金属切削加工的基础知识

第1章 金属切削加工的基础知识,1.1 切削加工的运动分析及切削要素 1.2 金属切削刀具 1.3 切削过程中的物理现象 1.4 工件材料的切削加工性 1.5 切削液,南京理工大学,2,1.1 切削加工的运动分析及切削要素, 回转体表面：是以直线为母线作旋转运动所形成的表面；成型方法主要有：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等。如构成轴类、盘套类零件的内外圆、圆锥等。,1.1.1 零件表面的形成, 平面：是以直线为母线作直线运动形成的表面；如机床导轨面、轴端面等，成型方法主要有：铣削、刨削、平面磨削等。, 曲面：是以曲线为母线作旋转或平移所形成的表面；如螺旋桨、汽车外型面等，成型主要方法有：铣削、成形磨削、数控铣削、电火花加工、激光加工等,南京理工大学,3,a)轨迹法 b)成形法 c)相切法 d)展成法,图1 表面的形成方法,零件表面的形成方法有：,1.1.2 切削运动,主运动：切除切屑所需的基本运动。 3个特点：速度最快；消耗功率最大；唯一性。 进给运动：使金属层不断投入被切削的运动。 3个特点：速度较慢；消耗功率较小；可以为一个或多个。 其它运动：吃刀运动 分度运动,l 概念：用以切除多余金属的刀具与工件间的相对运动 l 分类：,南京理工大学,5,常见机床的切削运动,南京理工大学,6,l 加工表面：已加工表面加工表面（过渡表面）待加工表面,南京理工大学,7,1.1.3 切削要素,l切削用量三要素： 切削速度vc:主运动的线速度(m/min),进给量：刀具相对工件沿进给方向移动的距离 背吃刀量（切削深度）ap(mm):已加工表面与待加工表面间的距离。 补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度。,南京理工大学,9,切削层：主运动一个周期，相邻两加工表面（切削刃）之间的材料截面,l 切削层尺寸平面要素：,切削层公称厚度hD（老标准ac）： hD=f sinKr 切削层公称宽度bD（老标准aw）: bD=ap/sinKr 切削层公称截面积AD： AD=ap f=bD hD 残留面积AD 残留面积高度 ： H=f/( ctgKr+ctgKr) r=0 H=f 2 / 8r r0,南京理工大学,10,r=0 时 在ABD和ACD中 BD=H ctgKr DC=H ctgKr BD+DC=f H(ctgKr+ctgKr)=f 所以：H=f/( ctgKr+ctgKr),r0 时 H=BD=BE-DE,移项后两边平方,并忽略H2 (H r)：,所以： H=f2/8r,南京理工大学,11,l刀具结构及其几何形状,1.2 金属切削刀具1.2.1 刀具切削部分的基本定义,刀具分类：按工种：车刀、铣刀、刨刀、滚刀等。 按功能：车刀、切断刀、螺纹刀、偏刀、尖刀、镗孔刀、成形刀等。,切削部分： 前刀面Ar 主切削刃S 主后面Aa 刀尖 副后面Aa 副切削刃S,南京理工大学,12,l 刀具的静止参考系（PrPsPo系正交平面参照系）,（1）静止参照系的假设条件： 假定运动条件：进给量f=0 假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高； 刀杆方向与进给方向垂直。,（2）辅助平面： 切削平面Ps：过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。 基面Pr：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。 正交平面Po（主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平 面和基面相垂直的平面。,南京理工大学,13,前角的作用：前角 切屑变形切削力刃口强度前刀面磨损 导热体积 刀具前角的选用：加工塑性材料选大前角 加工脆性材料、断续切削选小前角 加工硬材料选用负前角,刀具的标注角度是指静止状态下，在工程图上标注的刀具角度。（下面以车刀为例介绍刀具的标注角度） 1. 刀具标注前角0：在正交平面内测量的，前刀面与基面的夹角。 前角的标注：,l 刀具标角度的定义,南京理工大学,14,在正交平面内测量的，后刀面与切削面的夹角。 后角的标注：,后角的作用：后角 后刀面与加工表面间的摩擦 后刀面磨损 刃口强度 导热体积 刀具后角的选用：粗加工选小后角 精加工选大后角 选大前角时选小后角以增大刃口强度,2.刀具标注注后角0：,南京理工大学,15,主偏角的作用：主偏角 切削刃工作长度 刀尖强度 导热体积 径向分力 刀具主偏角的选用：一般为3075 加工细长工件采用9093 ,副偏角的作用：副偏角 副后面与工件已加工表面摩擦 刀尖强度 表面粗糙度 刀具副偏角的选用：一般为520 特殊要求可采用Kr=0 的修光刃,在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。 4. 副偏角Kr：在基面内测量的，副切削刃与进给反方向的夹角。 主偏角和副偏角的标注：,3. 主偏角Kr：,南京理工大学,16,刀具刃倾角的选用： 精加工取S 0 粗加工取S 0 加工细长工件采用S 0 ,刃倾角的作用： （1）影响排屑方向： S 0 排向待加工表面 ； S 0 排向已加工表面； S =0 前刀面上卷曲,在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。 刃倾角的标注：,5. 刃倾角S：,（2）影响切入切出的稳定性 （3）影响背向分力大小,南京理工大学,17,南京理工大学,18,一、刀具结构,南京理工大学,19,切削部分组成 三面 两刃 一尖,前刀面Ar,主切削刃S,副切削刃S,主后面Aa,副后面Aa,刀尖,南京理工大学,20,二、刀具静止参考系,1 假设条件 假定运动条件：进给量f=0 假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高； 刀杆方向与进给方向垂直。,南京理工大学,21,2 辅助平面,南京理工大学,22,切削平面Ps：过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。 基面Pr：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。 正交平面Po（主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平面和基面相垂直的平面。,南京理工大学,23,三、刀具标注角度,刀具的标注角度是指静止状态下，在工程图上标注的刀具角度。 前角0、后角0 主偏角Kr、副偏角Kr 刃倾角S,南京理工大学,24,1 正交平面中测量的角度,1)前角0 前刀面与基面之间的夹角。,2)后角0 主后刀面与切削平面之间的夹角。,南京理工大学,25,南京理工大学,26,前角、后角的作用,前角的作用：锋利，影响刀具强度 后角的作用：减小后刀面与工件间的摩擦和磨损,南京理工大学,27,2 基面中测量的角度,1）主偏角Kr 主切削刃与进给方向之间的夹角。,2）副偏角Kr 副切削刃与进给反方向之间的夹角。,南京理工大学,28,南京理工大学,29,主偏角的作用,主偏角的作用： 影响切削刃工作长度、背向力和刀具寿命，一般为3075，加工细长工件采用9093 。,南京理工大学,30,副偏角的作用,副偏角的作用：影响表面粗糙度,南京理工大学,31,3 切削平面中测量的角度,刃倾角s 主切削刃与基面之间的夹角。,当主切削刃与基面平行时s=0； 当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时s 0；反之s 0。,南京理工大学,32,刃倾角的作用,S 0 切屑排向待加工表面 ； S 0 切屑排向已加工表面； S =0 切屑前刀面上卷曲,南京理工大学,33,南京理工大学,34,例题：,下图为外圆车削示意图，在图上标注：（1）主运动、进给运动和背吃刀量；（2 ）已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；（3）基面、主剖面和切削平面；（4）刀具角度015、06、Kr55、Kr45、s10 。,南京理工大学,35,南京理工大学,36,南京理工大学,37,南京理工大学,38,1） 粗加工塑性材料时，选择大前角0，小后角0，小主偏角Kr，较小或负的刃倾角s；加工脆性材料时可适当减小前角0；加工高硬度难加工材料时，采用负前角(00)。 2）精加工时，一般选择较大后角0，较小的前角0，非负的刃倾角（s0），加工细长轴时选择大主偏角Kr。,l刀具角度的选择原则：,南京理工大学,39,刀具工作角度,通常情况下 工作角与标注角近似相等。如普通车削、镗孔、铣削等。 当 较大时或安装误差较大时必须考虑其影响。如：车螺纹、铲背、钻孔等。 刀具的安装条件变化也引起了参考系的变化。,1. 刀具工作参考系（PrePsePoe） 刀具工作角度又称刀具切削角度：刀具实际切削条件下的实际角度。,工作参考系与静止参考系的差别：工作条件下，合成切削速度为主运动与进给运动的合成速度；而静止条件下合成速度与切削速度是一致的。,南京理工大学,40,（3）刀杆中心线与进给方向不垂直时工作角度变化,（2）刀尖安装高低对工作角度的影响 车外圆刀尖安装偏高（低）： 工作前角增大（小），工作后角减小（大）； 镗内孔刀尖安装偏高（低）： 工作前角减小（大） ，工作后角增大（小） 。,对工作角度的影响,（1）进给对工作角度的影响 横向进给： 纵向进给： 0e=0+ 0e=0- 工作前角增大，工作后角减小。,南京理工大学,41,1.2.2 刀具材料,l刀具材料的基本性能 高硬度 高耐热性 足够的强度和韧性 高耐磨性 良好的工艺性 五个基本性能相互联系，又相互制约，应根据具体加工条件，抓主要性能，兼顾其它。,南京理工大学,42,l 常用刀具材料的种类及应用,南京理工大学,43,l切削用量的选择原则：,1） 粗加工时，为提高机械加工效率，首先选择较大的切削深度，其次是较大的进给量，最后选择中低切削速度，以保证刀具寿命。 2） 精加工时，为保证加工质量，首先选择较小的切削深度（保证加工尺寸精度），其次选择较小的进给量（保证表面粗糙度要求），最后选择低速（高速钢刀具）或高速（硬质合金刀具）切削，以保证刀具寿命。,南京理工大学,44,1.3 切削过程中的物理现象1.3.1 切削过程,l 切屑的形成： 推挤作用 切割作用,崩碎切屑：不规则屑片，较低 vc，较大ap，f 加工脆性金属时产生。,l切屑的种类（不考虑刀具断屑等因素的影响） 带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大0，高vc，小ap，f 加工塑性金属时产生。,节状（挤裂）切屑：上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑，较低 vc，较大ap，f 加工中等硬度塑性金属时产生。,粒状（单元）切屑：菱形单元分离体，较低 vc，较大ap，f 加工硬度较高塑性较差金属时产生。,南京理工大学,45,l 切屑变形,（1）第I变形区（剪切区、塑性变形区）：从开始发生塑性变形到晶粒剪切滑移基本完成。 切屑收缩现象： 变形系数越大，切削变形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量越差。,南京理工大学,46,形成条件：中低速切削塑性金属 冷焊现象：挤压与摩擦产生高温高压，同时摩擦带走杂质，刀具表面与切屑表面新鲜金属粒子间的亲合力和摩擦力之和大于切屑材料内部粒子间的亲合力，就会从切屑上撕下一小块金属粘接在前刀面上，形成积屑瘤。 特性：无有小大脱落 周期性 对切削过程的影响：保护刀刃；使工作前角增大，切削刀减小；切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度。,滞流现象: 切削塑性金属时，由于切屑底层与刀具的挤压和摩擦，切屑底层金属流速减缓的现象。 积屑瘤：在一定温度、压力条件下，滞流层与前刀面之间的摩擦力大于切屑底层内部晶粒的间的亲和力，滞流层部分金属粘结在前刀面切屑刃附近，形成的一块硬的金属层（由于塑性变形，硬比度比工件材料高23倍）,（2）第II变形区（摩擦区）,南京理工大学,47,变形强化（加工硬化） 成因：1）挤压塑性变形 2）表面相变 对加工过程的影响： 影响后续加工 影响加工表面质量 产生残余应力 消除变形强化的措施： 通过热处理降低材料塑性； 采用切削液； 加工后通过热处理消除变形强化。,（3）第III变形区（挤压区）,南京理工大学,48,1.3.2切削力和切削功率,l 切削力的来源与分解 （1）切削力的来源：变形抗力和摩擦阻力 切削力是所有切削力的合力，为空间交变力。 （2）切削力的几何分力（车削外圆为例） 主切削力Fc（主运动方向上的正投影（分力） 进给力Ff（进给方向上的正投影（分力） 背向力Fp（垂直于工作平面上的分力）,l 切削力估算与切削功率 （1）Fc=kcAD=kcapf 其中；kc为单位切削力，同一材料，在一定切削条件下kc是不变的，可测定 （2）切削功率Pc=FcVc,南京理工大学,49,l 影响切削力的因素：,（1）工件材料：材料成分、组织和力学性能是影响切削力的主要因素。强度、硬度、塑性、韧性越大切削力越大； （2）切削用量：影响最大的是ap ，其次是f，切削速度c最小，Fc与ap 是1：1，f影响7080%， c 影响积屑瘤的存在，有积屑瘤时F明显减小。 （3）刀具几何角度：0增大，刃口锋利、切削变形小，摩擦小，切削力减小；o增大、摩擦减小，切削力减小；Kr增大Fp减小；正s，Fp减小Ff增大。 （4）其它因素：切削液使用润滑条件好，切削力减小，刀具磨损后切削力剧增。,南京理工大学,50,1.3.3 切削热和切削温度,l 切削热的来源与传散 （1）切削热来源于：切削层材料弹、塑性变形变形热 刀具前、后刀面的摩擦摩擦热 三个切削变形区是三个主要热源区 （2）切削热的传散：通过刀具、切屑、工件和周围介质（如：空气、切削液等）散热。,l切削温度及其影响因素 切削温度取决于切削热的产生与传热的综合因素，切削温度太高，工件产生热变形，加工精度下降，刀具寿命降低。 影响切削温度的因素：切削用量、工件材料、刀具几何角度、其它条件 切削量中影响最大的是切削速度c ，其次是f， ap影响最小,南京理工大学,51,1.3.4 刀具磨损与刀具寿命,l刀具磨损过程 初期磨损阶段：刀具表面粗糙度大、单位面积压力高，磨损快。 正常磨损阶段 急剧磨损阶段：磨损后切削温度升高，磨损量急剧增加。,l 刀具磨损形式 （1）后面磨损：切削脆性材料，切削塑性材料hD0.5mm用月牙洼最大深度KT表示。 （3）前后面同时磨损：切削塑性材料hD在0.10.5mm之间大多数情况下前、后刀具都有磨损，后刀面磨损对加工质量影响最大，测量方便，通常以VB来表示刀具磨损程度。,南京理工大学,52,l 刀具寿命及其影响因素 磨钝标准：通常指刀具后刀面允许的最大磨损量。 刀具寿命T：刀具开始切削到达到磨钝标准的切削时间。 影响刀具寿命的因素：切削用量；工件材料；刀具材料及几何角度；其它因素。 切削量中影响最大的是切削速度c ，其次是f，ap影响最小。,南京理工大学,53,1.4 工件材料的切削加工性,1.4.1 切削加工性的概念和标志方法,南京理工大学,54,l影响因素 材料硬度；材料塑性和韧性；材料强度；弹性模量E；导热系数；其它因素。 l 改善措施 （1）选用切削性好材料及表面状态好的材料 （2）热处理改善切削加工性，中、低碳钢正火处理；高碳钢球化退火；（中碳及中碳合金钢）调质钢调质处理。 （3）选用合理的刀具材料及刀具角度 （4）特种切削加工：振动切削；加热切削；低温切削。,1.4.2 影响切削加工性的因素及其改善措施,南京理工大学,55,1.5 切削液,1.5.3切削液的选用 粗加工：主要以降低切削温度、冷却为主。 精加工：主要是改善表面质量，提高刀具耐用度，稳定精度，以润滑为主。 切削高强度钢、高温合金钢等难加工材料，应选用极压切削油或极压乳化液。,合理地选用冷却润滑液切削速度可提高5%20%，刀具寿命明显提高，加工表面粗糙度值减小，节能5%20%，生产效率提高。,1.5.1切削液的作用 冷却作用； 润滑作用； 清洗作用； 防锈作用,1.5.2切削液的种类 水溶液冷却为主 切削油润滑为主 乳化液兼顾冷却与润滑,