第一节金属切削加工的基本概念

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节,金属切削加工的基本概念,机械制造工程,第一章,1,毛坯精度低、表面粗糙度值大，不能满足零件的使用性能要求，必须进行切削加工才能成为零件。,金属切削加工是通过刀具与工件间的相对运动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的一种机械加工方法。,2,切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、镗削、刨削、拉削、磨削等。钳工也属于金属切削加工。,基本形式有：錾削、锉削、锯削、刮削、以及钻孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹等。,3,1,切削运动和工件加工表面,为了切除工件上多余的金属，以获得形状、尺寸、位置精度和表面质量都符合要求的工件，除必须使用切削刀具外，刀具与工件间必须作相对运动,切削运动。,根据切削过程中所起的作用，分为主运动和进给运动,一 切削运动与切削要素,4,切削,运动,和,加工,表面,5,主运动,切除工件多余金属、形成工件新表面所必不可少的基本运动,主运动的特征：,速度最高,消耗功率最大,必有且只有一个,形式为旋转或直线往复,6,切削刃上各点的主运动速度的大小和方向都不一定相同。为了分析运动，必须确定一个选定点。,选定点,为便于分析运动而选取的合适点,7,切削运动及选定点,8,切削速度,切削刃上选取点相对于工件的主运动的瞬时速度。用矢量,v,c,表示,车削主运动是工件的旋转运动；铣削和钻削运动是刀具的旋转运动；磨削主运动是砂轮的旋转运动；刨削主运动是刀具,（牛头刨床）,或工件,（龙门刨床）,的往复直线运动等,9,进给运动,使新的切削层金属间断或连续投入切削的运动,进给运动的特征,速度较低,耗功较少,有,0,n,个,可以连续，也可以步进,形式为旋转或直线往复,10,进给速度,切削刃上选取点相对于工件的进给运动的瞬时速度。用矢量,v,f,表示,车削进给运动是刀具的移动；铣削进给运动是工件的移动；钻削进给运动是钻头沿其轴线方向的移动；内、外圆磨削进给运动是工件的旋转运动和移动 以及砂轮的横向进给等,11,切削加工过程中的辅助运动,切入运动,空程运动,分度转位运动,送夹料运动,机床控制运动等,12,合成切削运动,合成切削运动,主运动和进给运动的合成运动,合成切削运动的,瞬时速度用矢量,v,e,表示,v,e,=,v,c,+,v,f,注意,：,刀刃上,各点,v,e,不等,合成切削运动,13,工作平面,v,c,和,v,f,所在的平面，以,P,fe,表示,合成切削速度角,在工作平面内，同一瞬时主运动方向与合成切削运动方向之间的夹角，以,表示,合成切削速度角,14,工件上的加工表面,切削加工过程中，工件上形成三个不断变化的表面,待加工表面,工件有待切除金属层的表面,过渡表面,主切削刃正在切削着的表面,已加工表面,工件经刀具切除多余金属层后形成的新表面,15,2切削要素,切削用量三要素,切削速度,：,这是主运动的线速度，单位为,m/s,或,m/min,。,主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下：,切削要素包括切削用量和切削层横截面要素,在生产中，磨削速度用,m/s,，,其他加工的切削速度习惯用,m/min,。,16,背吃刀量,a,sp,：,工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离,(,主切削刃与工件过渡表面的瞬时接触长度在垂直于基点工作平面的方向上测量的大小,),车削： 钻孔：,进给量,：,工件或刀具每转一周，刀具沿进给方向与工件的相对位移。单位是,mm/r,。,17,切削层横截面三要素,切削层,指刀具与工件相对移动一个进给量时，相邻两个加工表面之间的金属层,切削层横截面要素,切削层横截面尺寸,18,切削层公称宽度,b,D,：,刀具主切削刃与工件的接触长度,（切削刃上两个极限点间的距离）,19,切削层公称厚度,h,D,：,刀具或工件每移动一个进给量,时，刀具主切削刃相邻的两个位置之间的垂直距离,切削层公称横截面积,A,D,：,切削层横截面的面积,20,1,刀具切削部分的结构要素,任何刀具都由切削部分和夹持部分组成,刀具切削部分,的结构要素有,三面二刃一尖,二 刀具切削部分基本定义,21,前面,（,A,）,：,切屑流经的刀面,主后面,（,A,）,：,和工件过渡表面相对的刀面,副后面,（,A,）,：,和,工件已加工表面相对的刀面,主切削刃,（,S,）,：,前面与主后面的交线,副切削刃,（,S,）,：,前面与副后面的交线,刀尖：主切削刃和副切削刃的交点或连接部位,22,刀尖的形状,23,2,刀具角度的参考系,为了确定和测量各刀刃、各刀面的空间相对位置，必须建立用以度量各刀刃、各刀面空间位置的参考系,建立参考系，必须与切削运动相联系，应反映刀具角度对切削过程的影响。参考系平面与刀具安装平面应平行或垂直，以便于测量,24,用来确定刀具几何角度的参考系有两类：一类称为,刀具标注角度参考系,，即静止参考系；另一类称为,刀具工作角度参考系,，它是确定刀具在切削运动中有效工作角度的参考系,它们的,区别在于,：前者由主运动方向确定，而后者则由合成切削运动方向确定,25,宽刃刨刀的静止参考系,26,宽刃刨削的特点：,刀刃为直线,刀刃长度大于工件宽度,前面和后面均为平面,无进给运动,(,只有主运动,),27,选取参考平面：,过主切削刃，取平行于切削速度方向并切于工件过渡表面的平面为切削平面（,p,s,）,过主切削刃，取垂直于切削速度方向的平面为基面（,p,r,）,取垂直于主切削刃的平面为,p,o,-p,o,截面（,又称正交平面,）,p,r,-,p,o,-p,s,便组成了测量宽刃刨刀角度的静止参考系,28,车刀的静止参考系,车削的特点：,切削部分比刨刀复杂,车削有进给运动,主切削刃不一定水平,主切削刃各点切削速度不等,29,建立车刀静止参考系的假设,不考虑进给运动的影响,车刀安装绝对正确,刀刃选定点的切削速度方向与刀刃各处的平行,30,建立参考平面,31,切削平面,（,p,s,）,：,过刀刃上选定点，包含该点假定主运动方向和刀刃的平面,基面,（,p,r,）,：,过刀刃上选定点，垂直该点假定主运动方向的平面,p,o,-p,o,截面（又称正交平面）：过刀刃上选定点，既垂直于切削平面，又垂直于基面的平面,32,由此得到：,p,s,p,r,；,p,s,po-po,；,p,r,po-po,p,s,p,r,p,r,安装底面（基于,3,点假设）,主切削刃、副切削刃各有一个切削平面和基面,33,3,刀具的标注角度,（静态角度）,刀具在设计、制造、刃磨和测量时，都是用刀具静止参考系中的几何角度来标明切削刃和刀面的空间位置的，故这些角度称为刀具的标注角度,（,静态角度,）,。,重点介绍,10,个，常用的有,6,个,（打,者）,34,车刀的标注角度,35,车刀的,标注角度,36,37,在基面中测量的角度：,主偏角,k,r,：,主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角,副偏角,k,r,：,副切削刃在基面上投影与进给运动反方向之间的夹角,（也有的定义为副切削刃在基面上投影与已加工表面之间的夹角）,刀尖角,r,：,主切削刃、副切削刃在基面上投影的夹角,由上可知：,k,r,+,k,r,+,r,=,180,38,在,p,o,-p,o,截面中测量的角度：,前角,o,：,基面与前面之间的夹角,规定,：,前面低于基面时，,o, 0,；,前面高于基面时，,o, 0,。,主后角,o,：,后面与切削平面之间的夹角。加工过程中，一般不允许,o, 0,；,刀尖为最低点时，,s, 0,。,注意,：,这一规定与,84,年以前的正好相反,40,在副,p,o,-p,o,截面中测量的角度：,副前角,o,：,副基面与副前面间的夹角,副后角,o,：,副后面与副切削平面间的夹角。影响表面粗糙度及振动。加工过程中，一般不允许,o, 0,在副切削平面中测量的角度：,副刃倾角,s,：,副切削刃与副基面之间的夹角,41,4,刀具的工作角度,刀具的工作参考系及工作角度,工作参考系与静止参考系的区别,合成切削运动方向代替假定主运动方向,实际进给运动方向代替假定进给运动方向,实际安装条件代替假定安装条件,刀具的工作角度,刀具的工作角度，只需用工作坐标平面取代静止坐标平面即可,42,进给运动对工作角度的影响,横车,43,以切断工件为例，切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，实际切削平面为过切削刃而切于螺旋线的平面，而实际基面又始终与之保持垂直，因而切削时实际的前角、后角等都在发生变化。,44,设,为合成切削速度角,则,oe,=,o,+,oe,=,o,-,tg,=,v,f,/,v,c,=,f,/,d,d,随切削过程变化，越靠近中心，,越大，以致可能,oe, 0,（,挤压）。,45,纵车,46,由于考虑进给运动的影响，工作基面,p,re,和工作切削平面,p,se,都倾斜一个,角。,则,fe,=,f,+,fe,=,f,-,= tg,-1,(,f /,d,w,),换算到正交平面系：,则,tg,o,=,tg,sin,k,r,oe,=,o,+,o,oe,=,o,o,车外圆时，,=,3040,，,可忽略；车螺纹，尤其是车多头大螺距螺纹时，,很大，则不可忽略,47,刀具安装情况对工作角度的影响,刀尖高于工件中心线,48,刀尖高于工件中心线,则,pe,=,p,+,p,pe,=,p,p,换算到正交平面系,则,oe,=,o,+,o,oe,=,o,o,o,= tg,-1,(,tg,p,cos,k,r,),49,注：,(i),当刀尖低于工件中心线时，上述计算公式,p,符号相反；,(ii),镗内孔时与车外圆的计算公式,p,符号正好相反。,50,刀杆轴线与进给方向不垂直时,，工作主偏角和工作副偏角将发生变化。,设,G,为进给方向垂线与刀杆中心线的夹角，则,K,re,=,K,r, G,K,re,=,K,r,干,G,51,三 刀具材料及选用,刀具材料是指刀具切削,部分的材料。,刀具的切削能力直接影,响生产率、加工质量和加,工成本。,刀具的切削性能，主要,取决于刀具材料。,52,刀具工作环境十分恶劣，因此刀具材料必须具备以下性能,高的硬度和耐磨性,足够的强度和韧性,高的耐热性,良好的导热性和较小的膨胀系数,稳定的化学性能和良好的抗粘结性能,良好的工艺性能和经济性,1,刀具材料应具备的性能,53,刀具材料的种类很多，常用的有,工具钢,（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）,、,硬质合金,、,陶瓷,、,金钢石,和,立方氮化硼,等。,目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。,刀具的分类,54,高速钢的特点,高速钢是加入了钨（,W,）、,钼（,Mo,）、,铬（,Cr,）、,钒（,V,）,等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的耐热性，可在,500,650,的温度下进行切削加工。还具有高的强度和冲击韧性，所以刃磨时能获得锋利的刃口，故有“锋钢”之称。,别称：,锋钢、钨钢、白钢,2高速钢,55,56,57,按用途不同，高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢。按制造方法不同，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢,普通高速钢,按化学成分不同，普通高速钢可分为钨系和钨钼系两类：,钨系高速钢 钨系高速钢的典型牌号是,W18Cr4V,、,W9Mo3Cr4V,钨钼系高速钢 钨钼系高速钢的典型牌号是,W6Mo5Cr4V2,58,高性能高速钢,在普通高速钢中加入一些其他合金元素（,C,、,V,、,Co,、,Al,），,以提高其耐热性和耐磨性。典型牌号：,W6Mo5Cr4V3,、,W2Mo9Cr4VCo8,、,W6Mo5Cr4V2Al,粉末冶金高速钢,采用粉末冶金法可完全消除碳化物偏析，提高刀具质量,59,高速钢刀具的表面涂层,表面涂层处理的目的,是为了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好的表面层，以减少刀具磨损，提高刀具的切削性能。,表面涂层的方法,有蒸汽处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。此外还可采用真空溅射的方法在刀具表面沉积一层,TiC,或,TiN,（约,10m,）。,涂层高速钢是一种复合材料,，基体是强度、韧性好的高速钢，而表层是具有高硬度、高耐磨性的其他材料。,60,3硬质合金,由高硬度、高熔点的金属碳化物,（,WC,、,TiC,、,NbC,、,TaC,等,）粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。,高硬度、高熔点的金属碳化物含量高，故其硬度、耐热性和耐磨性都超过高速钢，允许切削温度高达,8001000,。因此，切削速度远高于高速钢。,硬质合金是当今主要的刀具材料之一。,61,普通硬质合金的分类、牌号和性能,常用的硬质合金是以碳化钨（,WC,）,为基体，并分为,WC-Co,WC,Tic-Co,WC,TaC,（,NbC,）,Co,WC,TiC,TaC,(,（,NbC,）,Co,62,YG,类,，,ISO,称为,K,类，加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料,YT,类,，,ISO,称为,P,类，加工长切屑的黑色金属,YN,类,，,ISO,称为,P,类，高速精加工工具钢、淬火钢,YW,类,，,ISO,称为,M,类，可履盖,K,类、,P,类的应用范围,63,硬质合金的选用,各种硬质合金的应用见表,1-1,硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的份量,64,其他硬质合金及其使用性能,超细晶粒硬质合金,其,WC,的粒度则在,0.21,m,之间，其中大多数在,0.5,m,以下,是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金，具有硬质合金的高硬度和高速钢的高强度,可用于间断切削，特别是难加工材料的间断切削,65,涂层硬质合金,在韧性较好的硬质合金基体上，涂一层硬度、耐磨性极高的难熔金属化合物，采用化学气相沉积法而获得的。涂层的厚度为,510,m,。,可分为单涂层,、,双涂层,、,和多涂层等,涂层刀片不适于切削高温合金、钛合金、有色金属及某些非金属，不能采用焊接结构，不能重磨使用,66,钢结硬质合金,代号为,YE,。,它以,WC,、,TiC,作硬质相（占,3040,），以高速钢（或合金钢）作粘结相（占,6070,）,硬度、强度与韧性介于高速钢和硬质合金之间；可以进行锻造、切削、热处理与焊接,可用于制造模具、拉刀、铣刀等形状复杂的刀具,67,陶瓷,按化学成分可分为：,纯氧化铝,AL,2,O,3,陶瓷、复合氧化铝,AL,2,O,3,TiC,陶瓷、复合氮化硅,Si,3,N,4,TiC,Co,陶瓷,其高温硬度很高，在,1200,时，硬度尚能达到,80HRA,，,仍具有较好的切削性能,缺点：,抗弯强度低，冲击韧性差，导热能力低和线膨胀系数大。对冲击十分敏感，容易破裂,4其他刀具材料,68,金刚石,是已知的最硬材料，它的硬度极高，接近于,10000HV,（,硬质合金仅为,1300,1800HV,）,金刚石分天然和人造两种,金刚石刀具既能对陶瓷、高硅铝合金、硬质合金等高硬度耐磨材料进行切削加工，又能切削其他有色金属及其合金，使用寿命极高，但不宜加工铁族材料,69,立方氮化硼,（,CBN,）,立方碳化硼的硬度为,8000,9000HV,；,热稳定性和化学惰性好，可耐,1300,1500,的高温仍保持其硬度；与铁族材料的亲和作用小，能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等，当对淬硬零件进行半精车和精车时，其加工精度与表面质量足以代替磨削加工。,70,CBN,刀片可用机械夹固或焊接的方法固定在刀杆上，也可以将立方氮化硼与硬质合金压制在一起成为复合刀片,。,71,返回,72,