金属切削的基础知识

,第五篇 切削加工,第一章 金属切削的基础知识,第一节 切削运动及切削要素,一、零件的加工表面及切削运动,每一个零件的几何形状虽不同，但主要由几种典型表面构成：内圆柱面、外圆柱面、平面和成形面等。,第一节 切削运动及切削要素,1,不同表面的形成：,（,1,）,内、外圆柱面：,以直线为母线、以圆为轨迹作旋转运动所形成的表面，如图,5-1,所示。,5-1,内、外圆柱面加工的切削运动,（,2,）,平面：,以直线为母线、以另一直线为轨迹作平移运动所形成的表面，如图,5-2,所示。,5-2,平面加工的切削运动,第一节 切削运动及切削要素,（,3,）,成形面：,以曲线为母线、以圆或直线为轨迹作旋转或平移运动所形成的表面，如图,5-3,所示。,5-3,成形面加工的切削运动,2,切削运动,刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。按其功能的不同分为,主运动,和,进给运动,。,第一节 切削运动及切削要素,主运动：,切除工件多余金属所需要的最基本的运动，,速度高、消耗功率大。,进给运动：,使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面的运动。,主运动、进给运动合理组合，可以加工各种不同的工件表面。,第一节 切削运动及切削要素,3,、工件加工表面,以车削为例，工件在车削过程中有三个不断变化着的表面（图,5-4,）：,待加工表面,即将被切除金属层的表面；,已加工表面,已经切去一部分金属而形成的新表面；,加工表面,切削刃正在切削的表面。,5-4,车削运动的加工表面,第一节 切削运动及切削要素,二、切削用量,切削用量包括,切削速度,、,进给量,和,背吃刀量,三要素。切削用量对零件加工质量和生产率有十分重要的影响。,1,）切削速度,V,c,：,切削刃上的选定点相对于工件主运动的瞬时速度。,主运动是,旋转运动,时：,主运动为,往复直线运动,时：,第一节 切削运动及切削要素,2,）,进给量,f,：,刀具在进给运动方向上相对于工件的位移,。,单齿刀具,(,如车刀、刨刀等,),：,刀具或工件每转或每行程，刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，单位为,mm/r,或,mm/st,（图,5-5,）。,图,5-5,车削时切削层尺寸,第一节 切削运动及切削要素,多齿刀具,(,如铣刀,、,钻头,等),：,进给速度,v,f,：,进给运动的瞬时速度（,mm/s,或,mm/st,）；,每齿进给量,f,z,：,刀具每转或每行程中每齿相对工件在进给运动方向上的位移量（,mm/z,）。,f,z,、,f,、,v,f,的关系如下：,（每转的位移,每秒多少转）,（每齿进给量,f,z,刀具齿数,z,每秒多少转）,第一节 切削运动及切削要素,3,）背吃刀量,a,p,(,切削深度,mm),：,切削加工时，待加工表面与已加工表面间的垂直距离,(mm),，也就是垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度，如图,5-6,所示。,图,5-6,车削时的切削深度,第一节 切削运动及切削要素,三、切削层参数,切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属。也就是相邻的两过渡表面之间所夹着的一层金属，如图,5-5,所示。,切削层决定了,切屑的尺寸,和刀具切削部分的,载荷,。,图,5-5,车削时切削层尺寸,第一节 切削运动及切削要素,1,）切削层厚度,h,D,：,相邻两过渡表面之间的垂直距离。,2,）切削宽度,b,D,：,沿主切削刃测量的切削层尺寸。,3,）切削面积,A,D,：,切削层公称横截面积，,A,D,h,D, b,D,图,5-7,切外圆时的切削层要素,因,A,D,不包括残留面积，,A,D,不等于,f,和,a,p,的乘,积。,第二节,刀具材料及刀具构造,第二节,刀具材料及刀具结构,一、刀具材料：,刀具材料指,切削部分的材料,，在高温下工作，要承受切削力、摩擦、冲击、振动，刀具材料必须具有特殊的综合性能。,1,、刀具材料的主要性能要求：,（,1,）较高硬度（,HRC60,以上）；,（,2,）足够强度和韧性（承受切削力，冲击、振动等）；,（,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）；,第二节,刀具材料及刀具构造,2,、常用的刀具材料,刀具材料有,碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼,等，使用最广泛的是,高速钢和硬质合金,。,（,1,）高速钢：,加入了钨（,W,）、钼（,Mo,）、铬（,Cr,）、钒（,V,）等的,合金工具钢,，硬度、耐磨性和耐热性低于硬质合金，但,强度和韧性,却高于硬质合金，,工艺性能,较硬质合金好，而且价格比较便宜。广泛地应用于制造形状较为复杂的各种刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等。,第二节,刀具材料及刀具构造,（,2,）硬质合金,以高硬度、高熔点的,金属碳化物（,WC,、,TiC,）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,。其硬度高，耐磨性好，耐高温，,允许的切削速度,比高速钢高数倍，但强度、韧性和工艺性不如高速钢。常制成各种形式的,刀片,，采用焊接或机械夹紧的方式固定在车刀、刨刀、端铣刀的刀柄（刀体）上。硬质合金可分为,K,、,P,两个主要类别：,K,类（,WC+Co,）：,适用于加工,铸铁，青铜,等脆性材料，主要牌号有,K01,、,K20,、,K30,等，数字为,Co,的百分含量。含,Co,少，材质较脆，但较耐磨。,P,类（,WC,TiC,Co,）,：适用于加工,钢件,。主要牌号有：,P,5,、,P15,、,P,30,，数字为,TiC,的百分,含量，,TiC,含量多，韧性差，但耐磨，耐高温。,第二节,刀具材料及刀具构造,（,3,）涂层刀具材料：,在硬质合金或高速钢基体上，涂敷一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物,(,如碳化钛、氮化钛、氧化铝等,),而制成。,（,4,）人造金刚石：,是目前已知的最硬材料，能对陶瓷、硬质合金等高硬度耐磨材料进行切削加工，使用寿命极高。,但金刚石的热稳定性较差，因此不宜加工钢铁材料。,第二节,刀具材料及刀具构造,（,5,）立方氮化硼（,CBN,）：,硬度仅次于金刚石，热稳定性和化学惰性比金刚石好，可耐,1300,1500,的高温；能切削淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等。刀片可固定在刀杆上，也可以将立方氮化硼与硬质合金压制成复合刀片。,（,6,）陶瓷：,可用于加工钢、铸铁，对于冷硬铸铁、淬硬钢的车削和铣削特别有效，其使用寿命、加工效率和加工表面质量高于硬质合金刀具。,缺点：,抗弯强度低，冲击韧度差，导热能力低和线膨胀系数大；对冲击十分敏感，容易破裂。,第二节,刀具材料及刀具构造,3,、常用刀具种类,（图,5-8,）,切刀,孔加工刀具,拉刀,铣刀,螺纹刀具,齿轮刀具,磨具,图,5-8,常用刀具,第二节,刀具材料及刀具构造,图,5-9,常用的几种车刀,第二节,刀具材料及刀具构造,图,5-10,麻花钻结构,第二节,刀具材料及刀具构造,二、刀具角度,切削刀具的种类很多，但切削部分的,结构要素和几何角度,有许多共同的特征，如图,5-11,所示。,图,5-11,刀具的切削部分,第二节,刀具材料及刀具构造,车刀是最简单的刀具，其它刀具可认为是车刀的演变和组合。以车刀为例，说明刀具切削部分的几何参数，如图,5-12,所示。,图,5-12,外圆车刀,第二节,刀具材料及刀具构造,1.,车刀切削部分的组成,前面,A,切屑沿其流出的表面；,主后面,A,与工件加工面相对的表面；,副后面,A,与工件已加工面相对的表面；,主切削刃,前刀面与主后刀面的交线，完成主要切削工作；,副切削刃,前刀面与副后刀面的交线，配合主刀刃最终形成已加工表面；,刀尖,（过渡刃）,主刀刃与副刀刃的交点；,图,5-12,外圆车刀,第二节,刀具材料及刀具构造,2.,车刀切削部分的主要角度,1,、刀具静止参考系,图,5-13,刀具静止参考系平面,第二节,刀具材料及刀具构造,刀具静止参考系,（图,5-13,）主要包括,基面,、,切削平面,、,正交平面,和,假定工作平面,等：,基面,P,r,通过刀刃某选定点，与假定主运动方向相垂直的平面；,切削平面,P,s,通过刀刃某选定点，与刀刃相切且垂直于基面的平面；,正交平面（主剖面）,P,o,通过刀刃某选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面；,假定工作平面,P,f,通过刀刃某选定点，垂直于基面并平行于假定进给方向的平面。,第二节,刀具材料及刀具构造,2,、车刀的主要角度,设计、制造、刃磨及测量车刀时,主要角度有以下几个（图,5-14,）：,主偏角,r,副偏角,r,前角,后角,刃倾角,S,副后角,o,图,5-14,车刀的主要角度,第二节,刀具材料及刀具构造,（,1,）主偏角,r,：,在基面中，主切削平面与假定工作平面间的夹角。主要影响,切削层的形状、表面粗糙度和切削分力,的大小,。,图,5-15,主偏角对切削层的影响,如图,5-15,所示，当背吃刀量和进给量一定时，,主偏角小,，切下宽而薄的切屑，主切削刃单位长度上的负载较小，而且散热条件好，有利于刀具耐用性的提高。,第二节,刀具材料及刀具构造,如图,5-16,所示，,主偏角小时,，已加工表面残留面积的高度,h,c,亦小，因而可减小表面粗糙度，并且刀尖强度和散热条件较好，有利于提高刀具耐用度。但背向力将增大，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。,5-16,主偏角对残留面积的影响,第二节,刀具材料及刀具构造,图,5-17,主偏角对切削分力的影响,因此，主偏角应根据工件的刚度及加工要求选取合理的数值。车刀常用的主偏角有,45,o,、,60,o,、,75,o,、,90,o,等几种，加粗工时取较大值。,第二节,刀具材料及刀具构造,（,2,）副偏角,r,：,在基面中，副切削平面与假定工作平面间的夹角。主要影响,副切刃、副后刀面与已加工表面之间的摩擦，以及加工面的表面粗糙度。,副偏角小时,，残留面积的高度小，可减小表面粗糙度，刀尖强度和散热条件较好，刀具耐用度提高。副偏角为有,5,o,15,o,。,5-18,副偏角对残留面积的影响,第二节,刀具材料及刀具构造,（,3,）前角,：,在正交平面中测量的前面与基面间的夹角,(,图,5-19,），主要影响,刀具锋利强度、刀具强度、散热条件、磨损及耐用度,。,图,5-19,前角的正与负,采用硬质合金刀具的前角选取：,结构钢：,粗加工，取,1018,度；,精加工，取,1320,度。,灰铸铁：,粗加工，,1015,度；,精加工，,510,度。,第二节,刀具材料及刀具构造,取较大的前角：,切削刃锋利，切削轻快，即切削层材料变形小，切削力小。,前角过大：,切削刃和刀头的强度、散热条件和受力状况变差，使刀具磨损加快，耐用度降低，甚至崩刃损坏。,取较小的前角：,切削刃和刀头较强固，散热条件和受力状况也较好，切削刃变钝，对切削加工也不利。,前角的选择原则,锐字当先，锐中求固。,图,5-20,前角的作用,第二节,刀具材料及刀具构造,（,4,）后角,：,在正交平面中，后面与切削平面间的夹角,(,图,5-21,）。,后角的作用：减少后面的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利与强度。,图,5-21,前角的正与负,后角大,：摩擦小，切削刃锋利，但强度下降，散热差，刀具耐用度下降；,后角小：,切削刃强度高，散热条件好，刀具耐用度提高，但摩擦大。,加工较硬材料或粗加工时：,6,o,-8,o,加工较软材料或精加工时：,8,o,-12,o,第二节,刀具材料及刀具构造,（,5,）刃倾角,S,（,5,o,-5,o,）：,在主切削平面中，主切削刃与基面间的夹角,(,图,5-22,）。主要影响,刀头的强度、切削分力和排屑,。,负刃倾角：,刀头增强，但背向力增大，可能引起振动；切屑流向已加工表面。,粗加工时：,S,取负值；,精加工时：,S,取正值或零；,图,5-22,刃倾角及其对排屑方向的影响,第二节,刀具材料及刀具构造,3,、,刀具的工作角度,刀具工作角度应考虑合成运动和安装条件的影响。,（,1,）刀尖高度对前角、后角的影响（车外圆为例）,图,5-24,刀车安装高度对前角和后角的影响,第二节,刀具材料及刀具构造,（,2,）车刀安装偏斜对主偏角、副偏角的影响,图,5-25,刀车安装偏斜对主偏角和副偏角的影响,第二节,刀具材料及刀具构造,图,5-26,径向进给运动对工作角度的影响,（,3,）,进给运动对工作角度的影响,第二节,刀具材料及刀具构造,4,、,刀具结构,车刀的结构形式有整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹可转位式等。,图,5-28,夹机重磨式切断刀,第二节,刀具材料及刀具构造,机夹可转位车刀的优点：,1,）避免了因焊接而引起的缺陷；,2,）减少了调刀停机时间，提高了生产效率；,3,）刀片一般不需重磨，利于涂层刀片的推广使用；,4,）刀体使用寿命长，可节约刀体材料及其制造费用。,图,5-29,杠杆式可转位车刀,第三节,金属切削过程,第三节,金属切削过程,一、金属切屑的形成过程及切屑的种类,1,切屑的形成过程,塑性材料的切屑形成过程：,在切应力的作用下，材料依次错动滑移成切屑，并沿前刀面流出。,材料在刀具及切削力作用下，经过弹性变形塑性变形,(OA-0B),被挤裂,(,切断）。,工件,刀具,图,5-30,切屑的形成过程,第三节,金属切削过程,2.,切屑类型,工件,材料性质和切削条件,不同，会形成不同类型的切屑，并对切削加工产生不同的影响。常见的切屑有如下几种,(,图,5-31,）。,图,5-31,切屑的种类,（,a,）带状切屑 ：,切削,塑性,材料采用,大前角,，,较高的切削速度,和,较小的进给量,易形成带状切屑。,带状切屑：切削力平稳，加工表面光洁，但,不安全,或,可能刮伤已加工表面,。,第三节,金属切削过程,（,b,）节状切屑,：,当采用,较低的切削速度,和,较大的进给量,粗加工,中等硬度,的,钢材,时,，,容易形成节状切屑。,节状切屑：切削力波动大，产生振动，加工表面粗糙。,图,5-31,切屑的种类,（,c,）崩碎切屑：,切削铸铁、黄铜等,脆性,材料时容易形成崩碎切屑。,崩碎切屑：刀尖磨损严重，容易产生振动，影响加工表面质量。,第三节,金属切削过程,二、积屑瘤,在中等或较低的切削速度下切削,塑性金属,时，在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的金属，即为积屑瘤。,图,5-33,切屑瘤,1,积屑瘤的形成过程,由于刀,屑间的摩擦，在一定温度和压力下，切屑底层金属与前面接触处发生粘结，形成了积屑瘤，如图,5-33,所示。,积屑瘤形成后不断长大，达到一定高度又会破裂，被切屑带走或嵌附在工件表面，上述过程反复进行。,第三节,金属切削过程,2,、积屑瘤对切削加工的影响,（,1,）硬度高于工件材料，可代替切削刃起切削作用，起保护刀刃作用；,（,2,）积屑瘤可增大前角，使刀具更锋利；,（,3,）改变了实际切削深度和切削厚度，影响尺寸精度；,（,4,）导致切削力变化、引起振动；,（,5,）影响工件表面粗糙度。,因此,粗加工时，,希望有积屑瘤存在,（第,1,，,2,两点）；,精加工时，不希望生成积屑瘤。,第三节,金属切削过程,3,、积屑瘤的控制,影响积屑瘤形成的主要因素有工件材料的,力学性能,、,切削速度,和,冷却润滑,条件等。因此可从这三方面对积屑瘤的进行控制：,（,1,）对工件材料进行正火或调质处理，提高其强度和硬度，降低塑性；,（,2,）控制切削速度；,中碳钢：,V,5m/min,，不易生成积屑瘤,V,5,50m/min,，易生成积屑瘤,V,100m/min,，无积屑瘤,（,3,）加冷却液，降低切削温度，减少磨损等。,第三节,金属切削过程,三、切削力和切削功率,1.,切削力的构成与分解,刀具在切削工件时，必须克服材料的变形抗力，克服刀具、工件、切屑间的摩擦力。这些刀具切削时所需的力称为切削力。,图,5-34,切削力构成,切削力使工艺系统,(,机床一工件一刀具,),变形，影响加工精度,；切削力直接影响,切削热,的产生，进而影响,刀具磨损,和已,加工表面质量,。切削力是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。,第三节,金属切削过程,以车削外圆为例，总切削力常分解为三个互相垂直的分力（图,5-35,）,图,5-35,车削外圆时力的分解,（,1,）,主切削力（切向力）,F,c,：,主运动方向上的分力，占总切削力的,80,90%,，消耗功率最多，是刀具强度、机床零件、机床功率的主要设计依据；,（,2,）进给力（轴向力）,F,f,：,进给方向上的分力，是设计进给机构、刀具进给功率的依据。,（,3,）背向力（吃刀力）,F,p,：,在吃刀方向上的分力，是影响工件挠度、振动的力。,第三节,金属切削过程,2,、切削力的估算,工件材料、切削用量对切削力的影响最大，切削力可用经验公式计算，例如车削外圆时,计算,F,c,的经验公式如下,:,第三节,金属切削过程,生产中，常用切削层,单位面积切削力,K,c,来估算切削力,F,c,的大小：,K,c,的数值从有关资料查出，若已知背吃刀量和进给量，便可利用上式计算出切削力,F,c。,第三节,金属切削过程,3,、切削功率,切削功率应是三个切削分力消耗功率的总和，但背向力消耗的功率为零，进给力消耗的功率很小，一般忽略不计。因此，切削功率用下式计算,:,机床电动机的功率,P,E,可用下式计算:,为,机床的传动效率，一般为,0.75,0.85,。,第三节,金属切削过程,四、切削热和切削温度,绝大部分的切削功转变成热量，主要热来源如下（图,3-36,）,3-36,切削热的来源,（,1,）,切屑变形,（,2,）,刀具与切屑磨损,（,3,）,刀具与工件磨损,传出的热量：,切屑传出：,50,86%,；,工件传出：,10,40%,；,刀具传出：,3,9%,；,周围介质：,1 %,。,第三节,金属切削过程,切削热带来的影响：,（,1,）传入切屑及介质中的热量越多，对加工越有利；,（,2,）传入刀具的热量不多，但刀具切削部分的体积小，温度可达很高（高速切削时可达,1000,o,C,），温升加速刀具的磨损；,（,3,）传入工件的热量，使工件变形，产生形状和尺寸误差；,因此，设法减少切削热的产生、改善散热条件以及减少高温对刀具和工件的不良影响，有重大的意义。,第三节,金属切削过程,2,、切削温度及影响因素,（,1,）切削温度的分布,（图,3-37,）,刀具前刀面温度较高；,其次是切屑底层；,工件表面温度最低；,各点处温度不等；,最高温度在前刀面上离切削刃一定距离处。,3-37,切削温度分布,第三节,金属切削过程,（,2,）切削温度的影响因素,（,1,）切削用量：,v,影响最大，,f,其次，,a,p,最小；,（,2,）工件材料：,强度、硬度大，切削热大温度,导热性好 温度,（,3,）刀具材料及角度：,导热性好 温度,刀具前角大，主偏角小 温度,切削热经验公式如下：,第三节,金属切削过程,五、刀具磨损及耐用度,1.,刀具磨损的形式,刀具磨损按其发生的部位不同可分为三种形式：,后面磨损,、,前面磨损,、,前面与后面同时磨损,(,图,5-38,中，图中,VB,代表后面磨损尺寸,),。,图,5-38,刀具磨损的种类,第三节,金属切削过程,前刀面磨损：,切削塑性材料时，产生连续切屑与前刀面发生剧烈摩擦而引起的月牙洼磨损；,后刀面磨损：,无论切削塑性或脆性材料，后刀面总会磨损；,前后刀面同时磨损（边界磨损）：,切削塑性金属时经常发生。,图,5-39,刀具磨损的形式,第三节,金属切削过程,2,、刀具磨损过程：,初期磨损阶段,AB,段；,正常磨损阶段,BC,段；,急剧磨损阶段,CD,段。,刀具刃磨最佳时机,：,选在正常磨损后期，急剧磨损之前。这样，既能保证加工质量，又能节约刀具材料。,图,5-40,具刀磨损过程,第三节,金属切削过程,3,、刀具磨钝标准,一般以后刀面磨损值,VB,达到一定数值作为磨钝标准，硬质合金车刀的磨钝标准如表所示。,表,5-1,硬质合金车刀的磨钝标准,第三节,金属切削过程,4,、影响刀具磨损的因素,切削速度,对刀具磨损的影响最大，,此外，,刀具材料、刀具几何形状、工件材料,以及是否使用,切削液,等，都会影响刀具的磨损。,5,、刀具的耐用度,刀具在从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间，称为刀具耐用度，以,T,表示。,粗加工：,以切削时间表示刀具的耐用度（硬质合金焊接车刀：,60min,；高速钢钻头：,80,120min,；硬质合金端铣刀：,120,180min,；齿轮刀具：,200,300min,）。,精加工：,常以走刀次数或加工零件个数表示刀具的耐用度。,第四节,切削加工技术经济简析,第四节,切削加工技术经济简析,一、切削用量的合理选择,1,切削用量对加工质量的影响,1) a,p,增大,、,f,增大,，,则切削力增大，工件变形大，冲击振动大,精度和,Ra,下降。,2) Vc,增大，则对切削力影响不大，可防止积屑瘤，但切削热增加，刀具磨损加快，加工硬化和表面残余应力增大。,因此，采用低,a,p,低,f,高,Vc,，有利于表面质量的提高（精加工）。,第四节,切削加工技术经济简析,2,对生产率的影响,切削用量对切削时间的影响是相同的,。,3,、切削用量对刀具耐用度的影响：,Vc,对刀具耐用度影响最大，其次是进给量,f,，,ap,最小。,因此，,（,1,）切削用量的选择顺序，首先选尽可能大的,ap,，其次选尽可能大的,f,，最后选尽可能大的,Vc,；,（,2,）粗加工：取较大的,ap,和,f,，,Vc,不太高；,（,3,）精加工时：取较小的,ap,和,f,，较高的,Vc,。,第四节,切削加工技术经济简析,二、切削液的合理使用,1,切削液作用,：冷却、润滑。,2,切削液种类：,3,切削液的选用：,粗加工：,高,f,和,ap,，切削力和切削热都大，应选,用水基冷却液,，加大冷却强度。,精加工：,为保证加工质量、减小刀具磨损，选用润滑效果好的油基冷却液。,第四节,切削加工技术经济简析,加工钢材：,一般用乳化液，硫化切削液；,加工铜材：,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，以减小工件表面粗糙度,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。,下载作业：,jxzzjc123,，,密码,:jxzzjc12345,；,公共邮箱,网盘我的文件夹,