增大；当切断刀刃距工件中心很近时，μ值会快速增长，工作后角变为负值（刀刃不能切削），因而切断工件时往往剩下一个小直径（1mm左右）就被挤断。2图2-4所示为纵向进给的影响。下一页上一页)/(tandf图2-4纵向进给运动对工作角度的影响返回2.1刀具材料与几何角度二、刀具安装的影响1刀具的标注角度是按照刀尖与工件中心等高及刀杆与进给运动垂直的假定条件下确定的，在实际工作中，刀具安装不可能完全符合假定条件，因而实际工作角度与标注角度相比发生了变化。如图2-5所示。2如果车刀安装使得刀杆中心线与进给运动方向不垂直，则车刀主偏角、副偏角将发生变化，如图2-6所示。下一页上一页图2-5刀具安装高低对工作角度的影响返回图2-6刀杆中心线返回2.1刀具材料与几何角度三、加工表面形状的影响加工凸轮轴类零件时，由于工件加工表面为非圆柱表面，所以在工件的旋转过程中，工作切削平面Pse和工作基面Pre的方位随着凸轮曲线的形状而变，因而刀具的工作前角、后角也发生相应的变化，如图2-7返回上一页图2-7工件形状对刀具工作角度的影响返回2.2金属切削过程2.2.1切削层参数在切削过程中，刀具的切削刃沿进给方向移动一个进给量f（mm/r）时，从工件表面切下的金属层为切削层，如图2-8所示。它直接影响着切屑的尺寸和刀具切削部分所承受的负荷。2切削宽度bD切削宽度是指沿加工表面度量的切削层尺寸。3切削面积AD指切削层在基面中的截面积，其计算式为：AD=hD·bD下一页图2-8切削层参数返回2.2金属切削过程2.2.2切削变形与切屑形成一、从图2-10(a)中可见，当切削层移近切削刃时，切削层受刀具的正压力Fγn与摩擦力Fγ的作用产生塑性变形，当切削层达到切削刃处OA面时，剪应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层移到OM面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形下一页上一页图2-10切削返回2.2金属切削过程二、(1)第一变形区（Ⅰ）：始滑移面OA与终滑移面OM之间的区域。(2)第二变形区（Ⅱ）：与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区域，主要发生的是与前刀面的挤压、摩擦变形，是造成刀具前刀面磨损的主要原因。(3)第三变形区（Ⅲ）：切削刃与已加工表面层内产生的变形区域，主要发生的是与后刀面的挤压、摩擦变形，是产生下一页上一页2.2金属切削过程三、切削层经过第一变形区后形成了切屑。切削层连续地经过剪切滑移，所形成的切屑即连续地从刀具前刀面流出。根据剪切滑移后形成的切屑外形不同，可将切屑分为四种类型：1如图2-11(a)所示，切削层经塑性变形后被刀具切除，外形呈2如图2-11（b）所示，切削层在塑性变形过程中，剪切面上局部位置处剪应力达到材料强度极限而产生了局部断裂，使切下一页上一页2.2金属切削过程3如图2-11(c)所示，在剪切面上产生的剪应力超过材料强度极4如图2-11(d)所示，在切削铸铁类脆性金属时，切削层未经塑性变形，在材料组织中的疏松界面上产生不规则崩裂，形成下一页上一页图2-11切屑返回2.2金属切削过程2.2.3硬脆非金属切削原理一、陶瓷材料切削机理在使用金刚石刀具切削陶瓷时，可以观察到被切削材料在刀刃挤压的作用下，在刀刃附近产生裂纹。裂纹先向前下方扩展，深度超过了背吃刀量，而后一边前进一边向上方扩展，最后穿过上部的自由表面，形成较大的薄片状切屑，并在切削表面上留下凹痕，如图2-12(a)所示。这种情况称为大规模挤裂。如果从这种状态下继续切削，实际切除的只是崩碎后的残留部分，这时发生小规模挤裂，生成切削表面上较平滑的部分，如图2-12(b)所示。下一页上一页图2-12陶瓷材料返回2.2金属切削过程二、光学玻璃的切削光学玻璃切削加工的主要困难之一是脆性，如果能将脆性材料转化为具有一定塑性的材料，那么将会产生对切削有利的在常温下切削玻璃时主要以脆性断裂方式切除材料，只能获得粒状、粉末状的切屑，已加工表面高低不平，粗糙度大。如果在加热条件下进行切削，并且将切削区工件材料的温度控制在临界温度附近，就可以得到由剪切变形产生的带状切返回上一页2.3切削过程中的物理现象2.3.1切削力切削力是刀具对工件的作用力，其大小影响切削热的多少，并进而影响刀具的磨损和寿命以及工件加工精度和表面质量。一、切削力来源于三个变形区，具体来源有两方面：一是克服切削层金属弹性变形、塑性变形抗力所需要的力；二是克服摩擦阻力所需要的力。由刀具作用在工件上这两方面的合力F即为总切削力，如图2-13(a)所示。图中Fγ表示前刀面上克服的阻力，Fα表示后刀面上克服的阻力。总切削力F可分解成切向力Fc、进给力Ff、背向力Fp三个相互垂直的分力，如图2-13(b)下一页图2-13车削时总切削力F返回2.3切削过程中的物理现象1切向力Fc切向力是总切削力在主运动方向上的正投影，其数值一般是三个分力中最大的，消耗功率最多，占机床总功率的95%～99%2进给力Ff进给力是总切削力在进给运动方向上的正投影，一般只消耗机床总功率的5%～1%。3背向力Fp背向力是总切削力在垂直于工作平面上的分力。下一页上一页2.3切削过程中的物理现象二、单位切削力为了简化切削力的计算，目前常用单位切削力来计算切削力的大小。单位切削力，就是指切除单位切削面积的材料时产生的主切削抗力，可表示为：单位切削力p与进给量f有关，它随进给量的加大而减小。单位切削力可用实验方法测得，使用时可从相关的技术手册中查找所需下一页上一页)/(/2mmNADFpc2.3切削过程中的物理现象三、1工件材料强度增大时，切削力增大，但与材料强度增大的幅度不成比例。工件材料加工硬化倾向大，切削力将增大。2(1)切削深度ap：切削深度增加时，切削面积将正比增加，(2)进给量f：进给量增加时，