項目1金屬切削加工基礎(chǔ)知識

項目1

金屬切削加工基礎(chǔ)知識機械制造技術(shù)(任務(wù))目錄

任務(wù)一

認識金屬切削加工1任務(wù)二正確選擇使用刀具2

任務(wù)三了解金屬切削過程及其基本規(guī)律3任務(wù)五熟悉機床型號及其主要技術(shù)指標5任務(wù)四合理選擇切削用量4任務(wù)六閱讀機床傳動系統(tǒng)圖6機械制造技術(shù)任務(wù)一認識金屬切削加工軸套材料：45任務(wù)引入機械制造技術(shù)知識鏈接金屬切削加工利用刀具（或砂輪）從工件毛坯上切除一層多余的金屬，使工件達到規(guī)定的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的機械加工方法。機械制造技術(shù)1.1零件表面的成形1.1.1零件的表面形狀零件的表面形狀機械制造技術(shù)1.1.2零件表面的成形零件的表面形狀1-母線2-導線機械制造技術(shù)1.1.3

零件表面的形成方法及所需的成形運動(A)軌跡法點接觸軌跡法導線母線母線？導線？機械制造技術(shù)(B)成形法切削刃形狀與母線形狀完全吻合成形法母線？導線？機械制造技術(shù)(C)相切法相切法包絡(luò)線機械制造技術(shù)(D)展成法展成法包絡(luò)線機械制造技術(shù)1.2

切削運動與切削時工件加工表面1.2.1主運動工件與刀具產(chǎn)生相對運動進行切削的最基本運動。切削運動：為了切除多余的金屬，刀具和工件之間必須具有一定的相對運動。外圓車削平面刨削M1、M2?機械制造技術(shù)主運動的速度最高，所消耗功率最大。主運動基本特性切削運動中，主運動只有一個。主運動可以由工件完成，也可以由刀具完成。主運動可以是旋轉(zhuǎn)運動，也可以是直線運動。機械制造技術(shù)1.2.2進給運動使刀具與工件之間產(chǎn)生附加的相對運動，與主運動配合，連續(xù)地切除切屑，獲得具有所需幾何特征的已加工表面。外圓車削平面刨削M2連續(xù)還是間斷?機械制造技術(shù)進給運動一般速度較低，消耗的功率也較少。進給運動基本特性進給運動可由一個或多個運動組成。進給運動可以是連續(xù)的，也可以是間斷的。機械制造技術(shù)1.2.3輔助運動除主運動和進給運動外，完成機床工作循環(huán)，還需一些其他的輔助運動，如空行程運動、切入運動、分度運動以及操縱控制運動。機械制造技術(shù)1.2.4工件加工過程中的表面S1、S2、S3?(A)待加工表面加工時即將被切除的工件表面。外圓車削平面刨削(B)已加工表面工件上經(jīng)刀具切削后形成的表面。(C)加工表面工件上被切削刃正在切削的表面。機械制造技術(shù)1.3切削用量1.3.1切削速度νc主運動的線速度

(單位，m/min)。dwapdmf切削三要素主運動為回轉(zhuǎn)運動時，切削速度計算公式，機械制造技術(shù)d—主運動為回轉(zhuǎn)運動的回轉(zhuǎn)體上選定點的直徑（mm）；n—主運動的轉(zhuǎn)速（r/min，rpm）。機械制造技術(shù)1.3.2進給量f在主運動每一轉(zhuǎn)或每一行程內(nèi)，刀具相對工件在進給運動方向上的相對位移量，單位mm/r（用于車削，鏜削等）或mm/行程（用于刨削）。dwapdmf切削三要素機械制造技術(shù)1.3.3背吃刀量ap

工件上已加工表面與待加工表面之間的垂直距離，單位mm。dwapf切削三要素dm機械制造技術(shù)外圓車削時，dw—工件待加工表面直徑（mm）；dm—工件已加工表面直徑（mm）。注：鉆孔時dm=0。機械制造技術(shù)1.4

切削層參數(shù)1.4.1切削層公稱厚度(切削厚度，hD)垂直于工件加工表面測量的切削層橫截面尺寸。刀具切削刃在一次進給中，從工件待加工表面上切除下來的金屬層稱為切削層。切削層參數(shù)hDbD機械制造技術(shù)1.4.2切削層公稱寬度(切削寬度，bD)平行于工件加工表面測量的切削層橫截面尺寸。1.4.3切削層公稱橫截面面積(切削面積，AD)工件被切下的金屬層沿垂直于主運動方向所截取的橫截面面積。機械制造技術(shù)任務(wù)二正確選擇使用刀具

任務(wù)引入“工欲善其事，必先利其器”“磨刀不誤砍柴功”機械制造技術(shù)知識鏈接2.1刀具材料2.1.1刀具切削部分材料的基本要求高硬度常溫HRC62，并具有高溫硬度足夠的強度和韌性足夠的抗彎強度和沖擊韌度高耐磨性導熱性好良好的工藝性可加工性機械制造技術(shù)2.1.2常用刀具材料機械制造技術(shù)(A)高速工具鋼(HighSpeedSteel，HSS)加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼，俗稱鋒鋼或白鋼。具有較高的硬度（63~66HRC）。具有較高的耐磨性和耐熱性（600~650℃）。具有足夠的強度和韌性。具有良好的工藝性。機械制造技術(shù)高速工具鋼已成為主要刀具材料之一，廣泛用于制造結(jié)構(gòu)和刃形復雜的整體刀具。高速鋼刀具成型車刀螺紋車刀階梯鉆頭機械制造技術(shù)(B)硬質(zhì)合金硬度和熔點都很高的金屬碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）和金屬粘結(jié)劑（Co、Ni、Mo等）通過粉末冶金的工藝制備而成。常溫下，硬質(zhì)合金硬度為89~93HRA。耐熱性可達800~1000℃。與高速鋼相比，其硬度高、耐磨性好、耐熱高，允許的切削速度比高速鋼高5~10倍。硬質(zhì)合金性能較脆。機械制造技術(shù)鎢鈷類(WC+Co)硬質(zhì)合金(YG)由WC和Co組成，具有較高的抗彎強度的韌性，導熱性好，但耐熱性、耐磨性較差，主要用于加工鑄鐵、有色金屬。鎢鈦鈷類(WC+TiC+Co)硬質(zhì)合金(YT)高硬度和熔點的TiC加入，比YG具有更高和硬度、耐磨性、紅硬性。但導熱性能較差，抗彎強度低，主要用于鋼材等韌性材料的加工。鎢鉭鈷類(WC+TaC+Co)硬質(zhì)合金(YA）在YG類硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上添加TaC(NbC)，提高了常溫、高溫硬度與強度、抗熱沖擊性和耐磨性，可用于鑄鐵和不銹鋼的加工。機械制造技術(shù)2.2刀具的幾何角度2.2.1刀具切削部分的組成外圓車刀切削部分的構(gòu)成與工件加工表面相對的刀具表面前刀面與（主）后刀面的交線前刀面與副后刀面的交線與已加工表面相對的刀具表面連接主切削刃和副切削刃的一段刀刃切屑流出時經(jīng)過的刀面機械制造技術(shù)2.2.2刀具的幾何參數(shù)刀具標注角度的靜止參考系(A)刀具的靜止角度參考系通過主切削刃上某一指定點，與垂直于假定主運動方向的平面Pr通過主切削刃上某一指定點，與主切削刃相切并垂直于基面的平面Ps通過主切削刃上某一指定點，同時垂直于基面與切削平面的平面Po機械制造技術(shù)(B)外圓車刀的標注角度外圓車刀的標注角度基面中測量的主切削刃和進給運動方向之間的夾角

κr

切削平面內(nèi)測量的主切削刃與過刀尖所作基面之間的夾角

λs正交平面中測量的前刀面與基面之間的夾角

γo正交平面內(nèi)后刀面與切削平面之間的夾角

αo副正交平面中測量的副后刀面與副切削平面間的夾角基面中測量的副切削刃與進給運動反方向之間的夾角機械制造技術(shù)車刀角度正負的規(guī)定車刀角度正負的規(guī)定前角、后角刃傾角機械制造技術(shù)(C)

刀具的工作角度橫向進給運動對刀具工作角度的影響橫向進給運動對刀具工作角度的影響橫向切削不宜選用過大的進給量，并應(yīng)適當加大刀具的靜止后角。Pre機械制造技術(shù)縱向進給運動對刀具工作角度的影響縱向進給運動對刀具工作角度的影響機械制造技術(shù)刀尖安裝高低對工作角度的影響刀尖高低對工作角度的影響車削外圓時，刀尖高于工件中心(如圖)，

γo

、

αo如何變化？若刀尖低于中心，又如何變化？若是鏜削內(nèi)孔，上述兩情況下γo

、

αo又如何變化？機械制造技術(shù)刀桿中心線安裝偏斜對工作角度的影響刀桿中心線安裝偏斜對工作角度的影響刀桿中心線右偏(圖示)，

κr

、如何變化？若左偏又如何變化？機械制造技術(shù)任務(wù)三了解金屬切削過程及其基本規(guī)律任務(wù)引入為什么零件的加工質(zhì)量不同？哪些因素影響最終的加工質(zhì)量？材料如何從本體上分離下來？分離過程有些什么現(xiàn)象？這些現(xiàn)象有什么規(guī)律？如何利用這些規(guī)律？機械制造技術(shù)知識鏈接3.1金屬切削變形3.1.1切削變形區(qū)第Ⅱ變形區(qū)第Ⅰ變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)金屬切削過程三個變形區(qū)示意圖機械制造技術(shù)3.1.2切屑的類型(A)帶狀切屑加工碳鋼、合金鋼、銅、鋁等塑性金屬，采用切削速度高、切削厚度較小、刀具前角較大時常見此類切屑。(B)節(jié)狀切屑切削黃銅或低速切削鋼時，容易得到此類切屑。機械制造技術(shù)(C)粒狀切屑(D)崩碎切屑用較大切削厚度切削鑄鐵、青銅等脆性金屬出現(xiàn)此類切屑。切削鉛或很低的速度下切削鋼時，得到此類切屑。機械制造技術(shù)3.1.3積屑瘤(A)積屑瘤現(xiàn)象積屑瘤機械制造技術(shù)(B)積屑瘤形成、生長和脫落過程機械制造技術(shù)(C)積屑瘤的作用部分代替刀具進行加工，起到保護刀具，增大前角。造成過切，加劇刀具前刀面的磨損及切削力的波動，影響加工精度和表面粗糙度。積屑瘤對粗加工有利，對精加工則不利。機械制造技術(shù)(D)

減小或避免積屑瘤的措施避免采用產(chǎn)生積屑瘤的速度切削。采用大前角刀具切削。提高工件的硬度。其他措施，如減小進給量，減小前刀面的粗糙度值，合理使用切削液等。采用低速或高速切削，避免中速切削（νc≈20m/min）機械制造技術(shù)3.2切削力3.2.1切削力的來源、合力、分力(A)來源克服被加工材料對彈性變形的抗力。克服被加工材料對塑性變形的抗力?？朔行紝η暗睹娴哪Σ亮偷毒吆蟮睹鎸^渡表面與已加工表面之間的摩擦力。機械制造技術(shù)(B)合力、分力切削力Fc切削力在主運動方向的分力。背向力Fp

切削力在背吃刀方向上的分力。進給力Ff

切削力在進給運動方向上的分力。切削力機械制造技術(shù)3.2.2影響切削力的因素(A)工件材料塑性金屬，強度、硬度越高，材料的剪切屈服強度越高，切削力越大。脆性材料，塑性變形小，切屑與前刀面摩擦小，切削力小。吃刀量ap↑切削寬度bD、切削面積AD↑(100%)變形抗力和摩擦力↑(100%)切削力Fc↑(100%)。機械制造技術(shù)(B)切削用量背吃刀量影響進給量f↑切削面積AD↑(100%)，切削厚度hD↑(100%)平均切削變形↓切削力Fc↑(70-90%)。進給量影響切削加工中，若從切削力角度考慮，加大進給量f比加大背吃刀量ap有利。機械制造技術(shù)切削速度影響（塑性材料通過積屑瘤影響）切削速度對切削力的影響加工脆性材料，切削速度基本沒有影響。機械制造技術(shù)(C)刀具幾何參數(shù)前角前角對切削力的影響機械制造技術(shù)主偏角κγ↑hD↑切削層變形↓F↓。主偏角對切削力的影響κγ↑刀尖圓弧占切削刃比例↑變形和擠壓摩擦↑↑F↑。在Κγ=30~60°，

κγ↑hD的影響起主要作用主切削力Fc↓；在κγ=60~90°，

κγ↑刀尖圓弧影響更突出切削力Fc↑。機械制造技術(shù)刃傾角刃傾角對切削力的影響λs對切削力Fp、Ff的影響很大，F(xiàn)p隨著λs減小而增大；Ff隨著λs減小而減小。λs對Fc影響不大。機械制造技術(shù)刀尖圓角半徑刀尖圓弧半徑rε↑圓弧工作刃↑變形、摩擦↑

切削力↑主要影響Fp、Ff，對Fc影響較小。刀具材料與磨損狀況在相同的切削條件下，陶瓷刀具總切削力最小，硬質(zhì)合金刀具次之，高速鋼刀具的總切削力最大。刀具磨損越大，切屑與刀具接觸面的摩擦越大，總切削力越大。切削液適宜的切削液，可減小摩擦，減小變形，降低總切削力。機械制造技術(shù)3.2.3切削功率切削功率，Kw切削力，N切削速度，m/min(A)切削功率(B)機床功率機床電機功率，Kw機床傳動效率，一般取η=0.75~0.85機械制造技術(shù)3.3切削熱與切削溫度切削熱和來源和傳導3.3.1切削熱切削熱由切削層金屬在刀具作用下發(fā)生彈性變形、塑性變形而耗功及切屑與前刀面、工件與后刀面的摩擦產(chǎn)生。車削時，切削熱約50%~86%由切屑帶走，10%~40%傳入工件，3%~9%傳入刀具，1%傳入周圍介質(zhì)。鉆削時，約有28%的切削熱由切屑帶走，15%傳入鉆頭，52%傳入工件，5%傳入周圍介質(zhì)。機械制造技術(shù)3.3.2切削溫度切削溫度一般指切屑與刀具前刀面接觸區(qū)域的平均溫度。切削溫度的高低，取決于該處產(chǎn)生熱量的多少和散熱的快慢。二維切削中的溫度分布機械制造技術(shù)3.3.3影響切削溫度的因素(A)切削用量ap↑切削力Fc↑(100%)熱量↑(100%)；同時，切削寬度bD↑(100%)、刀具傳熱面積↑(100%)ap對切削溫度的影響很小。背吃刀量f↑切削力Fc↑熱量↑進給量f↑切削厚度hD↑切屑帶走熱量↑，切削寬度bD不變刀具的傳熱面積↑(<100%)。f對切削溫度的影響稍大機械制造技術(shù)切削速度νc↑熱量↑，刀具散熱能力無改變

νc對切削溫度的影響最大。機械制造技術(shù)(B)刀具幾何角度前角對切削溫度的影響前角γo↑變形、摩擦熱量↓γo↑↑楔角↓散熱↓熱量↑機械制造技術(shù)主偏角主偏角對切削溫度的影響γo↑切削厚度hD↑熱量↓γo↑刀尖角εr↓，切削寬度bD↓刀具散熱能力↓切削溫度↑機械制造技術(shù)刀尖圓弧半徑rε↑切削刃平均主偏角↓、切削寬度bD↑刀具散熱能力↑切削溫度↓。機械制造技術(shù)(C)工件材料強度、硬度、導熱系數(shù)等。(D)其他因素刀具磨損切削液刀具材料機械制造技術(shù)3.4

刀具磨損與刀具耐用度3.4.1刀具的磨損形式(A)前刀面磨損刀具磨損正常磨損、非正常磨損機械制造技術(shù)(B)后刀面磨損(C)前、后刀面同時磨損機械制造技術(shù)3.4.2刀具的磨損過程刀具后刀面典型磨損曲線機械制造技術(shù)3.4.3刀具的磨損標準刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用，此磨損限度稱為刀具的磨鈍標準。通常，按后刀面磨損寬度制定磨鈍標準。粗加工和半精加工，一般取正常磨損階段終點處的磨損量作為磨鈍標準(經(jīng)濟磨損限度)；精加工時，磨鈍標準取較小值(工藝磨損限度)。機械制造技術(shù)3.4.4刀具耐用度刀具耐用度即指新刃磨的刀具從自開始切削到達到磨損限度所經(jīng)過的總的切削時間，以T表示，單位為min。刀具總壽命是一把新刀從開始投入切削到報廢為止總的切削時間。目前，硬質(zhì)合金車刀的耐用度約60min，高速鋼鉆頭的耐用度約80~120min，硬質(zhì)合金銑刀的耐用度為120~180min，齒輪刀具的耐用度為200~300min。機械制造技術(shù)任務(wù)四合理選擇切削用量任務(wù)引入任務(wù)：有一軸毛坯直徑d=50mm，長度320mm，材料45鋼，σb=637Mpa；加工要求外圓加工至

mm，表面粗糙度Ra3.2μm；采用焊接式硬質(zhì)合金外圓車刀（材料YT15，刀桿截面尺寸16mm×25mm）；車刀切削部分幾何參數(shù)：γo=15°，αo

=8°，κr

=75°，

=10°，λs=0°，rε

=1mm。要求確定該車削工序的切削用量。機械制造技術(shù)知識鏈接4.1金屬用量選擇原則4.1.1粗加工階段切削用量選擇原則選取盡可能大的吃刀量ap，其次選取盡可能大的進給量f，最后根據(jù)刀具耐用度的限制確定合理的切削速度νc。4.1.2精加工階段切削用量選擇原則選擇較高的切削速度νc、盡可能大的背吃刀量ap和較小的進給量f。機械制造技術(shù)4.2金屬用量選擇方法4.2.1背吃刀量的選用根據(jù)加工余量確定(A)粗加工粗加工時，在保留半精加工和精加工余量的前提下，一般盡可能用一次進給切除全部加工余量。下列情況采用二次或多次走刀：加工余量太大，導致機床動力不足或刀具強度不夠加工余量不均勻，斷續(xù)切削。工藝系統(tǒng)剛度不足等。采用兩次走刀時，通常第一次走刀取ap1=（2/3~3/4）加工余量，第二次走刀取ap2=（1/4~1/3）加工余量。機械制造技術(shù)(B)半精加工(C)精加工通常，取ap=0.5~2mm。通常，取ap=0.1~0.4mm。機械制造技術(shù)