金属切削的基础知识A.ppt

1第五篇切削加工烟台大学机电汽车工程学院机械制造系2金属切削加工基本概念——使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)切除工件上多余的材料，形成已加工表面的加工方法。金属切削加工的目的使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。两个基本条件切削运动，刀具。车削、钻削、刨削、铣削、磨削及齿轮加工等。金属切削加工的主要方法3切削加工分为：机械加工（简称机工）和钳工。机工——工人通过操纵机床来完成切削加工的。主要加工方法有车削、钻削、刨削、铣削、磨削及齿轮加工等。钳工——工人通过手持工具来进行加工的。常用的加工方法有錾、锯、锉、刮、研、钻孔、铰孔、攻丝、套扣等。比较：机工的生产率高，工人的劳动强度低，但是在某些场合，钳工加工是非常经济和方便的，如装配和机修中配件的锉修、导轨面的刮研、笨重机件上的攻丝等。4第一章金属切削的基本知识第二章金属切削机床的基本知识第三章常用加工方法综述第四章精密加工和特种加工简介第五章典型表面加工分析第六章工艺过程的基本知识第七章零件结构的工艺性51-1切削运动及切削要素1-2刀具材料及刀具构造1-3金属切削过程1-4切削加工技术经济简析第一章金属切削的基础知识金属切削加工虽有多种不同的形式，但在切削运动、切削工具以及切削过程的物理实质等方面都有着共同的现象和规律，它是学习各种切削加工方法的共同基础。61.零件表面的形成下一页第一节切削运动及切削要素一、零件表面的形成和切削运动工件在切削加工过程中，通常存在着三个不断变化的表面：一是加工表面；二是待加工表面；三是过渡表面。为了切除多余的金属，刀具和工件之间必须有相对运动，即切削运动。7后退零件不同表面加工时的切削运动8主运动下一页切下切屑最基本的运动，速度最高，消耗功率最大。进给运动使刀具与工件之间产生附加的相对运动，与主运动相配合。使金属层不断投入切削，从而加工出完整的平面。合成切削运动主运动和进给运动合成的运动，即实际的切削运动。2.切削运动9后退切削运动10切削用量包括三个要素，即：切削速度Vc进给量f(或进给速度Vf)背吃刀量ap二、切削用量—衡量切削运动量的大小。11定义——切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度。也即单位时间内，工件和刀具沿着主运动方向相对移动的距离，单位：m/s或m/min1.切削速度Vc1000ndVC（m/min)若主运动为旋转运动若主运动为往复直线运动10002rnLVC（m/min)其中：d—工件或刀具的直径，mmn—工件或刀具的转速，r/s或r/min其中：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/min12定义——指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm／r。当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm／双行程或mm／单行程。对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mm／z或mm／齿，它与进给量f的关系为f=zfz，z——齿数。2.进给量f13fnVf(mm/min)fz、f、Vf之间的关系:Vf=fn＝fzzn单位为：mm/s或mm/min。n—刀具或工件的转速，r/s或r/minz—刀具的齿数。进给速度Vf——进给运动的瞬时速度。14dw――待加工表面直径dm――已加工表面直径2mwpdda定义——在通过切削刃选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸，单位为mm。一般称为切削深度。车外圆时：3.背吃刀量ap15切削层：切削过程中，工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属。返回三、切削层参数3.切削层公称厚度hD：在同一瞬间的切削层公称横截面积与其公称宽度之比。2.切削层公称宽度bD：给定瞬间在切削层尺寸平面内测量的作用主切削刃截形上两个极限点间的距离。1.切削层公称横截面积AD：给定瞬间在切削层尺寸平面内测量的实际横截面积。pDDDafhbA16车削时切削层尺寸后退17切削过程中，直接完成切削工作的是刀具，它是由夹持部分和切削部分组成。夹持部分是用来将刀具夹持在机床上的部分，要求它能保证刀具正确的工作位置，传递所需要的运动和动力，并且夹固可靠，装卸方便。切削部分是刀具上直接参加切削工作的部分。刀具切削性能的优劣，取决于切削部分的材料、角度和结构。第二节刀具材料及刀具构造181.对刀具材料的基本要求一、刀具材料较高的硬度。必须高于工件材料的硬度，常温硬度一般在60HRC以上。足够的强度和韧度。承受切削力、冲击和振动。较好的耐磨性。抵抗切削过程中的磨损，维持一定的切削时间。较高的耐热性。在高温下仍能保持较高硬度，又称为红硬性或热硬性。较好的工艺性。工艺性包括锻造、轧制、焊接、切削加工、磨削加工和热处理性能等。192.常用的刀具材料常用碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷材料等。碳素工具钢含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7％～1.2％，如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具钢(如9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性。合金工具钢20高速钢高速钢是含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢。如：W18Cr4V高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达HRC62～67）和耐热性（切削温度可达550～600º）。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削速度1～3倍，提高刀具耐用度10～40倍，甚至更多。它可以加工从有色金属到高温合金在内的范围广泛的材料。常用于制造形状较复杂的如：麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具等。21硬质合金原理：是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC等)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。特点：硬度高，耐磨性好，耐热性高，允许的切削速度比高速钢高数倍，但其强度和韧度均比高速钢低，工艺性也不如高速钢。应用：硬质合金常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄(刀体)上使用。22硬质合金分类钨钴类硬质合金（K类）：主要由碳化钨和钴组成，常用牌号有K01，K20，K30等。K类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较好，不易崩刃，很适宜切削切屑呈崩碎状的铸铁等脆性材料。K类硬质合金的刃磨性较好，刃口可以磨得较锋利，故切削有色金属及合金的效果也较好。钨钛钴类硬质合金（P类）：主要由WC，TiC和Co组成，常用的牌号有P01，P10，P30等。它里面加入了碳化钛后，增加了硬质合金的硬度，耐热度，抗粘接性和抗氧化能力。23陶瓷材料陶瓷刀具大多是以氧化铝、氮化硅为主要成分，经压制而成，前者居多。它的硬度高、耐磨性好，耐热性高。但陶瓷材料性脆怕冲击，切削时容易崩刃。主要用于精加工。243.其他新型刀具材料简介（1）高速钢的改进在高速钢中增添新的元素以提高高速钢的硬度和耐热性。如超高速钢；各种高精度的刀具。硬质合金的缺点是强度和韧度低，对冲击和振动敏感。改进的方法是增添合金元素和细化晶粒，既适于加工铸铁等脆性材料，又适于加工钢等塑性材料。（2）硬质合金的改进25(3)人造金刚石人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成的。人造金刚石具有极高的硬度（显微硬度可达HV10000）和耐磨性，其摩擦系数小，切削刃可以做得非常锋利。因此，用人造金刚石做刀具可以获得很高的加工表面质量。人造金刚石的热稳定性较差（不得超过700～800℃），特别是它与铁元素的化学亲和力很强，因此，它不宜用来加工钢铁件。26(4)立方氮化硼（CBN）立方氮化硼是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的。立方氮化硼的硬度很高（可达到HV8000～9000）并有很高的热稳定性（可达1300～1400°C），它的最大的优点是在高温（1200～1300°C）时也不易与铁族金属起反应。27金属切削刀具的种类很多，其形状、结构各不相同，但是它们的基本功用都是在切削过程中，用刀刃从工件毛坯上切下多余的金属。在结构上它们都具有共同的特征，尤其是它们的切削部分。二、刀具角度1.车刀切削部分的组成刀具各组成部分中承担切削工作的部分。下一页28刀具的切削部分后退29前刀面：切屑流过的表面。主后刀面：与工件上过渡表面相对的表面。副后刀面：与工件上已加工表面相对的表面。主切削刃：前刀面与主后刀面的交线，它承担主要的切削工作。副切削刃：前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。30刀尖：三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。31当刀具切削部分参与切削时，又把切削刃分为工作切削刃和作用切削刃。工作切削刃：刀具上拟作切削用的刃。作用切削刃：在特定瞬间，工作切削刃上实际参与切削，并在工件上产生过渡表面和已加工表面的那段刃。32刀具要从工件上切下金属，必须具有一定的角度，也正是由于切削角度才决定了刀具切削部分各表面的空间位置。要确定和测量刀具角度，必须引入一个空间坐标参考系。2.车刀切削部分的主要角度静止参考系—标注角度它是刀具设计计算、绘图标注、刃磨测量角度时基准。它是在假定条件下的工作角度。动态参考系--工作角度它是确定刀具切削运动中角度的基准。33基面pr：通过主切削刃上选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面。主切削平面ps：通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于该点基面的平面。副切削平面用ps’表示。（1）刀具静止参考系正交平面po：通过主切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面。34（2）车刀的主要角度1）基面中测量的刀具角度—主偏角、副偏角主偏角κr：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值。副偏角κ'r：副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。351）主、副偏角作用：主偏角主要影响切削层截面的形状和参数，影响切削分力的变化，并和副偏角一起影响已加工表面的粗糙度；副偏角还有减小副后刀面与已加工表面间摩擦的作用。当背吃刀量和进给量一定时，主偏角愈小，切削层公称宽度愈大而公称厚度愈小，即切下宽而薄的切屑。这时，主切削刃单位长度上的负荷较小，并且散热条件较好，有利于刀具耐用度的提高。36主、副偏角对残留面积的影响当主、副偏角小时，已加工表面残留面积的高度小，因而可减小表面粗糙度的值，并且刀尖强度和散热条件较好，有利于提高刀具耐用度。但是，当主偏角减小时，背向力将增大，若加工刚度较差的工件(如车细长轴)，则容易引起工件变形，并可能产生振动。选用：主、副偏角应根据工件的刚度及加工要求选取合理的数值。一般车刀常用的主偏角有45、60、75、90等几种；副偏角为5～15，粗加工时取较大值。372）正交平面中测量的刀具角度—前角、后角前角γo：在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角。根据前刀面和基面的相对位置不同分别规定正前角、零度前角和负前角。后角αo：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角。后角一般为正值。38选用：前角的大小常根据工件材料、刀具材料和加工性质来选择。当工件材料塑性大、强度和硬度低或刀具材料的强度和韧性好或精加工时，取大的前角；反之取较小的前角。作用：当取较大的前角时，切削刃锋利，切削轻快，即切削层材料变形小，切削力也小。但当前角过大时，切削刃和刀头的强度、散热条件和受力状况变差，将使刀具磨损加快，耐用度降低，甚至崩刃损坏。若取较小的前角，虽切削刃和刀头较强固，散热条件和受力状况也较好，但切削刃变钝，对切削加工也不利。2）正交平面中测量的刀具角度—前角γo39选用：后角的大小常根据加工的种类和性质来选择。例如，粗加工或工件材料较硬时，要求切削刃强固，后角取较小值；反之，精加工时对切削刃强度要求不高，主要希望减小摩擦和已加工表面的粗糙度值，后角可取稍大的值。2）正