機(jī)械制造基礎(chǔ)第十章金屬切削加工基礎(chǔ)知識(shí)

機(jī)械制造基礎(chǔ)

第十章金屬切削加工基礎(chǔ)知識(shí)

主講：仝勖峰西安電子科技大學(xué)第一頁，共五十頁。本章內(nèi)容金屬切削加工的工作原理及特點(diǎn)，切削運(yùn)動(dòng)和切削要素；切削刀具基礎(chǔ)知識(shí)；金屬切削過程中的物理現(xiàn)象。第二頁，共五十頁。一、切削加工切削:利用切削工具從工件上切除多余材料的加工方法。切削加工=鉗工+機(jī)械加工

機(jī)械加工—利用機(jī)械力對各種工件進(jìn)行加工的方法。機(jī)械加工的方法許多：車、鉆、銑、刨和磨等多種，但它們在切削運(yùn)動(dòng)、切削刀具、切削過程的物理實(shí)質(zhì)等方面都有著共同的現(xiàn)象和規(guī)律。第三頁，共五十頁。二、切削運(yùn)動(dòng)與切削要素1、零件表面的形成零件表面的組成有：基本表面平面、外、內(nèi)圓面；成形面：溝、槽、螺紋及齒面等

第四頁，共五十頁。金屬切削基礎(chǔ)知識(shí)錄像

第五頁，共五十頁。1、零件表面的形成

第六頁，共五十頁。2、切削運(yùn)動(dòng)2、切削運(yùn)動(dòng)1）三個(gè)表面在切削加工過程中，工件上存在三個(gè)不斷變化的表面，即：已加工表面、待加工表面和過渡表面。（1）待加工表面工件上即將切去切屑的表面。（2）已加工表面工件上已切去切屑的表面。（3）過渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面，即已加工表面和待加工表面之間的過渡表面。第七頁，共五十頁。2、切削運(yùn)動(dòng)第八頁，共五十頁。2、切削運(yùn)動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)：刀具與工件之間的相對運(yùn)動(dòng)。切削運(yùn)動(dòng)又分主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其中：1）主運(yùn)動(dòng)由機(jī)床或人力提供的主要運(yùn)動(dòng)，它促使刀具和工件之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，從而使刀具前面接近工件。2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是使待加工表面不斷地或連續(xù)地投入切削并得出所需幾何特性的已加工表面的運(yùn)動(dòng)。第九頁，共五十頁。2、切削運(yùn)動(dòng)切削過程中主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以有一個(gè)或幾個(gè)。切削運(yùn)動(dòng)的形式有：旋轉(zhuǎn)或直線的。實(shí)際的切削運(yùn)動(dòng)是一個(gè)合成切削運(yùn)動(dòng)。第十頁，共五十頁。2、切削運(yùn)動(dòng)

第十一頁，共五十頁。3、切削用量一般，切削用量包括：切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量。常稱為切削三要素。1）切削速度

υｃ(以車削為例)

切削速度υｃ(m/s)是主運(yùn)動(dòng)的線速度。m/sνc=式中：D—為工件待加工表面的直徑(mm)；n—為轉(zhuǎn)速(r/min)。車削時(shí)指工件待加工表面最大直徑處線速度第十二頁，共五十頁。3、切削用量2）進(jìn)給量f(mm/r)指(車)刀具相對于工件旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),在進(jìn)給方向的位移量。單位為：mm/r或mm/str。第十三頁，共五十頁。3、切削用量3）背吃力量ap(mm)指工件上已加工表面與待加工表面之間的垂直距離，單位為：mm。式中：d為已加工表面的直徑(mm)。生產(chǎn)中為提高效率一般對工件分粗、精加工階段，如粗加工時(shí)的選擇原則：“先定ap,次選f,最后定υc”aP＝第十四頁，共五十頁。4、切削層參數(shù)1）切削層公稱橫截面積AD

在給定瞬間，切削層在切削層尺寸平面里的實(shí)際橫截面積，單位為mm2。2）切削層公稱寬度bD；3）切削層公稱厚度hD

第十五頁，共五十頁。三、切削刀具

刀具組成＝切削部分＋夾持部分1、刀具材料(指切削部分)1）對刀具材料的基本要求切削過程中，刀具的切削部分要承受很大的壓力、摩擦、沖擊和很高的溫度，刀具切削部分的材料應(yīng)具備以下性能：(1)高的硬度一般刀具材料的硬度應(yīng)在60HRC以上。第十六頁，共五十頁。1）對刀具材料的基本要求

(2)足夠的強(qiáng)度和韌性又稱堅(jiān)韌性，以承受切削中的沖擊力和振動(dòng)，減少刀具脆性斷裂和崩刃。(3)耐磨性好即抵抗磨損的能力，使刀具使用耐久。(4)高的耐熱性是指刀具在高溫下仍能保持硬度、強(qiáng)度、韌性和耐磨性等。(5)工藝性能要好為了便于刀具本身的制造，刀具材料還應(yīng)具有一定的工藝性能,如:切削性能、磨削性能、焊接性能及熱處理性能等。第十七頁，共五十頁。2）常用刀具材料（1）碳素工具鋼T10鋼(WC=1%)制手用鋼鋸條、簡單冷作模;T12鋼用于制作鉸刀、銼刀、量具等（2）合金工具鋼常用牌號如9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等。主要用于制造刃具、模具、量具等工具。第十八頁，共五十頁。2）常用刀具材料（3）高速鋼高速鋼是含W、Cr、V等合金元素較多的合金工具鋼。其常用牌號有:W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等,廣泛用于制造形狀復(fù)雜的高速切削工具,如：麻花鉆、銑刀、拉刀、齒輪刀具和其他成形刀具。（4）硬質(zhì)合金根據(jù)GB/2075-1998規(guī)定，按被加工材料分了三個(gè)大（類）組；分別用字母P、M、K表示(這些字母完全是習(xí)慣性，本身無其他含義)。第十九頁，共五十頁。3）新型刀具材料（1）涂層刀具材料是指通過氣相沉積或其他技術(shù)方法，在硬質(zhì)合金或高速鋼的基體上涂覆一薄層高硬耐磨的難熔金屬或非金屬化合物而構(gòu)成的。如在硬質(zhì)合金表面上涂厚4～9μm的涂層時(shí)，表面硬度可達(dá)2500～4200HV，是實(shí)現(xiàn)刀具要求“面硬而心韌”的有效方法之一。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等硬質(zhì)合金涂層刀具壽命可比原來提高1～3倍，高速鋼涂層后壽命提高2～10倍，世界各國對涂層刀具運(yùn)用很廣泛。處于領(lǐng)先地位的瑞典，在車削中使用涂層硬質(zhì)合金刀片已達(dá)70%～80%。第二十頁，共五十頁。3）新型刀具材料（2）陶瓷刀具材料

按化學(xué)成分可分為Al2O3基和Si3N4基兩類。陶瓷刀具硬度高而耐磨，允許切削速度達(dá)成12.5m/s，耐熱性度可達(dá)1200～1450℃，其效率比硬質(zhì)合金提高了1～4倍，可制成刀片。用于半精和精加工高硬度、強(qiáng)度鋼及冷硬鑄鐵等，缺點(diǎn)抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差。第二十一頁，共五十頁。3）新型刀具材料（3）超硬刀具材料它包括人造聚晶金剛石和立方氮化硼等人造聚晶金剛石刀具，硬度極高(5000HV以上),耐磨性極好，可切削硬的材料而長時(shí)間保持尺寸的穩(wěn)定。刀具壽命比硬質(zhì)合金高幾十至三百倍，宜精細(xì)加工。立方氮化硼(CBN)的顯微硬度達(dá)8000～9000HV，僅次于天然金剛石（10000HV），耐磨性很好，其耐熱性達(dá)1500℃，且與鐵族材料親和作用小。第二十二頁，共五十頁。2、刀具角度刀具的種類相當(dāng)繁多，但其切削部分的結(jié)構(gòu)要素和幾何角度有著許多共同的特征。

各種刀具就一個(gè)刀齒而言，都相當(dāng)于車刀的刀頭。第二十三頁，共五十頁。2、刀具角度車刀切削部分的組成車刀切削部分有：“三面兩刃一尖”。1）前刀面（簡稱前面）指刀具上切屑流經(jīng)的表面。2）主后刀面（簡稱后面）是與工件上過渡表面相對的表面。3）副后刀面（簡稱副后面）是與工件已加工表面相對的表面。第二十四頁，共五十頁。2、刀具角度車刀切削部分的組成車刀切削部分有：“三面兩刃一尖”。

4）主切削刃前刀面與主后刀面的交線。5）副切削刃前刀面與副后刀面的交線。6）刀尖指主、副切削刃匯交的部位，它可以是圓弧，或是一小段直線。第二十五頁，共五十頁。2、刀具角度第二十六頁，共五十頁。3、刀具角度參考系

刀具角度是確定車刀各部分幾何形狀的重要參數(shù)，用于定義和規(guī)定刀具角度的各基準(zhǔn)坐標(biāo)平面稱為參考系。參考系有兩類：一類稱為刀具靜止參考系，又稱標(biāo)注參考系，它是刀具設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)注、刃磨和測量的基準(zhǔn)，用此定義的刀具角度稱刀具標(biāo)注角度；另一類是刀具工作參考系，又稱為動(dòng)態(tài)參考系。第二十七頁，共五十頁。3、刀具角度參考系

組成刀具靜止參考系的平面，如下所示，由以下三平面組成：1）基面Pr過切削刃選定點(diǎn)并垂直于假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面。車刀的基面可理解為平行于刀具底面（水平面）的平面。2）切削平面Ps過切削刃上選定點(diǎn)與切削刃相切并垂直于基面的平面（主切削平面以Ps表示，副切削平面以Ps，表示）。3）正交平面Po過切削刃上選定點(diǎn)，并同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。4）假定工作平面Pf過切削刃選定點(diǎn)，垂直于基面并平行與假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的平面。第二十八頁，共五十頁。3、刀具角度參考系

第二十九頁，共五十頁。4、車刀的幾何角度及其作用

第三十頁，共五十頁。4、車刀的幾何角度及其作用

1）前角r。前刀面與基面間的夾角。根據(jù)前刀面與基面間的相對位置又分別規(guī)定為正前角、零度前角和負(fù)前角。作用：影響切削刃鋒利程度及強(qiáng)度，增加前角可使刀刃鋒利，切削力減少。切削溫度降低，但過大的前角會(huì)使刃口強(qiáng)度降低，容易造成刃口損壞。選擇原則：前角的數(shù)值大小與刀具切削部分的材料，被加工材料、工作條件等都有關(guān)系。(1)刀具切削部分材料性脆、強(qiáng)度低時(shí)前角應(yīng)取小值；(2)工件材料強(qiáng)度和硬度低時(shí)，可選取較大前角；(3)在重切削和有沖擊的工作條件時(shí)，前角只能取較小值，有時(shí)甚至取負(fù)值。一般是在保證刀具刃口強(qiáng)度的條件下，盡量選用大前角。第三十一頁，共五十頁。4、車刀的幾何角度及其作用

2）后角αo指主后刀面與切削平面之間的夾角。作用：減小后刀面與工件之間的摩擦，它也和前角一樣影響刃口的強(qiáng)度和鋒利程度。選擇原則：與前角相似，一般后角值為6～8度。3）主偏角γ指主切削平面與假定工作平面間夾角。作用：影響切削刃工作長度、背向力、刀尖強(qiáng)度和散熱條件；主偏差越小，背向力越大，切削刃工作長度越大，散熱條件越好。選擇原則：工件粗大，剛性好時(shí)可取較小值，車細(xì)長軸時(shí)為了減少背向力以免工件彎曲加工出腰鼓形，宜選取較大的值，常用為45～75度間。第三十二頁，共五十頁。4、車刀的幾何角度及其作用

4）副偏角副切削平面與假定工作平面間的夾角。作用：影響已加工表面的粗糙度，減少副偏角可使加工表面粗糙值降低。選擇原則：精加工為提高加工表面質(zhì)量，選取較小值，一般為5～10度5）刃傾角s指主切削刃與基面間的夾角，反映主切削刃對基面的傾斜程度。作用：影響切屑流動(dòng)方向和刀尖的強(qiáng)度。(1)當(dāng)s為正值時(shí)，刀尖在主切削刃上的最高點(diǎn)，切屑流向得加工表面；(2)當(dāng)s為負(fù)值時(shí)，刀尖在主切削刃上為最低點(diǎn)，切屑流向已加工表面；(3)刃傾角為0時(shí)，切屑垂直于過渡表面方向流出。第三十三頁，共五十頁。4、車刀的幾何角度及其作用

在s為正值時(shí)切屑對刀具的壓力使刀頭及刃口部分容易損壞，表現(xiàn)出刀頭強(qiáng)度較差；反之則表示刀頭強(qiáng)度較好。選擇原則：精加工時(shí)取正值，粗加工時(shí)或有沖擊時(shí)取負(fù)值，一般情況下為0～5度。第三十四頁，共五十頁。5、刀具結(jié)構(gòu)

刀具結(jié)構(gòu)種類很多，以車刀為例介紹常見分類：1）整體車刀切削部分與刀桿為同一種材料，如高速鋼車（白鋼刀），在有色金屬加工中應(yīng)用較多。2）焊接車刀切削部分與刀桿不同材料，刀桿為中碳鋼鍛造，而切削部分為硬質(zhì)合金類刀片，運(yùn)用硬釬焊連接而成，方便靈活，尤其小刀具運(yùn)用多。.3）機(jī)械夾固式車刀按是否重磨又分機(jī)夾不重磨式和機(jī)夾重磨式兩種，其中機(jī)夾不重磨時(shí)，一刀刃用鈍后不需重磨。如圖所示，只須將夾緊螺釘稍松，將刀片再轉(zhuǎn)過一刃即可使用。而機(jī)夾重磨式，類似焊接車刀，用鈍后可重磨。

第三十五頁，共五十頁。5、刀具結(jié)構(gòu)

第三十六頁，共五十頁。5、刀具結(jié)構(gòu)

第三十七頁，共五十頁。5、刀具結(jié)構(gòu)

第三十八頁，共五十頁。切削過程錄像第三十九頁，共五十頁。四、金屬切削過程

1、切屑形成及種類1）切屑形成塑性材料的切屑過程是一個(gè)：擠壓變形切離過程；經(jīng)歷了：彈性變形、塑性變形、擠裂和切離四個(gè)階段。2）切屑的種類①帶狀切屑②節(jié)狀切屑③崩碎切屑第四十頁，共五十頁。2、積屑瘤2、積屑瘤對切削過程的影響優(yōu)點(diǎn)：①硬化刀刃保護(hù)刀具；②增大前角γ利切削；③粗加工時(shí)利用之。不足：時(shí)積時(shí)流使工件表面粗糙；精加工時(shí)，予以限制。第四十一頁，共五十頁。3、切削力3、切削力以車外圓時(shí)為例：總切削力F分解為相互垂直的三個(gè)分力：1）切削力FcF在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力；2）進(jìn)給力FfF在進(jìn)給方向上的分力；3）背向力FpF在垂直于工作平面方向上的分力。第四十二頁，共五十頁。4、切削熱與切削溫度4、切削熱與切削溫度1）切削熱的產(chǎn)生、傳出及對加工的影響（見錄像片）2）切削溫度及其影響影響切削溫度的主要因素：①工件材料強(qiáng)而硬的材料生熱多；②切削用量影響程度依次排序?yàn)椋呵邢魉俣?、進(jìn)給量、背吃刀量。③刀具角度前角大點(diǎn)、主偏角小些都可使生熱少些。第四十三頁，共五十頁。4、切削熱與切削溫度3）切削液及其選用降低切削熱的一個(gè)有效途徑是噴注切削液，可以降溫。其實(shí)切削液還可以起：冷卻作用、潤滑、清洗和防銹作用。生產(chǎn)中常用的切削液可分為三類：（1）水溶液水為主，加有防銹液等添加劑。作用：冷卻為主。（2）乳化液將乳化油加水稀釋而成。不僅冷卻且兼潤滑作用。（3）切削油礦物油為主。少數(shù)采用動(dòng)、植物油等，潤滑為主第四十四頁，共五十頁。5、刀具磨損和刀具耐用度刀具在使用一段時(shí)間后，其切削刃變鈍，以致無法使用。為此要討論刀具磨損與耐用度。1）刀具磨損形態(tài)（1）后刀面磨損，磨損以后刀面上的磨損寬度值VB表示。（2）前刀面磨損在高切削速度，背吃刀量較大且不用切削液情況下，切塑性材時(shí)，前刀面上出現(xiàn)月牙洼，前刀面的磨損量以最大深度值KT表示。（3）前后刀面同時(shí)磨損第四十五頁，共五十頁。5、刀具磨損和刀具耐用度

第四十六頁，共五十頁。五、常用材料切削性能1、結(jié)構(gòu)鋼1）低碳鋼

性軟而韌，易生鱗刺，經(jīng)正火處理后，可使切削性得以改善。2）