中職《機(jī)械加工技術(shù)》項(xiàng)目01 金屬切削的基礎(chǔ)知識(shí)

項(xiàng)目一金屬切削的基礎(chǔ)知識(shí)一、教學(xué)目標(biāo)任務(wù)1金屬切削概述1.了解金屬機(jī)械切削加工中表面成形與切削運(yùn)動(dòng)概念和它們之間的關(guān)系。2.了解切削用量的基本概念。3.掌握切削層參數(shù)的概念。任務(wù)2刀具基礎(chǔ)知識(shí)1.了解車刀的組成部分。2.了解刀具角度的參考系。3.熟練掌握刀具的標(biāo)注角度。4.熟悉刀具材料的性能和種類。5.掌握刀具材料的選用標(biāo)準(zhǔn)。任務(wù)3金屬切削過程中的物理現(xiàn)象1.了解切削層的3個(gè)變形區(qū)。2.熟悉切削的形成過程及受力分析。3.了解切削用量的選擇方法。4.理解金屬切削的常用概念。任務(wù)4金屬切削機(jī)床的基本知識(shí)1.了解機(jī)床的幾種分類方式。2.掌握機(jī)床型號(hào)的編制規(guī)則和編制方法。3.掌握機(jī)床運(yùn)動(dòng)的形成和成因。4.理解機(jī)床傳動(dòng)的工作原理。二、課時(shí)分配本章共4個(gè)任務(wù)，本章安排6課時(shí)。三、教學(xué)重點(diǎn)我們通過本項(xiàng)目的實(shí)施，了解切削用量的基本概念，熟練掌握刀具的標(biāo)注角度，熟悉刀具材料的性能和種類，熟悉切削的形成過程及受力分析，理解金屬切削的常用概念，理解機(jī)床傳動(dòng)的工作原理。四、教學(xué)難點(diǎn)1.掌握切削層參數(shù)的概念。2.掌握刀具材料的選用標(biāo)準(zhǔn)。3.掌握機(jī)床型號(hào)的編制規(guī)則和編制方法。4.掌握機(jī)床運(yùn)動(dòng)的形成和成因。五、教學(xué)內(nèi)容任務(wù)1金屬切削概述活動(dòng)1切削表面活動(dòng)2切削運(yùn)動(dòng)要使刀具從工件毛坯上切除多余的金屬，使其成為具有一定形狀和尺寸的零件，刀具和工件之間必須具有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種切削加工過程中的刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為切削運(yùn)動(dòng)。1.主運(yùn)動(dòng)2.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)3.合成切削運(yùn)動(dòng)4.其他運(yùn)動(dòng)活動(dòng)3切削要素切削要素可分為兩大類，即切削用量要素和切削層橫截面要素。1.切削用量要素(1)切削速度(2)進(jìn)給量(3)背吃刀量(切削深度)2.切削層橫截面要素切削層是指切削部分的單一動(dòng)作所切除的工件材料層，規(guī)定在刀具的基面中度量。當(dāng)切削加工時(shí)，切削層指刀具正在切削著的這一層金屬。切削層形狀和尺寸直接決定了刀具承受的負(fù)荷以及切屑的形狀和尺寸。切削層橫截面要素包括切削寬度、切削厚度和切削面積3個(gè)要素。切削寬度(2)切削厚度(3)切削面積任務(wù)2刀具基礎(chǔ)知識(shí)活動(dòng)1刀具的切削部分雖然市面上的金屬刀具種類繁多，但它們切削部分的幾何形狀與參數(shù)都存在共性，即不論刀具結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，它們的切削部分總是近似地以外圓車刀的切削部分為基本形態(tài)。1.車刀的組成2.刀具角度的參考系(1)正交平面參考系。如圖1-5所示，正交平面參考系由以下3個(gè)平面組成。(2)法平面參考系。如圖1-5所示，法平面參考系由基面pr、切削平面ps和法平面pn組成。其中，法平面pn是指過切削刃上選定點(diǎn)并垂直于切削刃的平面。(3)假定工作平面參考系。如圖1-6所示，假定工作平面參考系由基面pr、假定工作平面pf和背平面pp組成。3.刀具的標(biāo)注角度刀具的切削性能、鋒利程度及強(qiáng)度主要是由刀具的幾何角度來決定的。其中前角、后角、主編角和刃傾角是全切削刃上4個(gè)最基本的角度。(1)在正交平面內(nèi)標(biāo)注的角度。①前角γo。在正交平面內(nèi)度量的前刀面與基面之間的夾角稱為前角。②后角αo。在正交平面內(nèi)度量的后刀面與切削平面之間的夾角稱為后角。③楔角βo。在正交平面內(nèi)度量的前刀面與后刀面之間的夾角稱為楔角。(2)在切削平面內(nèi)標(biāo)注的角度。刃傾角λs是指在切削平面內(nèi)度量的主切削刃與基面之間的夾角。刀尖位于主切削刃上最高點(diǎn)時(shí)，刃傾角為正；刀尖位于主切削刃上最低點(diǎn)時(shí)，刃傾角為負(fù)。(3)在基面內(nèi)標(biāo)注的角度。①主偏角κr。主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方向的夾角稱為主偏角。②副偏角κr′。副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方向的夾角稱為副偏角。③刀尖角εr。在基面內(nèi)度量的主切削刃與副切削刃之間的夾角稱為刀尖角?；顒?dòng)2刀具材料刀具材料的性能好壞是影響加工表面質(zhì)量、切削效率、刀具壽命的基本因素。目前在金屬切削加工生產(chǎn)中，普遍選擇常用的刀具材料，但新型的、超硬的刀具材料正被逐漸采用。因此，本活動(dòng)著重介紹通用型高速鋼和碳化鎢基硬質(zhì)合金等常用刀具材料的性質(zhì)及其選用，也簡(jiǎn)單介紹一些陶瓷、立方氮化硼、人造金剛石、氮化硅等新型材料的性質(zhì)和用途。1.刀具材料的性能(1)高的硬度。(2)高的耐磨性。(3)足夠的強(qiáng)度和韌性。(4)高的耐熱性。(5)良好的工藝性。2.刀具材料的種類目前常用的刀具材料有工具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬刀具材料。一般機(jī)械加工使用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。(1)高速鋼。(2)硬質(zhì)合金。(3)其他刀具材料。①陶瓷。②超硬材料。任務(wù)3金屬切削過程中的物理現(xiàn)象活動(dòng)1切削層的變形1.第一變形區(qū)始滑移面OA與終滑移面OM之間的變形區(qū)稱為第一變形區(qū)，寬度很窄(0.02～0.2mm)，故常用OM剪切面(也稱為滑移面)來表示，它與切削速度的夾角稱為剪切角φ。第一變形區(qū)變形特點(diǎn)為剪切變形沿著滑移線發(fā)生，隨之產(chǎn)生加工硬化。2.第二變形區(qū)當(dāng)切屑沿前面流出時(shí)，由于受到前面擠壓和摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底層金屬再次產(chǎn)生剪切變形。使切屑底層較薄的一層金屬流動(dòng)滯緩，流動(dòng)滯緩的一層金屬稱為滯流層，這一區(qū)域稱為第二變形區(qū)。3.第三變形區(qū)工件已加工表面受到鈍圓弧切削刃的擠壓和后面的摩擦，使已加工表面內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，已加工表面與后面的接觸區(qū)稱為第三變形區(qū)?；顒?dòng)2切削變形的衡量方法1.切屑的形成過程2.切屑的受力分析切削塑性金屬時(shí)，切屑底層的金屬與刀具的前刀面(切屑流出的表面)在高溫高壓下，存在著劇烈的摩擦。這層金屬由于受到前刀面很大的摩擦阻力，所以它的流動(dòng)速度較慢。當(dāng)摩擦阻力增大到一定程度時(shí)，這層流動(dòng)很慢的金屬與切屑分離，而形成一個(gè)楔塊，黏結(jié)在刀刃附近的前刀面上。這塊金屬稱為積屑瘤，也叫刀瘤。積屑瘤的硬度很高，約為工件材料硬度的3倍，因此，它可以代替刀刃進(jìn)行切削。當(dāng)?shù)读霎a(chǎn)生時(shí)，增大了前角，使切削工作輕快省力。這對(duì)粗加工有好處，但刀瘤在切削時(shí)，經(jīng)常被切屑帶走，其高度不斷變化，切削厚度就有變化，使切削過程產(chǎn)生振動(dòng)。刀瘤有時(shí)還會(huì)嵌入或黏附在已加工表面上，使已加工表面的表面粗糙度增大。因此，在精加工時(shí)，要避免積屑瘤產(chǎn)生。為避免積屑瘤的產(chǎn)生，可采取以下控制措施。(1)采用高速或低速切削。實(shí)踐證明，用低于2m／min或高于100m／min的切削速度切削中碳鋼時(shí)，是不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤的。當(dāng)切削速度較低或較高時(shí)，切削區(qū)域的溫度也較低或較高。在此兩種條件下，鋼與刀具材料的摩擦因數(shù)都較小，故不易產(chǎn)生積屑瘤。用中等速度切削時(shí)，切削區(qū)域的溫度，正好使鋼與刀具材料的摩擦因數(shù)加大，所以容易產(chǎn)生積屑瘤。切削區(qū)域的溫度在300℃左右時(shí)，積屑瘤的高度最大。(2)增大刀具的前角、研磨刀具的前刀面、使用切削液，都可以減小切削變形和摩擦，從而避免產(chǎn)生積屑瘤?；顒?dòng)3金屬切削的幾個(gè)常用概念金屬切削過程是刀具前面推擠切削層，使其產(chǎn)生切屑和得到需要的加工表面的過程。在切削過程中會(huì)出現(xiàn)許多物理現(xiàn)象，如切削變形、切削力、切削熱、刀具磨損等。這些物理現(xiàn)象與加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和制造成本等密切相關(guān)。切削過程的金屬變形本質(zhì)上是工件受到刀具推擠后產(chǎn)生彈性和塑性變形，使切削層與母體金屬分離的過程。1.切屑金屬切削時(shí)，由于工件材料、刀具幾何角度、切削用量等的差異，會(huì)出現(xiàn)4種不同形態(tài)的切屑。(1)帶狀切屑。切屑連續(xù)，成較長(zhǎng)的帶狀，底面光滑，背面無明顯裂紋，呈微小鋸齒形。一般加工塑性金屬（如低碳鋼、銅、鋁等材料）時(shí)形成此類切屑，必要時(shí)需采取斷屑措施。(2)節(jié)狀切屑。切屑背面有較深的裂紋，呈較大的鋸齒形。(3)粒狀(單元)切屑。切削塑性材料時(shí)，若整個(gè)剪切面上的切應(yīng)力超過了材料斷裂強(qiáng)度，所產(chǎn)生的裂紋貫穿切屑斷面時(shí)，呈粒狀切屑。(4)崩碎切屑。切削鑄鐵、青銅等脆性材料時(shí)，切削層通常在彈性變形后未經(jīng)塑性變形，突然崩碎而成為碎粒狀切屑。2.加工硬化經(jīng)過切削加工的表面，其硬度提高、塑性降低的現(xiàn)象稱為加工硬化。硬化層的深度為0.07～0.5mm，硬度為材料原來硬度的1.2～2倍。切削時(shí)產(chǎn)生的硬化層，其硬度和深度是很不均勻的，并常常產(chǎn)生細(xì)小的裂紋。這對(duì)已加工表面的質(zhì)量不利。對(duì)于還要繼續(xù)切削的表面，由于硬化層的存在，增加了下次切削的困難。因此，在切削時(shí)應(yīng)盡量減輕加工硬化現(xiàn)象。一般地說，凡減少切削變形和摩擦的措施，如增大刀具前角、提高切削速度、使用切削液等，都可以減輕加工硬化現(xiàn)象。3.切削熱在切削過程中，由于工件材料被擠壓變形，工件、切屑與刀具的摩擦?xí)a(chǎn)生切削熱。工件溫度的升高以及切屑溫度較高等現(xiàn)象都說明切削熱的存在。切削塑性材料時(shí)，切削熱主要來自材料被擠壓、變形和切屑與刀具的摩擦；切削脆性材料時(shí)，切削熱主要由工件與刀具的摩擦產(chǎn)生。切削速度低時(shí)，變形熱占主要地位；切削速度高時(shí)，摩擦熱的比例增加。切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)(如空氣、切削液等)傳出。當(dāng)不加切削液，用中等切削速度車削鋼材時(shí)，切屑傳出的熱量占總切削熱的50％～86％，工件傳出的熱量占總切削熱的10％～40％，刀具傳出的熱量占總切削熱的3％～9％，介質(zhì)傳出的熱量占總切削熱的1％。4.切削溫度切削時(shí)的發(fā)熱和散熱直接影響到切削溫度。切削溫度是指工件、切屑和刀具接觸處的最高溫度，即刀尖附近的溫度。由于這里發(fā)熱量大，散熱條件差，溫度有時(shí)可達(dá)700～1000℃。切削溫度太高，會(huì)加劇刀具的磨損，甚至使刀具喪失切削能力。而刀具的磨損又會(huì)使工件的精度和表面質(zhì)量降低。工件(尤其是細(xì)長(zhǎng)軸、薄壁套之類的零件)本身也會(huì)受熱伸長(zhǎng)和膨脹。有時(shí)在加工中測(cè)量合格的尺寸，冷卻后可能就不合格了。細(xì)長(zhǎng)軸受熱后產(chǎn)生軸向彎曲，車后會(huì)造成形狀誤差。為此，必須設(shè)法使切削熱產(chǎn)生得少、散熱散得快，以降低切削溫度。常用的措施如下。(1)切削時(shí)，盡量使用切削液。這對(duì)高速鋼刀具來說尤其重要。(2)適當(dāng)增大前角，可以減少切削熱，降低切削溫度。(3)實(shí)驗(yàn)證明，車削中切削速度降低1倍，切削溫度降低30％左右；進(jìn)給量降低1倍，切削溫度降低15％左右；而切削深度降低1倍時(shí)，切削溫度只降低7％～8％。如果要降低切削溫度，首先要降低切削速度。這樣做，既能使切削溫度顯著降下來，又能使生產(chǎn)率下降最少。(4)適當(dāng)減小主偏角，可增加切削刃的散熱長(zhǎng)度和刀尖處的散熱面積，也能降低切削溫度。切削溫度可通過觀察切屑的顏色大致地估計(jì)出來。例如，切削碳素鋼時(shí)，隨著切削溫度的升高，切屑顏色由銀白逐步變?yōu)辄S白、金黃、紫、深藍(lán)、淺藍(lán)色，其中金黃色反映的切削溫度是300～400℃，淺藍(lán)色反映的切削溫度是500～600℃。5.切削液切削液是為了提高切削加工效果而使用的液體。(1)切削液的作用。①冷卻作用。②潤(rùn)滑作用。③清洗和排屑作用。(2)切削液的種類。切削液分水基和油基兩種類型。常用的水基切削液有合成切削液和乳化液，常用的油基切削液即切削油。①合成切削液。②乳化液。③油基切削液。④極壓型切削液。(3)切削液的選用。加工過程中使用的切削液要根據(jù)工件材料、刀具材料、加工方法、加工要求、機(jī)床類別等情況綜合考慮，合理選用。①根據(jù)工件材料選用。②根據(jù)刀具材料選用。③根據(jù)加工方法選用。④根據(jù)加工要求選用。6.刀具磨損與刀具壽命切削中，刀具材料的部分微粒被切屑或工件帶走而逐漸變鈍的現(xiàn)象，叫做刀具磨損。刀具磨損到一定程度時(shí)，應(yīng)及時(shí)地把它取下來，進(jìn)行刃磨。否則，就會(huì)使工件精度下降，表面粗糙度上升。機(jī)床動(dòng)力消耗增大，甚至打刀，造成刀具材料的嚴(yán)重浪費(fèi)。刀具磨損的原因。(2)刀具的磨損部位。(3)刀具的磨損限度。(4)刀具壽命。任務(wù)4金屬切削機(jī)床的基本知識(shí)活動(dòng)1機(jī)床的分類和型號(hào)編制方法在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)床品種和規(guī)格繁多，機(jī)床的名稱很長(zhǎng)。為了便于區(qū)別、管理和使用，須對(duì)機(jī)床進(jìn)行分類和編制型號(hào)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15375—2008《金屬切削機(jī)床型號(hào)編制方法》對(duì)此進(jìn)行了專門的規(guī)定。1.機(jī)床的分類(1)按照通用化程度分類，機(jī)床可分為以下3種類型。①通用機(jī)床。這類機(jī)床可以加工多種零件的不同工序，加工范圍廣，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。例如，普通車床、萬能升降臺(tái)銑床、萬能外圓磨床等均屬于通用機(jī)床。②專門化機(jī)床。這類機(jī)床的加工范圍較窄，專門用于加工某一類或幾類零件的某一道或某幾道特定工序。例如，凸輪軸車床、絲杠車床、齒輪加工機(jī)床等均屬于專門化機(jī)床。③專用機(jī)床。這類機(jī)床的加工范圍窄，用于加工某一種零件的某一道特定工序，具有專用、高效、自動(dòng)化程度高和易于保證加工精度的特點(diǎn)，適用于大批大量生產(chǎn)。例如，加工車床床身導(dǎo)軌的專用龍門磨床、各種類型的組合機(jī)床等均屬于此類機(jī)床。(2)按照自動(dòng)化程度分類，機(jī)床可分為手動(dòng)機(jī)床、機(jī)動(dòng)機(jī)床、半自動(dòng)機(jī)床和自動(dòng)機(jī)床。(3)按照機(jī)床的工作精度分類，機(jī)床可分為普通機(jī)床、精密機(jī)床和高精度機(jī)床。(4)按照重量和尺寸分類，機(jī)床可分為儀表機(jī)床、中型機(jī)床、大型機(jī)床、重型機(jī)床和超重型機(jī)床。(5)按照機(jī)床的主要工作部件數(shù)目分類，機(jī)床可分為單刀機(jī)床、多刀機(jī)床、單軸機(jī)床、多軸機(jī)床等。(6)按照數(shù)控功能分類，機(jī)床可分為非數(shù)控機(jī)床、一般數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性制造單元等。2.金屬切削機(jī)床型號(hào)編制方法機(jī)床型號(hào)也稱為機(jī)床的代號(hào)，用于表明機(jī)床的類型、通用性和結(jié)構(gòu)特性、主要技術(shù)參數(shù)等。GB/T15375—2008《金屬切削機(jī)床型號(hào)編制方法》規(guī)定，我國(guó)的機(jī)床型號(hào)由漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字按一定規(guī)律組合而成。(1)機(jī)床類別代號(hào)。(2)機(jī)床的通用特性和結(jié)構(gòu)特性代號(hào)。①通用特性代號(hào)。②結(jié)構(gòu)特性代號(hào)。(3)機(jī)床的組別、系別代號(hào)。(4)機(jī)床主參數(shù)、設(shè)計(jì)順序號(hào)及第二主參數(shù)。(5)機(jī)床的重大改進(jìn)順序號(hào)。(6)其他特性代號(hào)。(7)企業(yè)代號(hào)。活動(dòng)2機(jī)床的運(yùn)動(dòng)1.工件表面的形成2.機(jī)床的運(yùn)動(dòng)形式(1)表面成形運(yùn)動(dòng)。圖1-12常見表面的加工