机械制造技术基础教学课件金属切削加工的基础

机械制造技术基础机械制造技术基础武武 凯凯南京理工大学机械工程学院本课程的重要性本课程的重要性n制造水平的高低是衡量国家综合国力的重要标志制造水平的高低是衡量国家综合国力的重要标志，机械制造业是制造业的最主要组成部分n机械制造基础机械制造基础是对机械制造专业知识的系统的概括与总结。为从事机械制造、机械设计、车辆工程、控制与检测等专业方向高级工程技术人才的培养奠定奠定制造知识基础制造知识基础n本课程是一门实践性、综合性较强的专业技术基础课专业技术基础课程程,是机械工程及其自动化专业的必修课必修课，是构成机械制造专业知识的主干课主干课课程的教学内容与目标课程的教学内容与目标n互换性与技术测量n内容如何提出技术要求(尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度、公差与配合)n目标具有在机械设计中正确确定零件几何要素技术要求、标注标准和技术条件的基础知识n机械制造基础与工艺n内容如何实现技术要求（机床、刀具、工艺）n目标初步掌握机械加工中的综合性工艺基础知识，具备解决机械加工工艺过程中一般生产技术问题的初步能力课程的教学计划与方法课程的教学计划与方法n共共4.54.5学分学分,分两个学期学习分两个学期学习n第一学期学习（切削运动、刀具、机床及加工方法、机械加工工艺规程、典型零件加工）n第二学期学习（机械加工质量、机械装配工艺、机床夹具设计、现代机械制造技术）n以课堂讲授为主以课堂讲授为主，通过实验、作业、答疑、课堂互动、个别辅导与交流一起学习、提高课程的考核方式课程的考核方式n闭卷考试闭卷考试n期末占期末占80%80%，实验占，实验占10%10%，平时（考勤、，平时（考勤、作业等）占作业等）占10%10%教材与参考书教材与参考书n教材教材n袁军堂，机械制造技术基础n参考书参考书n方子良，机械制造技术基础，上海交通大学出版社，2004n赵雪松，机械制造技术基础，华中科技大学出版社，2006第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识n金属切削加工实例第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识n内容n切削加工运动分析及切削要素n金属切削刀具n切削过程中的物理现象n工件材料的切削加工性n切削液1.1 切削加工的运动分析及切削要素切削加工的运动分析及切削要素1.1.1零件表面的形成零件表面的形成n零件的表面都是由回转体表面(外圆面、内圆面)、平面和曲面等组成。零件表面的切削加工通过切削运动切削运动完成。1.1 1.1 切削加工的运动分析及切削要素切削加工的运动分析及切削要素 回回转转体体表表面面：是是以以直直线线为为母母线线作作旋旋转转运运动动所所形形成成的的表表面面；成成型型方方法法主主要要有有：车车削削、钻钻孔孔、扩扩孔孔、镗镗孔孔、铰铰孔孔、内内外外圆圆磨磨削削等等。如构成轴类、盘套类零件的内外圆、圆锥等。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零件表面的形成 平面平面：是以直线为母线作直线运动形成的表面是以直线为母线作直线运动形成的表面；如机床导轨；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。面、轴端面等，成型方法主要有：铣削、刨削、平面磨削等。曲面曲面：是以曲线为母线作旋转或平移所形成的表面是以曲线为母线作旋转或平移所形成的表面；如螺；如螺旋桨、汽车外型面等，成型主要方法有：铣削、成形磨削、数旋桨、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、激光加工等控铣削、电火花加工、激光加工等1.1.2切削运动切削运动主运动主运动：切除切屑所需的基本运动。：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。个特点：速度最快；消耗功率最大；唯一性。概念：刀具与工件间的相对运动，以切除多余的金属概念：刀具与工件间的相对运动，以切除多余的金属分类：分类：进给运动进给运动：使金属层不断投入被切削的运动。：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；可以为一个或多个特点：速度较慢；消耗功率较小；可以为一个或多个。个。常见机床的切削运动常见机床的切削运动机床名称机床名称主运动主运动进给运动进给运动卧式车床卧式车床工件旋转工件旋转车刀纵向、横向移动车刀纵向、横向移动钻床钻床钻头旋转钻头旋转钻头轴向移动钻头轴向移动铣床铣床铣刀旋转铣刀旋转工件纵向、横向、垂直方向移动工件纵向、横向、垂直方向移动牛头刨床牛头刨床刨刀往复刨刀往复工件横向、垂直方向间隙移动工件横向、垂直方向间隙移动龙门刨床龙门刨床工件往复工件往复刨刀横向、垂直方向间隙移动刨刀横向、垂直方向间隙移动内、外圆磨床内、外圆磨床砂轮旋转砂轮旋转工件旋转、工件往复或砂轮横向移动工件旋转、工件往复或砂轮横向移动平面磨床平面磨床砂轮旋转砂轮旋转工件往复移动，砂轮横向、垂直移动工件往复移动，砂轮横向、垂直移动镗床镗床镗刀旋转镗刀旋转镗刀轴向移动、工件轴向移动镗刀轴向移动、工件轴向移动已加工表面已加工表面加工表面（过渡表面）加工表面（过渡表面）待加工表面待加工表面加工表面加工表面n切削要素n切削用量三要素切削用量三要素体现了刀具与工件之间相互作用条件与相互关系。直接影响刀具耐用度、加工质量与加工效率。n切削速度vcn进给量fn背吃刀量（切削深度）apn切削层尺寸平面要素切削层尺寸平面要素n切削层公称厚度hDn切削层公称宽度bDn切削层公称横截面积AD第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识n切削用量三要素n切削速度切削速度vc主运动的线速度，即单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。主运动为旋转运动时：vc=d n/1000(m/min)其中:d工件待加工表面的直径 n工件的转速主运动为往复直线运动时：vc=2Lnr/1000(m/min)其中:L往复运动行程长度 nr主运动每分钟往复次数第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识n切削用量三要素n进给量进给量 f 进进给给量量表表示示进进给给运运动动的的速速度度。在主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，单位是mm/r(用于车削、镗削等)或mm/行程(用于刨削、插削等)。进给运动速度还可以用进给速度Vf（单位mm/min）或每齿进给量fz(用于铣刀、铰刀等多刃刀具，单位是mm/齿)表示。Vf=nf=nzfz 其中：n主运动的转速 z刀齿齿数第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识n切削用量三要素切削用量三要素n背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）ap 待加工表面与已加工表面的垂直距离待加工表面与已加工表面的垂直距离 对外圆面：ap=(dw-dm)/2 其中：dw工件待加工表面的直径(mm)dm工件已加工表面的直径(mm)补充定义：补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的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。主切削刃切入工件的深度。第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识dwdm第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识n切削用量三要素：切削用量三要素：各种切削方法的切削用量三要素标注各种切削方法的切削用量三要素标注切削层尺寸平面要素切削层尺寸平面要素n切削层：两个相邻加工表面之间的材料。工件（刀具）每转一圈,刀具切削刃从工件上切削下来转化为切屑的金属层。n切削层尺寸平面PD：过主切削刃基点（作用切削刃的中点），并垂直于该点主运动方向的平面。第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识切削层尺寸平面要素切削层尺寸平面要素n切削层公称厚度切削层公称厚度hD=f sinkr切削层尺寸平面内沿垂直于切削刃方向所测得的切削层尺寸n切削层公称宽度切削层公称宽度bD=ap/sinkr切削层尺寸平面内沿切削刃方向所测得的切削层尺寸第第1章章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识n切削层尺寸平面要素n切削层公称横截面积ADAD=hDbD=f apn残留高度反映加工后的表面粗糙度残留高度反映加工后的表面粗糙度1.2金属切削刀具金属切削刀具n刀具的组成刀具的组成：夹持部分夹持部分 工作部分工作部分/切削部分切削部分n刀具的分类刀具的分类：按工种：车刀、铣刀、刨刀、滚刀等。按工种：车刀、铣刀、刨刀、滚刀等。按按功功能能：外外圆圆车车刀刀、切切断断刀刀、螺螺纹纹刀刀、偏偏刀刀、尖尖刀刀、镗孔刀、成形刀等。镗孔刀、成形刀等。n刀刀具具的的形形式式：整整体体式式、焊焊接接式式、机机械械安安装装式式（压压板板压紧）压紧）机夹不重磨刀具铣刀、螺纹刀具无论刀具结构如何复杂，都可以认为是由普无论刀具结构如何复杂，都可以认为是由普通外圆车刀切削部分演变或组合而成。通外圆车刀切削部分演变或组合而成。1.2.1刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的基本定义切削部分：切削部分：前刀面前刀面Ar主切削刃主切削刃S主后面主后面Aa刀尖刀尖副后面副后面Aa副切削刃副切削刃S 1.2.2刀具的静止参考系刀具的静止参考系（PrPsPo系系正交平面参照系）正交平面参照系）（1）静止参照系的假设条件：）静止参照系的假设条件：假定运动条件：进给量假定运动条件：进给量f=0 假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高；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。刀杆方向与进给方向垂直。（2）辅助平面：）辅助平面：切削平面切削平面Ps：过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。即主运动速度与该点的切削刃的切线构成的平面。即主运动速度与该点的切削刃的切线构成的平面。基面基面Pr：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。正交平面正交平面Po（主剖面）：主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平过切削刃上同一点，与切削平面和基面相垂直的平面。面和基面相垂直的平面。前角的作用：前角的作用：前角前角切屑变形切屑变形切削力切削力刃口强度刃口强度前刀面磨损前刀面磨损导热体积导热体积刀具前角的选用：刀具前角的选用：加工塑性材料选大前角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脆性材料、断续切削选小前角加工硬材料选用负前角加工硬材料选用负前角n刀具的标注角度是指静止状态下，在工程图上标注的刀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）具角度。（下面以车刀为例介绍刀具的标注角度）刀刀具具标标注注前前角角0：在在正正交交平平面面内内测测量量的的，前前刀刀面面与与基基面面的的夹夹角。（注意：前角有正、负之分）角。（注意：前角有正、负之分）前角的标注前角的标注1.2.3刀具标注角度的定义刀具标注角度的定义n在正交平面内测量的，后刀面与切削平面的夹角。在正交平面内测量的，后刀面与切削平面的夹角。n后角的标注后角的标注后角的作用及影响：后角的作用及影响：后角后角后刀面与加工表面间的摩擦后刀面与加工表面间的摩擦后刀面磨损后刀面磨损刃口强刃口强度度导热体积导热体积刀具后角的选用：刀具后角的选用：粗加工选小后角、精加工选大后角粗加工选小后角、精加工选大后角选大前角时选小后角以增大刃口强度选大前角时选小后角以增大刃口强度刀具标注刀具标注注注后角后角0主偏角的作用：主偏角的作用：主偏角主偏角切削刃工作长度切削刃工作长度刀尖强度刀尖强度导热体积导热体积径向分力径向分力主偏角的选用：主偏角的选用：一般为一般为3075,加工细长工件采用加工细长工件采用9093副偏角的作用：副偏角的作用：副偏角副偏角副后面与工件已加工表面摩擦副后面与工件已加工表面摩擦刀尖强度刀尖强度表面粗糙度表面粗糙度副偏角的选用：副偏角的选用：一般为一般为520,特殊要求可采用特殊要求可采用Kr=0的修光刃的修光刃主偏角主偏角Kr：在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。副偏角副偏角Kr：在基面内测量的，副切削刃与进给反方向的夹角。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：主偏角和副偏角的标注：主偏角与副偏角主偏角与副偏角刀具刃倾角的选用：刀具刃倾角的选用：精加工取精加工取S0粗加工取粗加工取S0工细长工件采用工细长工件采用S0n刃倾角的作用：刃倾角的作用：（1）影响排屑方向：）影响排屑方向：S0排向待加工表面排向待加工表面；S0排向已加工表面；排向已加工表面；S=0前刀面上卷曲前刀面上卷曲n在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。n刃倾角的标注：刃倾角的标注：刃倾角刃倾角S（2）控制切削刃切入时首先与工件接触的位置）控制切削刃切入时首先与工件接触的位置（3）影响切入切出的稳定性）影响切入切出的稳定性（4）影响背向分力大小）影响背向分力大小例题：例题：下图为外圆车削示意图，在图上标注：下图为外圆车削示意图，在图上标注：下图为外圆车削示意图，在图上标注：下图为外圆车削示意图，在图上标注：1 1 1 1 主运动、进给运动和背吃刀量；主运动、进给运动和背吃刀量；主运动、进给运动和背吃刀量；主运动、进给运动和背吃刀量；22已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；33基面、主剖面和切削平面；基面、主剖面和切削平面；基面、主剖面和切削平面；基面、主剖面和切削平面；4 4 4 4 刀具角度刀具角度刀具角度刀具角度 0 01515 、0 06 6 、KKr r5555 、KKr r 4545 、s s1010 。1.2.4 1.2.4 刀具工作角度刀具工作角度通通常常情情况况下下 工工作作角角与与标标注注角角近近似似相相等等。如如普普通通车削、镗孔、铣削等。车削、镗孔、铣削等。当当 较较大大时时或或安安装装误误差差较较大大时时必必须须考考虑虑其其影影响响。如如：车车螺纹、钻孔等。螺纹、钻孔等。刀具工作角度刀具工作角度又称刀具切削角度。刀具在实际切削条件下的角度。又称刀具切削角度。刀具在实际切削条件下的角度。1.刀具工作参考系（刀具工作参考系（PrePsePoe）工作参考系与静止参考系的差别工作参考系与静止参考系的差别：n 进给速度不为零：合成切削速度为主运动与进给运动进给速度不为零：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。的合成速度；而静止条件下合成速度与切削速度是一致的。n刀具的安装条件变化刀具的安装条件变化（3）刀杆中心线与进给方向不垂直时工作角度变化）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）刀尖安装高低对工作角度的影响车外圆刀尖安装偏高（低）：车外圆刀尖安装偏高（低）：工作前角增大（小），工作后角减小（大）；工作前角增大（小），工作后角减小（大）；镗内孔刀尖安装偏高（低）：镗内孔刀尖安装偏高（低）：工作前角减小（大）工作前角减小（大），工作后角增大（小），工作后角增大（小）。对工作角度的影响对工作角度的影响（1）进给对工作角度的影响）进给对工作角度的影响横向进给：横向进给：纵向进给：纵向进给：0e0e=0 0+0e0e=0 0-工作前角增大，工作后角减小。工作前角增大，工作后角减小。1.2.4 刀具工作角度刀具工作角度n刀杆中心线与进给方向不垂直时工作角度的变化n主偏角与副偏角发生变化n刀具材料刀具材料刀具在切削过程中要承受很大的载荷，较高的切削温度和摩擦。刀具材料的切削性能，直接影响刀具的耐用度和生产率；刀具材料的工艺性，将影响刀具本身的制造和刃磨质量。1.2.5 刀具材料刀具材料n刀具材料的基本性能刀具材料的基本性能n高的硬度n刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC60以上。n高的耐热性n刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。n足够的强度和韧性n承受切削力而不变形和承受冲击载荷或振动而不断裂、崩刃的能力。n高的耐磨性n工艺性n高温可塑性、可加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。1.2.5 刀具材料刀具材料n常用刀具材料常用刀具材料n工具钢工具钢n碳素工具钢n低合金工具钢n高合金工具钢（高速钢）n通用型高速钢、高性能高速钢n熔炼高速钢和粉末高速钢n硬质合金硬质合金nYG（K）类，YT(P)类，YW（M）类n其它材料其它材料n涂层刀具、陶瓷、金刚石、立方氮化硼1.2.5 刀具材料刀具材料耐热性差，仅用于手工（锉刀、刮刀等）或切削耐热性差，仅用于手工（锉刀、刮刀等）或切削速度较低（丝锥、板牙、机用铰刀等）的刀具速度较低（丝锥、板牙、机用铰刀等）的刀具n通用型高速钢通用型高速钢n钨钢 典型牌号为W18Cr4V（简称W18）。含W18、Cr4%、V1。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小；磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方法制造刀具（如热轧钻头）。n钨钼钢 将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为W6MoCr4V2（简称M2）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性也好，目前广为应用。1.2.5 刀具材料刀具材料1.2.5 刀具材料刀具材料n高性能高速钢高性能高速钢n是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素钒量及添加钴、铝等元素。按其耐热性，又称为高热稳定性高速钢。具有更好的切削性能，耐用具有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高度较通用型高速钢高1.33倍倍。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。典型牌号有钒高速钢、钴高速钢、铝高速钢等。n粉末冶金高速钢n用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状，具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.53倍；磨加工性能好；物理机械性能高度各向同性，淬火变形小；耐磨性能提高2030，适合制造切削难加工材料的刀具，大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。1.2.5 刀具材料刀具材料1.2.5 刀具材料刀具材料n硬质合金nYG（K）类，即类，即WCCo类硬质合金类硬质合金由WC和Co组成。牌号有YG6、YG8、YG3X、YG6X，含钴量分别为6、8、3、6，组织结构有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般（YG6、YG8）为中晶粒组织，细晶粒硬质合金（如YG3X、YG6X）在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些，但抗弯强度、韧性则低些。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，较较适适于于加加工工产产生生崩崩碎碎切切屑屑、有有冲冲击击切切削削力力作作用用在在刃刃口口附附近近的的脆脆性性材材料料，如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高（如端铣）的钢料等。1.2.5 刀具材料刀具材料n硬质合金nYT(P)类，即类，即WCTiCCo类硬质合金类硬质合金硬质点相除硬质点相除WC外，还含有外，还含有530的的TiC。牌号有YT5、YT15、YT30，TiC的含量分别为5、15、30，相应的钴含量为10、6、4，分别用于粗加工、半精加工和精加工。含钴量增加，抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工，含钴减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。与与YG类比较，类比较，硬度和耐磨性提高，但是冲击硬度和耐磨性提高，但是冲击韧性降低。韧性降低。适于加工塑性金属，适于加工塑性金属，不宜加工脆性材料不宜加工脆性材料。应注意，不适合加工钛合金，因YT中的钛元素之间的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具磨损。1.2.5 刀具材料刀具材料n硬质合金nYW（M）类，即WCTiCTaCCo类硬质合金在YG类中加入TaC（NbC）可提高其高温强度、硬度与耐磨性；在YT类中加入TaC（NbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁，也可加既可用于加工铸铁，也可加工钢，因而又有通用硬质合金之称。工钢，因而又有通用硬质合金之称。常用的牌号为YW1和YW2。n其它n超细晶粒硬质合金（1变形系数越大，切削变变形系数越大，切削变形越大，切削力越大，形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削温消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量度越高，加工表面质量越差。越差。n形成条件：形成条件：中低速切削塑性金属中低速切削塑性金属n 本本质质冷冷焊焊现现象象：挤挤压压与与摩摩擦擦产产生生高高温温高高压压，同同时时摩摩擦擦带带走走杂杂质质，刀刀具具表表面面与与切切屑屑表表面面新新鲜鲜金金属属粒粒子子间间的的亲亲合合力力和和摩摩擦擦力力之之和和大大于于切切屑屑材材料料内内部部粒粒子子间间的的亲亲合合力力，就就会会从从切切屑屑上上撕撕下下一一小小块块金金属属粘粘接在前刀面上，形成积屑瘤。接在前刀面上，形成积屑瘤。n 特性：特性：无无有有小小大大脱落脱落 周而复始周而复始n 对对切切削削过过程程的的影影响响：保保护护刀刀刃刃；使使工工作作前前角角增增大大，切切削削刀刀减减小小；切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度。切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度。n滞滞流流现现象象:切切削削塑塑性性金金属属时时，由由于于切切屑屑底底层层与与刀刀具具的的挤挤压压和和摩摩擦擦，切屑底层金属流速减缓的现象。切屑底层金属流速减缓的现象。n积积屑屑瘤瘤：在在一一定定温温度度、压压力力条条件件下下，滞滞流流层层与与前前刀刀面面之之间间的的摩摩擦擦力力大大于于切切屑屑底底层层内内部部晶晶粒粒间间的的亲亲和和力力，滞滞流流层层部部分分金金属属粘粘结结在在前前刀刀面面切切屑屑刃刃附附近近，形形成成的的一一块块硬硬的的金金属属层层（由由于于塑塑性性变变形形，硬硬度度很高，约为工件材料很高，约为工件材料2-32-3倍）倍）（2 2）第）第IIII变形区（摩擦区）变形区（摩擦区）形变强化（加工硬化）形变强化（加工硬化）n成因成因n挤压、摩擦导致剧烈的塑性变形挤压、摩擦导致剧烈的塑性变形 n对加工过程的影响对加工过程的影响n影响后续加工影响后续加工n影响加工表面质量影响加工表面质量n产生残余应力产生残余应力n消除变形强化的措施消除变形强化的措施n通过热处理降低材料塑性通过热处理降低材料塑性n采用切削液采用切削液n增大前角、后角增大前角、后角n加工后通过热处理消除变形强化加工后通过热处理消除变形强化（3 3）第）第IIIIII变形区（挤压区）变形区（挤压区）1.3.2 1.3.2 切削力和切削功率切削力和切削功率n 切削力的来源切削力的来源 n 变形抗力和摩擦阻力变形抗力和摩擦阻力1.3.2 1.3.2 切削力和切削功率切削力和切削功率n切削力的几何分力切削力的几何分力（以车削外圆为例）（以车削外圆为例）n主主切切削削力力F Fc c 在在主主运运动动方方向向上上的的正正投投影影（分分力力）,是是计计算算机机床床功功率率和和主传动系统零件强度和刚度的主要依据。主传动系统零件强度和刚度的主要依据。n进进给给力力F Ff f 在在进进给给方方向向上上的的正正投投影影（分分力力）,是是设设计计或或校校核核进进给给系系统统零件强度和刚度的主要依据。零件强度和刚度的主要依据。n背背向向力力F Fp p 吃吃刀刀方方向向的的分分力力,是是影影响响工工件件轴轴线线变变弯弯、切切削削过过程程稳稳定定，进而影响加工质量的重要因素。进而影响加工质量的重要因素。1.3.2 1.3.2 切削力和切削功率切削力和切削功率n切削力估算与切削功率切削力估算与切削功率n切削力的估算切削力的估算 F Fc c =k kc c A AD D=k kc c a ap p f fn切削功率切削功率 P Pc c=F Fc c V Vc cn经验公式、回归经验公式、回归n影响切削力的因素影响切削力的因素（1）工件材料：材料成分、组织和物理力学性能是影响切削力的主要因素。一般，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。ap 与Fc同比增大；f 增大1倍，Fc只增加70-80%；c 影响积屑瘤的存在，有积屑瘤时Fc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。1.3.2 1.3.2 切削力和切削功率切削力和切削功率n切削力的测量1.3.2 1.3.2 切削力和切削功率切削力和切削功率1.3.3 1.3.3 切削热和切削温度切削热和切削温度n切削热切削热n产生产生切削层材料的弹、塑性变形，切屑与前刀面之间的摩擦，工件与后刀面之间的摩擦。刀具刀具后刀面热源区后刀面热源区剪切面热源区剪切面热源区前刀面热源区前刀面热源区n切削热n传出Q切削热切削热Qt刀具刀具Qw工件工件Qc切屑切屑Qm介质介质1.3.3 1.3.3 切削热和切削温度切削热和切削温度n切削温度切削温度n切削区域的平均温度平均温度称为切削温度。n切削热仅与热量的产生有关，而与热量的传出无关。n切削温度不仅与热量的产生有关，而且与热量的传出有关。与切削热的大小及其传出快慢有关。1.3.3 1.3.3 切削热和切削温度切削热和切削温度n影响切削温度的因素n切削用量nV影响最大，f次之，ap最小n刀具几何参数n前角，主偏角n工件材料n强度、塑性、韧性n其它因素1.3.3 1.3.3 切削热和切削温度切削热和切削温度切削温度的测量切削温度的测量 自然热电偶法自然热电偶法工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。人工热电偶法人工热电偶法红外测温法红外测温法1.3.4 1.3.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命l刀具磨损过程刀具磨损过程l刀具磨损形式刀具磨损形式（1 1）后后面面磨磨损损：切切削削脆脆性性材材料料，切切削削塑塑性性材材料料且且切切削削层层厚厚度度h hD D 0.1mm0.5mm0.5mm。用月牙洼最大深度用月牙洼最大深度KTKT表示。表示。（3 3）前后面同时磨损：）前后面同时磨损：切削塑性材料且切削塑性材料且h hD D在在0.10.5mm0.10.5mm之间。之间。后后刀刀面面磨磨损损对对加加工工质质量量影影响响最最大大，通通常常以以VBVB来来表表示示刀刀具具磨磨损程度。损程度。刀具磨损的原因刀具磨损的原因n磨粒磨损磨粒磨损n工件材料中 含 有 硬度 极 高 的硬 质 点 在刀 具 表 面刻 划 出 沟纹（机 械磨损）刀具磨损的原因刀具磨损的原因n粘结磨损粘结磨损n剧烈的挤压和摩擦造成刀具和工件材料之间会发生粘结，摩擦副之间的相对运动使得刀具上粘结点破裂，被工件和切屑带走所产生的刀具磨损。刀具磨损的原因刀具磨损的原因n扩散磨损扩散磨损n高温时刀具和工件材料的组成因素在固态下相互扩散，刀具的原有成分发生改变，使得刀具材料性能降低而造成的刀具磨损。刀具磨损的原因刀具磨损的原因n氧化磨损氧化磨损n高温时刀具材料被氧化形成氧化膜，当氧化速度大高温时刀具材料被氧化形成氧化膜，当氧化速度大于刀具表面所发生的扩散、粘结速度时，刀具产生于刀具表面所发生的扩散、粘结速度时，刀具产生氧化磨损。因为氧化磨损。因为O O与与W W的结合易于的结合易于C C与与W W的结合，因此的结合，因此O O会与会与W W反应生成反应生成WOWO，从而削弱刀具的强度。，从而削弱刀具的强度。刀具寿命的概念刀具寿命的概念n磨钝标准：磨钝标准：通常指刀通常指刀具后刀面允许的最大具后刀面允许的最大磨损量。磨损量。n刀具寿命刀具寿命T T：刀具开刀具开始切削，到磨损量达始切削，到磨损量达到刀具磨钝标准所经到刀具磨钝标准所经历的总切削时间。历的总切削时间。影响刀具寿命的因素影响刀具寿命的因素n切削用量切削用量n切削量中影响最大的是切削速度切削量中影响最大的是切削速度 c c，其次是，其次是f f，apap影响最小。影响最小。n工件材料工件材料n强度、硬度、塑性、导热性等。强度、硬度、塑性、导热性等。n刀具材料及几何角度刀具材料及几何角度n刀具材料的热硬性和耐磨性；几何角度影响较大的刀具材料的热硬性和耐磨性；几何角度影响较大的是是0 0 及及0 0。n其它因素其它因素n使用切削液、改善切削条件。使用切削液、改善切削条件。规定刀具切削时间，离线检测常规方法常规方法刀具磨损、破损检测与监控刀具磨损、破损检测与监控 通通过过切切削削力力（切切削削功功率率）变变化化幅幅值值，判判断断刀刀具具的的磨磨损损程程度度；当当切切削削力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值阈值”切削力与切削功率检测方法切削力与切削功率检测方法 切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍 声发射检测方法声发射检测方法 钻头破损检测器声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号刀具磨损、破损检测与监控刀具磨损、破损检测与监控 选择切削用量的传统方法选择切削用量的传统方法 1.确定切削深度ap尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分多次走刀。2.确定进给量 f 粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表）精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）3.确定切削速度 v根据规定的刀具耐用度确定切削速度v（计算或查表）4.校验机床功率(仅对粗加工)由：，可导出：粗、精加工时切削用量的选择原则粗、精加工时切削用量的选择原则n粗粗加加工工时时，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。n 精精加加工工时时，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。优化问题的数学模型优化问题的数学模型求设计变量：X=x1,x2,xn T，使目标函数 f(X)min，并满足约束条件：g i(X)0 （i=1,2,m）切削用量的优化切削用量的优化 设计变量：切削过程可以控制的输入变量，即切削用量。ap通常已由工艺过程确定，故一般取 v 和 f 为设计变量。切削用量优化模型切削用量优化模型2）以最小生产成本为优化目标使工序成本为最小3）以最大利润为优化目标使单位成本金属去除率最大切削用量的优化切削用量的优化 1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短 目标函数目标函数：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。约束条件：指设计变量的取值范围1）机床参数限制2）加工表面粗糙度限制3）机床功率的限制切削用量的优化切削用量的优化 1.4 1.4 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性1.4.1 1.4.1 切削加工性的概念和标志方法切削加工性的概念和标志方法材料的切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度指工件材料被切削加工的难易程度n 切削加工性的标志方法切削加工性的标志方法V Vt t：当刀具寿命为T时，切削某种材料所 允许的切削速度，通常取V60 材料的相对切削加工性材料的相对切削加工性K Kr r=V V6060/(V/(V6060)j j 以以b =735Mpa735Mpa的的4545钢的钢的V V6060为基准，写作为基准，写作(V(V6060)j j材料切削加工性分级材料切削加工性分级加工性等级加工性等级名称及种类名称及种类相对加工性相对加工性Kr1很易切削材料很易切削材料一般有色金属一般有色金属3.02容易切削材料容易切削材料易切钢易切钢2.53.03较易切削钢较易切削钢1.62.54普通材料普通材料一般钢与铸铁一般钢与铸铁1.01.65稍难切削材料稍难切削材料0.651.06难切削材料难切削材料较难切削材料较难切削材料0.50.657难切削材料难切削材料0.150.58很难切削材料很难切削材料0.15n影响因素影响因素 材材料料硬硬度度；材材料料塑塑性性和和韧韧性性；材材料料强强度度；弹弹性性模模量量E E；导热系数；其它因素。导热系数；其它因素。n改善措施改善措施（1 1）选用切削性好的材料及表面状态好的材料。）选用切削性好的材料及表面状态好的材料。（2 2）热热处处理理改改善善切切削削加加工工性性，中中、低低碳碳钢钢正正火火处处理理；高高碳钢球化退火；（中碳及中碳合金钢）调质钢调质处理。碳钢球化退火；（中碳及中碳合金钢）调质钢调质处理。（3 3）选用合理的刀具材料及刀具角度。）选用合理的刀具材料及刀具角度。（4 4）特种切削加工：振动切削；加热切削；低温切削。）特种切削加工：振动切削；加热切削；低温切削。1.4.2 1.4.2 影响切削加工性的因素及其改善措施影响切削加工性的因素及其改善措施1.5 1.5 切削液切削液n切削液的作用n冷却：减小摩擦、使切削热传得快n润滑：边界润滑(干摩擦、流体润滑摩擦、边界摩擦)n清洗n防锈n合理使用切削液，对提高刀具耐用度和加工表面质量、加工精度起重要的作用。1.5 1.5 切削液切削液n切削液的分类n水溶液（天然水中加入适量的添加剂）n主要起冷却作用n切削油（矿物油、动植物油、极压切削油）n主要起润滑作用n乳化液n将矿物油、乳化剂、防锈剂、防霉剂、稳定剂、抗泡沫剂等与95%-98%的水稀释而成。加入油性、极压添加剂和防锈剂，配成极压乳化液和防锈乳化液，具有冷却与润滑两种性能。1.5 1.5 切削液切削液n切削液的选用n粗加工时n选冷却为主的水溶液或乳化液n精加工时n选润滑性较好的极压切削油或高浓度的极压乳化液n切削高强度钢、高温合金钢等难加工材料时n处于极压润滑摩擦状态下，选用极压切削油或极压乳化液1.5 1.5 切削液切削液n切削液的负面影响n零件的生产成本大幅度提高，统计表明，零件加工总成本中，切削液费用占16%，而刀具的费用只占4%。n对环境的严重污染。n直接危害工人的身体健康。1.5 1.5 切削液切削液n高速干切削技术n干切削刀具技术n新型刀具材料：陶瓷、CBN、PCD、超细晶粒硬质合金n涂层技术：硬涂层（TiN、TiC等）、软涂层（自润滑刀具，MoS2、WS)n优化刀具参数：断屑槽、容屑槽等n干切削机床技术：切削热的迅速散发；切屑与灰尘的快速排出n干切削工艺技术n激光辅助干切削：预热，软化n液氮冷却干切削n准干切削：微量润滑技术Minimal Quantity Lubrication（MQL)，压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区。润滑液节省几万倍。