金属切削的基本理论.ppt

第二章金属切削的基本理论 2 金属切削加工 利用金属切削刀具 在工件上切除多余金属的一种机械加工方法 金属切削加工具有什么优点 可获得较复杂的工件形状可获得较小的表面粗糙度可获得较高的尺寸精度 表面几何形状精度和位置精度因此 金属切削加工常作为零件的最终加工方法 3 本章内容 第一节切削运动与切削要素 第二节金属切削刀具 第三节金属切削过程的基本规律 第四节切削参数与切削液的选择 4 二 切削运动 四 切削层参数 三 切削要素 一 工件表面 第一节切削运动与切削要素 本节提要 5 如外圆车削时 工件做旋转运动 刀具作纵向直线运动 形成了工件的外圆表面 在新的表面的形成过程中 工件上有三个依次变化的表面 图2 1 图2 1车削时的切削运动 1 待加工表面 即将被切去金属层的表面 2 加工 过渡 表面 切削刃正在切削着的表面 3 已加工表面 已经切去一部分金属形成的新表面 一 工件表面 6 二 切削运动 切削运动 与零件几何形状形成有直接关系的运动基本形式有直线运动和回转运动按切削时工件与刀具相对运动所起的作用来分 可分为 1 主运动主运动是切下工件多余金属所必须的最主要的运动 通常它的速度最高 消耗机床功率最多 主运动的速度即切削速度 用vc m s 表示 2 进给运动使新的金属不断投入切削的运动 进给运动可以是连续运动 也可以是间歇运动 进给运动的速度用进给量 f mm r 或进给速度 vf mm min 表示 7 常见加工方法的主运动和进给运动 8 9 ve vc vf 2 1 3 合成运动与合成切削速度 图2 3切削时合成切削速度 当主运动与进给运动同时进行时 刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动 其大小与方向用合成速度向量ve表示 10 三 切削要素 切削用量三要素 vc f ap 1 切削速度回转体 刀具或工件 上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下 vc m s或m min 2 2 式中d 工件或刀具上某一点的回转直径 mm n 工件或刀具的转速 r s或r min 若主运动为往复运动时 其平均速度为 2 3 式中nr 主运动每秒钟往复次数 str sl 往复运动行程长度 mm 11 2 进给速度 进给量和每齿进给量 进给速度vf是单位时间的进给量 单位是mm s mm min 进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移 单位是mm r 毫米 转 对于铣刀 铰刀 拉刀 齿轮滚刀等多刃切削工具 还应规定每齿进给量fz 即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量 单位是mm z 毫米 齿 显而易见vf f n fz z nmm s或mm min 2 4 12 3 背吃刀量 对于车削和刨削加工来说 背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离 单位为mm 外圆柱表面车削的深度可用下式计算 ap dw dm 2mm 2 5 式中dw 待加工表面直径 mm dm 已加工表面直径 mm 对于钻孔加工ap dm 2mm 2 6 13 四 切削层参数 1 切削层各种切削加工的切削层参数 可用典型的外圆纵车来说明 如图所示 车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动轨迹是一条空间螺旋线 工件每转一转 车刀沿工件轴线移动一段距离 即进给量 f mm r 由车刀正在切削着的这一层金属 就叫切削层 在特殊情况下 kr 90 为矩形 在外圆纵车时 当k r 0 s 0时 切削层的表面形状为一平行四边形 14 2 切削厚度 为了简化计算工作 切削层的表面形状和尺寸 通常都在垂直于切削速度vc的基面Pr内观察和量度 切削层参数为 垂直于加工表面来度量的切削层尺寸 图1 19 称为切削厚度 以hD表示 在外圆纵车 s 0 时 hD f sinkr 2 7 3 切削宽度沿加工表面度量的切削层尺寸 称为切削宽度 以bD表示 外圆纵车 当 s 0时 bD ap sinkr 2 8 可见 在f与ap一定的条件下 主偏角kr越大 切削厚度hD也就越大 但切削宽度bD越小 kr越小时 hD越小 bD越大 当kr 90时 hD f 15 4 切削面积 切削层在基面Pr的面积 称为切削面积 以AD表示 其计算公式为 AD hD bD 2 9 对于车削来说 不论切削刃形状如何 切削面积均为 AD hD bD f ap 2 10 上面所计算的均为名义切削面积 实际切削面积等于名义切削面积减去残留面积 残留面积是指刀具副偏角k r 0时 刀具经过切削后 残留在已加工表面上的不平部分 ABE 的剖面面积 16 第二节金属切削刀具 一 刀具的种类与结构 二 刀具角度 三 刀具材料 在切削过程中 刀具几何参数和材料对金属切削的生产率 成本 质量有很大的影响 因此要重视刀具几何参数和材料的正确选择与合理使用 四 刀具的磨损与耐用度 本节提要 17 一 刀具的种类与结构 1 按加工方式和用途 车刀 孔加工刀具 铣刀 拉刀 螺纹刀具 齿轮刀具 自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型 2 按所用材料分 高速钢刀具 硬质合金刀具 陶瓷刀具 立方氮化硼 CBN 刀具和金刚石刀具 3 按结构分 整体刀具 镶片刀具 机夹刀具和复合刀具等 4 按是否标准化分 标准刀具和非标准刀具 1 刀具的种类 18 2 刀具结构 外圆车刀是最基本 最典型的刀具 由刀头和刀体组成 车刀的切削部分由3个刀面 前刀面 主后刀面和副后刀面 2个刀刃 主切削刃和副切削刃 和1个刀尖组成 19 归结起来 三面两刃一尖 前刀面Ar 主后刀面A 副后刀面A 交线 交线 主切削刃s 副切削刃s 刀尖 连接部分 刀具切削部分的结构要素 20 1 前刀面前刀面Ar是切屑流过的表面 分为 与主切削刃毗邻的称为主前刀面 与副切削刃毗邻的称为副前刀面 2 后刀面后刀面分为主后刀面与副后刀面 主后刀面刀具上与工件的过渡表面相对的表面 副后刀面刀具上与工件的已加工表面相对的表面 3 切削刃切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋 有主切削刃和副切削刃之分 主切削刃指前刀面与主后刀面相交的锋边 副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边 4 刀尖刀尖可以是主 副切削刃的实际交点 也可以是主 副两条切削刃连接起来的一小段切削刃 它可以是圆弧 也可以是直线 通常都称为过渡刃 21 22 二 刀具角度 刀具标注角度是指刀具设计图样上标注出来的角度 是刀具制造 刃磨和测量的依据 1 刀具标注角度及其参考系 假定运动条件 假定进给速度值很小或为零 可以用主运动速度向量vc近似代替合成速度向量ve假定安装条件 假定刀具在安装时刀尖与工件的轴线等高 刀杆与工件的轴线垂直 为什么要作假定 简化切削运动设立标准刀具位置 刀具静止参考系 23 刀具静止参考系 正交平面参考系 基面Pr 通过切削刃某选定点 垂直于该点切削速度的平面 24 正交平面参考系 切削平面Ps 通过切削刃上选定点 与切削刃相切并垂直于基面的平面 包括主切削平面和副切削平面 25 正交平面参考系 正交平面 主剖面 Po 通过主切削刃上选定点 并同时垂直于基面和切削平面的平面 26 27 2 刀具角度定义 五个基本角度前角后角主偏角副偏角刃倾角 28 后角 o 主后刀面与切削平面的夹角 主要影响刀具主后刀面与工件表面之间的摩擦 前角 o 前刀面与基面之间的夹角 主要影响主切削刃的锋利程度和刃口强度 在正交平面内测量的角度 楔角 0 前刀面与主后刀面间的夹角 29 在基面内测量的角度 主偏角 主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角 主要影响切削刃工作长度和背向力的大小 副偏角 副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角 主要影响已加工表面的粗糙度 刀尖角 主切削平面与副切削平面之间的夹角 r 180 r r 30 刃倾角 S 主切削刃与基面之间的夹角 主要影响切屑流向及刀尖强度 在切削平面内测量的角度 前角正负的规定 前刀面与切削平面的夹角大于90 o为负 小于90 o为正 等于90 o为零 刃倾角正负的规定 观察 刃倾角对排屑方向的影响 33 刃倾角对排屑方向的影响 34 上述刀具标注角度参考系 在定义基面时 都只考虑主运动 不考虑进给运动 即在假定运动条件下确定的参考系 但刀具在实际使用时 这样的参考系所确定的刀具角度 往往不能确切地反映切削加工的真实情形 只有用合成切削运动方向ve来确定参考系 才符合切削加工的实际 例如 图2 10所示三把刀具的标注角度完全相同 但由于合成切削运动方向ve不同 后刀面与加工表面之间的接触和摩擦的实际情形有很大的不同 同样 刀具实际安装位置也影响工作角度的大小 3 刀具工作参考系及刀具工作角度 35 刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是用ve取代vc 用实际进给运动方向取代假定进给运动方向 以刀具与工件的实际相对位置和相对运动为基础确定刀具的参考系为工作参考系 用工作参考系确定的刀具角度叫刀具的工作角度 36 a 图2 10刀具工作角度示意图 图 a 刀具后刀面同工件之间有适宜的间隙 切削情况正常 工作后角 37 b 图2 10刀具工作角度示意图 工作后角 图 b 两个表面全面接触 摩擦严重 38 刀具工作角度示意图 图 c 刀具的背棱顶在已加工表面上 切削刃无法切入 切削条件被破坏 可见 在这种场合下 只考虑主运动的假定条件是不合适的 还必须考虑进给运动速度的影响 也就是必须考虑合成切削运动方向来确定刀具工作角度的参考系 图2 10刀具工作角度示意图 c 工作后角 39 刀具的工作参考系 工作基面 re 通过切削刃选定点并垂直于合成切削速度方向的平面 工作切削平面 se 通过切削刃选定点与切削刃相切 并垂直于工作基面的平面 工作正交面 oe 通过切削刃选定点 同时垂直于工作基面与切削平面的平面 工作平面 fe 通过切削刃上选定点且同时包含主运动速度和进给运动速度方向的平面 工作法平面 ne 与法平面 n定义相同 图车刀工作参考系 40 2 刀具工作角度 工作前角在工作正交平面内测量的工作基面与前刀面间的夹角 工作后角在工作正交平面内测量的工作切削平面与后刀面间的夹角 工作侧前角在工作平面内测量的工作基面与刀具前刀面间的夹角 工作侧后角在工作平面内测量的工作切削平面与刀具后刀面间的夹角 41 4 刀具安装位置对几何角度的影响 车外圆 1 刀具装刀高低对工作角度的影响 工作前角增大 刀具锋利 工作后角减小 摩擦大 工作前角 42 2 刀杆中心与进给方向不垂直 工作副偏角 工作主偏角 主偏角 副偏角 43 3 进给运动对工作角度的影响 切断时 刀具的工作前 后角发生变化当d 0时 90 0e 0 挤断工件 横切时 对前 后角度的影响 工作后角 工作前角 44 1刀具材料应具备的性能 作为刀具材料应满足以下基本要求 1 高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高 常温硬度在HRC62以上 耐磨性表示抵抗磨损的能力 它取决于组织中硬质 数量 大小和分布 2 足够的强度和韧性为了承受切削中的压力冲击和振动 避免崩刃和折断 刀具材料应该具有足够的强度和韧性 一般强度用抗弯强度来表示 韧性用冲击值表示 3 高的耐热性刀具材料在高温下能保持良好的硬度 耐磨性 强度和韧性 4 良好的工艺性为了便于制造 要求刀具材料有较好的可加工性 如切削加工性 铸造性 锻造性 热处理性等 5 良好的经济性 三 刀具材料 45 2 刀具材料的发展与切削速度的关系 46 3常用的刀具材料 目前 碳素工具钢 如T10A T12A 合金工具钢 如9SiCr CrWMn 因耐热性差 仅用于一些手工或切削速度较低的刀具 生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多 丝锥 47 1 高速钢 又名白钢 风钢或锋钢 是一种加入较多的钨 钼 铬 钒等合金元素的高合金工具钢有较高的热稳定性 较高的强度 韧性 硬度和耐磨性制造工艺简单 容易磨成锋利的切削刃 可锻造 这对于一些形状复杂的工具 如钻头 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等尤为重要 是制造这些刀具的主要材料高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢 48 各类高速钢刀具 49 1 通用型高速钢 典型牌号为W18Cr4V 简称W18 含W18 Cr4 V1 具有良好的综合性能 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的刀具 如热轧钻头 W18Cr4V W18 是我国较常用的一种高速钢 由于钨价高 在发达国家已逐步淘汰 钨钢 50 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各国广为应用 约占我国高速钢用量的70 51 2 高性能高速钢 是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 耐用度较通用型高速钢高1 3 3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高碳高速钢9W18Cr4V 高钒高速钢W6MoCr4V3 钴高速钢W6MoCr4V2Co8 超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等 52 3 粉末冶金高速钢 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 5 3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20 30 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生产过程较复杂 造价较高目前中国钢厂提供的品种较少 市场用量也很少 53 常用高速钢牌号及其应用范围 54 2 硬质合金 由难熔金属化合物 如WC TiC 和金属粘结剂 Co 经粉末冶金法制成 含有大量熔点高 硬度高 化学稳定性好 热稳定性好的金属碳化物 硬质合金的硬度 耐磨性和耐热性都很高 硬度可达HRA89 93 相当于71 76HRC 在800 1000 C能承担切削 耐用度较高速钢高几十倍 当耐用度相同时 切削速度可提高4 10倍 抗弯强度较高速钢低 冲击韧性差 切削时不能承受大的振动和冲击负荷 碳化物含量较高时 硬度高 但抗弯强度低 粘结剂含量较高时 抗弯强度高 但硬度低 硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料 约占50 如大多数的车刀 端铣刀以至深孔钻 铰刀 齿轮刀具等 还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料 55 各类硬质合金刀具 56 YG K 类 即WC Co类硬质合金 ISO将切削用的硬质合金分为三类 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 较适于加工产生崩碎切屑 有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料 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 与钢会产生粘结 故不适合加工钢料 57 YT P 类 即WC TiC Co类硬质合金 硬质点相除WC外 还含有5 30 的TiC 牌号有YT5 YT14 YT15 YT30 TiC的含量分别为5 14 15 30 相应的钴含量为10 8 6 4 TiC含量提高 Co含量降低 硬度和耐磨性提高 但是冲击韧性显著降低 此类合金有较高的硬度和耐磨性 抗粘结扩散能力和抗氧化能力好 但抗弯强度 磨削性能和导热系数下降 低温脆性大 韧性差 适于高速切削钢料 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 注意 此类合金不适合加工含钛不锈钢及钛合金 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 58 YW M 类 即WC TiC TaC Co类硬质合金 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 也可加工钢 因而又有通用硬质合金之称价格较贵常用的牌号为YW1和YW2以上三类的主要成分均为WC 所以又称为WC基硬质合金 59 3 其它刀具材料 是在韧性较好的硬质合金基体上 或在高速钢刀具基体上 涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的常用的涂层材料有TiC TiN Al2O3等涂层刀具具有较高的抗氧化性能 因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力 有低的摩擦系数 可降低切削时的切削力及切削温度 可提高刀具的耐用度 提高硬质合金耐用度1 3倍 高速钢刀具耐用度2 10倍 但存在着锋利性 韧性 抗剥落性 抗崩刃性及成本昂贵之弊 目前使用很广泛 涂层刀具 60 陶瓷 有纯Al2O3陶瓷及Al2O3 TiC混合陶瓷两种 以其微粉在高温下烧结而成 有很高的硬度 HRA91 95 和耐磨性 有很高的耐热性 在高温1200 以上仍能进行切削切削速度比硬质合金高2 5倍 有很高的化学稳定性 与金属的亲合力小 抗粘结和抗扩散的能力好可用于加工钢 铸铁 车 铣加工也都适用但其脆性大 抗弯强度低 冲击韧性差 易崩刀 使其使用范围受到限制作为连续切削用的刀具材料 还有很大的发展前途 61 金刚石 是目前人工制造出的最硬的物质 硬度高达HV10000 耐磨性好可用于加工硬质合金 陶瓷 高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度 高耐磨的材料 刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍其切削刃锋利 能切下极薄的切屑 加工冷硬现象较少 有较低的摩擦系数 其切屑与刀具不易产生粘结 不产生积屑瘤 很适合精密加工但热稳定性差 切削温度不宜超过700 800 强度低 脆性大 对振动敏感 只宜微量切削 与铁有极强的化学亲合力 不适于加工黑金属目前主要用于磨具和磨料 对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔 加工铝合金 铜合金时 切削速度可达800 3800m min 62 立方氮化硼 由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成有很高的硬度 可达HV8000 9000 及耐磨性 其比金刚石高得多的热稳定性 1400 可用来加工高温合金 化学惰性大 与铁族金属直至1300 时也不易起化学反应 可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁 有良好的导热性 较低的摩擦系数 目前不仅用于磨具 也逐渐用于车 镗 铣 铰 有两种类型 整体聚晶立方氮化硼 能像硬质合金一样焊接 并可多次重磨 立方氮化硼复合片 即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0 5mm的立方氮化硼 63 刀具磨损是指刀具摩擦面上的刀具材料逐渐损失的现象刀具磨损分为正常磨损与非正常磨损两类 正常磨损是在刀具设计与使用合理 制造与刃磨质量符合要求的情况下 刀具在切削过程中逐渐产生的磨损 四 刀具磨损与刀具寿命 64 1 刀具磨损形态 正常磨损 前刀面磨损 形式 月牙洼形成条件 加工塑性材料 v大 hD大影响 削弱刀刃强度 降低加工质量 后刀面磨损 形式 后角 0的磨损面 参数 VB VBmax 形成条件 加工塑性材料 v较小 hD较小 加工脆性材料影响 切削力 切削温度 产生振动 降低加工质量 前 后刀面同时磨损 65 非正常磨损 破损 裂纹 崩刃 破碎等 卷刃 刀刃塑性变形 防止刀具非正常磨损的措施合理选择刀具材料的种类和牌号 在断续切削或受冲击载荷时 应选择具有较好韧性的刀具材料 合理确定刀具几何参数 保证切削刃和刀尖具有一定的强度 合理选择切削用量 避免超负荷 保证刀具焊接和刃磨质量 重要工序使用的刀具应检查有无裂纹 尽量减小切削加工中的冲击和振动 66 2 刀具磨损过程 3个阶段 67 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用 这个磨损限称为磨钝标准 1 小厂 有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝 根据什么现象 出现火花 振动 啸音 或加工表面粗糙度恶化等 2 ISO标准规定以1 2ap处的VB值作为刀具的磨钝标准 在不同的加工条件下 磨钝标准的具体数值是不同的 粗车碳素钢0 6 0 8mm粗车铸铁0 8 1 2mm粗车合金钢0 4 0 5mm精车碳钢0 1 0 3mm 3 自动化精加工刀具 以径向磨损量NB作为磨钝标准 3 磨钝标准 68 磨粒磨损切屑或工件表面上的硬质点 碳化物 氧化物等 对刀具表面刻划作用造成的机械磨损 各种切削速度下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 4 刀具磨损原因 刀具磨粒磨损与行程的关系 减轻措施 采取热处理使工件材料所含硬质点减小 变软选用硬度高 晶粒细的刀具材料 69 粘结磨损刀具与切屑 工件间存在高温高压和强烈摩擦 达到原子间结合而产生粘结现象 又称为冷焊 相对运动使粘接点破裂而被工件材料带走 造成粘结磨损 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切削速度减轻措施 根据上述原因采取相应措施 粘结磨损加剧 刀具磨损原因 70 刀具磨损原因 扩散磨损刀具与切屑 工件接触处由于高温作用 双方化学元素在固态下互相扩散 使刀材成分 结构改变造成磨损 高温下发生 氧化磨损一定温度下 刀材与空气中的氧 切削液中的硫 氯起化学作用 生成较软的化合物 造成刀具磨损 高温情况下 在切削刃工作边界发生 边界磨损 综上所述 刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面作用造成的 71 刀具寿命 5 刀具寿命 耐用度 概念 刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间 用T表示 刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间 其间包括多次重磨 2 14 式中CT m n p为与工件 刀具材料等有关的常数 2 15 可见v的影响最显著 f次之 ap影响最小 用硬质合金刀具切削碳钢 b 0 763GPa 时 有 泰勒