切削加工工藝

第三章切削加工工藝

3.1切削加工概述3.1.1切削加工的分類切削加工：是指利用刀具從毛坯上切去多余的材料，從而獲得一定幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。分類：機(jī)械切削加工（普通/數(shù)控）切削加工機(jī)械加工鉗工特種3.1.2零件表面的分類與成形原理1.零件表面的分類

基本表面零件的表面型面（各種溝槽、螺紋、齒輪及特型面）

回轉(zhuǎn)型二維特型面特型面平移型列表曲面三維特型面函數(shù)曲面仿生曲面

二維特型面

列表曲面

（三維）

2.零件表面的成形原理⑴成形法以切削刃的形狀來保證工件表面形狀的成形原理。特點(diǎn)：刀具切削刃的幾何形狀復(fù)雜，而刀具相對(duì)工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)極為簡單。⑵包絡(luò)法以切削刃相對(duì)于工件表面的運(yùn)動(dòng)軌跡而形成的包絡(luò)面即成為工件表面的成形原理。特點(diǎn)：一般刀具相對(duì)簡單而切削運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜。

（動(dòng)畫）3.1.3切削運(yùn)動(dòng)與切削用量1.切削運(yùn)動(dòng)是指刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。⑴主運(yùn)動(dòng)即刀具從工件上切下切屑所需要的基本運(yùn)動(dòng)。⑵進(jìn)給運(yùn)動(dòng)即使工件繼續(xù)投入切削的運(yùn)動(dòng)。(常見機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)見表3-1)2.加工中的工件表面

3.切削用量

是調(diào)整機(jī)床用的參量。切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量稱作切削用量三要素。

⑴切削速度主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則：

vc=

dn/1000×60(m/s)式中：d--工件或刀具的直徑，mm；n--工件或刀具的轉(zhuǎn)速，r/min。

主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則：vc=2Lnr/1000×60(m/s)式中：L--往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程長度，mm;nr--工件或刀具每分鐘往復(fù)的次數(shù)，str/min。⑵進(jìn)給量刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)于工件的位移量，用f表示。車、鉆、鏜、銑削時(shí)單位為mm/r⑶背吃刀量又稱切削深度，指在垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上測量的主切削刃切入工件的深度，用ap表示。單位為mm。車削外圓時(shí)：ap=（dw－dm）/2(mm)

式中：dw--待加工表面的直徑，mm；dm--已加工表面的直徑，mm。

3.2車刀的幾何結(jié)構(gòu)及刀具材料3.2.1車刀的幾何結(jié)構(gòu)1.車刀切削部分的構(gòu)成要素⑴幾何表面前面又稱前刀面，刀具上切屑流過的表面；主后面又稱主后刀面，刀具上與前面相交形成主切削刃的表面。副后面又稱副后刀面，刀具上與前面相交形成副切削刃的表面。⑵切削刃主切削刃起始于切削刃上主偏角為零的點(diǎn)，并至少有一段切削刃擬用來在工件上切出過渡表面的那個(gè)整段切削刃、它擔(dān)負(fù)著主要的切削工作；副切削刃切削刃上除主切削刃以外的刃，亦起始于主偏角為零的點(diǎn)，但它向背離主切削刃的方向延伸。它擔(dān)負(fù)著部分切削工作。

⑶刀尖指主切削刃與副切削刃的連接處相當(dāng)少的一部分切削刃。2.刀具角度參考系⑴基面pr通過主切削刃選定點(diǎn)的平面，一般其方位要垂直于假定的主運(yùn)動(dòng)方向。⑵主切削平面ps

通過主切削刃選定點(diǎn)與主切削刃相切并垂直于基面的平面。⑶正交平面po通過主切削刃選定點(diǎn)并同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。正交平面原稱作主剖面。3.車刀的標(biāo)注角度及作用前角

0前面與基面間的夾角。后角

0

后面與切削平面間的夾角。主偏角kr主切削平面與假定工作平面之間的夾角。副偏角kr′副切削平面與假定工作平面之間的夾角。刃傾角

s

主切削刃與基面間的夾角。角度的作用：

前角

0

前角越大，刀刃鋒利，越利于切削，但前角過大會(huì)削弱切削刃的強(qiáng)度。后角

0

影響主后面與工件過渡表面間的摩擦及刀刃的強(qiáng)度。主偏角kr

主要影響切削條件和刀具壽命，也影響切削分力之間的比例。副偏角kr′影響副切削刃與工件間的摩擦及表面質(zhì)量。刃傾角

s

主要影響切屑流向和刀體的強(qiáng)度。

3.2.2刀具材料1.對(duì)刀具材料的要求⑴高硬度一般應(yīng)在HRC60以上。⑵高耐磨性含有硬質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量越多、晶粒越細(xì)，分布越均勻，則耐磨性越好。⑶足夠的強(qiáng)度和韌性別用抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度來衡量。⑷高耐熱性又稱紅硬性，指刀具材料在高溫下保持其常溫硬度的能力。是衡量刀具材料優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。此外，刀具材料還應(yīng)具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。2.常用刀具材料一般分為以下四類：⑴高速鋼按其性能分為通用型高速鋼和高性能高速鋼兩種。通用型高速鋼熱處理后的硬度可達(dá)HRC62～66，在550～600℃時(shí)仍能保持正常的切削性能。常用牌號(hào)有W18Cr4V（稱W18）W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）等。高性能高速鋼硬度可達(dá)HRC67～70，在600～650℃時(shí)仍可保持HRC60的硬度。常用牌號(hào)有W2Mo9Cr4VCo8（簡稱M42）和W6Mo5Cr4V2Al（簡稱501）等。⑵硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是以高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物(WC、TiC、NbC、TaC等)粉末為基體，以熔點(diǎn)較低的金屬(Co或Ni等)粉末為粘結(jié)劑經(jīng)高壓后燒結(jié)制成的。常溫硬度為HRC74~82，耐熱溫度可達(dá)800~1000℃。允許的切削速度遠(yuǎn)高于高速鋼，可達(dá)1.7～5m/s。硬質(zhì)合金的抗切削振動(dòng)和沖擊能力較差，目前在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的刀具上使用還受到一定限制。P類即YT類，適于加工長切屑的黑色金屬。M類即YW類，適于加工長、短切屑的黑色和有色金屬。K類即YG類，適于加工短切屑的黑色、有色金屬及非金屬。（硬質(zhì)合金代號(hào)和應(yīng)用范圍見表3-2）

⑶涂層刀具材料

是指通過氣相沉積或其它技術(shù)方法，在硬質(zhì)合金(或高速鋼)的基體上，涂覆一薄層耐磨性極高的難熔金屬化合物。常用涂層材料有TiC、TiN、和Al2O3及其復(fù)合材料等。⑷超硬刀具材料陶瓷刀具材料在1200℃時(shí)仍能保持HRA90～95的硬度。人造聚晶金剛石硬度可達(dá)HV10000，是目前人工制成的硬度最高的刀具材料金剛石刀具，溫度達(dá)到700～800℃時(shí)就會(huì)失去硬度，不宜加工黑色金屬。立方氮化硼硬度為HV8000～9000，僅次于金剛石，其耐熱性可達(dá)1400℃。3.3金屬切削過程

3.3.1切屑的形成及三個(gè)變形區(qū)切削過程實(shí)質(zhì)：彈性變形—塑性變形—分離三個(gè)變形區(qū)始滑移線OA

終滑移線OM第Ⅰ變形區(qū)—剪切區(qū)第Ⅱ變形區(qū)—滯流區(qū)第Ⅲ變形區(qū)—塑變區(qū)常見的切屑形態(tài)帶狀切屑：切削力變化比較小，切削過程較平穩(wěn)。節(jié)狀切屑：切削過程不夠平穩(wěn)，表面粗糙度Ra值較大。崩碎切屑：切削過程極不穩(wěn)定，刀具刃口易崩刃或磨損。3.3.2積屑瘤1.形成

(在第Ⅱ變形區(qū))

條件:外摩擦力>內(nèi)摩擦力

有瘤好不好？要不要？

2.作用增大工作前角,保護(hù)切削刃.使實(shí)際切削深度變化,易引起震動(dòng),降低工件表面質(zhì)量.∴

粗加工—允許存在(切削輕快).精加工—不允許存在(保證質(zhì)量).能否想要就要？3.影響因素工件材料:塑性↑,積屑瘤↑;可正火,調(diào)質(zhì)。切削速度:

＊低速(＜0.08m/s)或很高速(＞1.67m/s),積屑瘤↓

＊中速(0.08～1.67m/s),積屑瘤↑(300℃)刀具：增大前角，減小走刀量，提高刀具表面質(zhì)量及合理使用潤滑液，可使積屑瘤↓3.3.3切削力與切削功率1.切削力切削過程中，刀具對(duì)工件所施加的力稱為切削力。來源于兩個(gè)方面：被切材料層因彈性變形和塑性變形而產(chǎn)生的變形抗力—P變；刀具前刀面與切屑之間、后刀面與工件過渡表面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦阻力—

P摩。總切削力F是一個(gè)空間矢量，其大小和方向隨切削條件而變化?？煞纸鉃槿齻€(gè)互相垂直的分力。

三個(gè)分力

主切削力Fc

總切削力F在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力。它垂直于工作基面，與切削速度方向平行，故又稱切向力。

消耗機(jī)床總功率的95％以上，是計(jì)算切削功率和車刀強(qiáng)度、確定機(jī)床動(dòng)力的主要依據(jù)。背向力Fp

總切削力F在垂直于工作平面方向上的分力。

它投影在工作基面上，并與工件軸線垂直，故又稱徑向力。它一般不消耗機(jī)床功率，但易使工件變形、振動(dòng)，是影響工件加工質(zhì)量的主要分力。

進(jìn)給力Ff

總切削力F在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力，

它投影在工作基面上，并與工件軸線平行，故又稱軸向力。只消耗機(jī)床功率的1％～5％，是機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

關(guān)系：

F=

Fc

2﹢

Fp

2﹢

Ff

2

Fp=(0.15～0.7)Fc

Ff=(0.1～0.6)

Fc影響因素：工件材料的硬度和強(qiáng)度愈高，則變形抗力愈大，因此切削力愈大。切削用量中對(duì)切削力影響最大的是背吃刀量，其次是進(jìn)給量，而切削速度影響最小。刀具前角增大，被切金屬的變形減小，故切削力減小。此外，刀具的主偏角和刃傾角的大小、刀具的安裝與磨損及冷卻潤滑狀況等對(duì)切削力大小和各分力間的比例都存在程度不同的影響。2.切削功率背向力Fp方向運(yùn)動(dòng)速度為零（不做功），進(jìn)給力Ff很小，往往忽略不計(jì)，切削功率：Pm=Fc·vc×10-3(KW)式中，vc——切削速度，m/s。機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率為：Pe≥Pm/

式中，

——機(jī)床傳動(dòng)效率，一般取0.75～0.85。3.3.4切削熱與切削溫度1.切削熱切削層金屬彈性變形和塑性變形--Q變刀具前刀面與切屑,后刀面與工件之間的摩擦--Q摩散熱比例中等速度車削鋼件時(shí):(大約)切屑帶走50％～86％,傳入工件9％～3％,傳入刀具40％～10％,散入空氣1%（鉆削：見書）

影響

(傳入切屑和空氣的熱量無影響)傳入工件和刀具的熱量:使工件升溫變形,產(chǎn)生尺寸、形狀誤差,精度↓“燒傷”工件表面,表面質(zhì)量↓刀具局部溫度↑硬度↓,加速磨損(導(dǎo)致工件質(zhì)量↓)2.切削溫度切削溫度是指工件、刀具和切屑三者接觸表面上的平均溫度。是產(chǎn)生和傳散切削熱綜合作用的結(jié)果。⑴工件材料工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，切削溫度也就越高。材料的導(dǎo)熱性好，可使切削溫度降低。

⑵切削用量加大切削用量會(huì)使切削溫度升高。切削用量中對(duì)切削溫度影響最大的是切削速度，其次是進(jìn)給量,而背吃刀量的影響最小。⑶刀具角度刀具的前角增大，切削層變形小，切削溫度降低。⑷切削液使用適當(dāng)?shù)那邢饕嚎擅黠@降低切削溫度。3.3.5刀具磨損與耐用度1.刀具磨損⑴刀具磨損的形式前刀面磨損高速、大厚度塑性材料KT表示后刀面磨損脆性、小厚度塑性材料VB表示前后刀面同時(shí)磨損⑵刀具磨損的過程刀具后面磨損量VB與切削時(shí)間之間的磨損曲線。分為三個(gè)階段：AB段初期磨損BC段正常磨損CD段劇烈磨損2.刀具耐用度刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)是指刀具允許的最大磨損量，通常以主后面中間部分平均磨損量VB作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。刀具壽命是指一把新刀由開始切削到報(bào)廢為止的總切削時(shí)間，用t表示。顯然，刀具耐用度T與刀具壽命t之間存在以下關(guān)系：t=n·T（min）

式中，n——刀具刃磨次數(shù)。通常，耐用度