《數(shù)控加工工藝》課件 第四講 數(shù)控加工的切削基礎(chǔ)

課程:數(shù)控加工工藝學(xué)Chapter2、數(shù)控加工的切削基礎(chǔ)金屬切削加工：利用刀具與工件的相對運動（切削運動），使毛坯上多余的金屬（通常稱為加工余量）變成切屑的一種加工，目的是制成一定的形狀、尺寸精度和相互位置精度以及表面質(zhì)量都合乎技術(shù)要求的零件或半成品。Chapter2、數(shù)控加工的切削基礎(chǔ)

在金屬切削加工中，為了切除毛坯上多余的金屬，獲得合乎技術(shù)要求的形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的工作表面，刀具與工件之間必須具有一定的相對運動，這種相對運動稱為切削運動。切削運動主運動進給運動主運動加上進給運動，即可不斷地或連續(xù)地切除材料，并得到具有所需幾何特征的表面。

合成運動（1）主運動

——

是由機床或人力提供的刀具和工件之間的主要相對運動。它使刀具切削刃及其鄰近的刀具表面切入工件材料，導(dǎo)致切削層轉(zhuǎn)變?yōu)榍行肌?/p>

指直接切除工件上的余量形成加工表面的運動。主運動的速度即切削速度，用ν（m/s）表示。切削速度最高，消耗功率最大，只有一個。

主運動可以由工件、也可以由刀具完成，主運動和進給運動是實現(xiàn)切削加工的基本運動，可以由刀具來完成，也可以由工件來完成.（2）進給運動——是由機床或人力提供的刀具和工件之間附加的相對運動，配合主運動，不斷地將多余金屬投入切削，以保持切削連續(xù)或反復(fù)地進行的運動。

指為不斷把余量投入切削的運動。進給運動的速度用進給量（?—mm/r）或進給速度（ν?

—mm/min）表示。速度較低，消耗功率較小，可有一個或多個，也可不存在?？梢允沁B續(xù)的，也可以是間歇運動。在確定進給運動方向時，一般指連續(xù)進給方向或間歇運動中的主要一個。

主運動vｃ和進給運動vｆ可以由刀具或工件分別完成，或由刀具單獨完成。

主運動和進給運動可以同時進行（車削、銑削等），也可交替進行（刨削等）。

當(dāng)主運動與進給運動同時進行時，刀具切削刃上某一點相對工件的運動稱為合成切削運動。

合成速度向量等于主運動速度與進給運動速度的向量和：

vｅ=vｃ+vｆ

（3）合成運動與合成切削速度vｅ常見機床的切削運動機床名稱主運動進給運動臥式車床工件旋轉(zhuǎn)車刀縱向、橫向移動鉆床鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆頭軸向移動銑床銑刀旋轉(zhuǎn)工件縱向、橫向、垂直方向移動牛頭刨床刨刀往復(fù)工件橫向、垂直方向間隙移動外圓磨床砂輪旋轉(zhuǎn)工件旋轉(zhuǎn)、工件往復(fù)或砂輪橫向移動平面磨床砂輪旋轉(zhuǎn)工件往復(fù)移動，砂輪橫向、垂直移動鏜床鏜刀旋轉(zhuǎn)鏜刀軸向移動、工件軸向移動龍門刨床工件往復(fù)刨刀橫向、垂直方向間隙移動正在加工的工件表面，根據(jù)其所處的狀態(tài)分為：

已加工表面：已經(jīng)加工完成的表面。

加工表面（過渡表面）：切削刀具正在進行切削加工的表面。

待加工表面：即將進入切削加工的表面。

加工表面切削要素切削用量三要素：切削速度vc:主運動的線速度(mm/min)進給量：刀具相對工件沿進給方向移動的距離。1）（周期）進給量f(mm/r)：主運動一個循環(huán)2）進給速度vf(mm/min)：單位時間內(nèi)3）每齒進給量af(mm/z)：刀具每個刀齒背吃刀量（切削深度）ap(mm):已加工表面與待加工表面間的距離。補充定義：在垂直于進給運動方向上測量的主切削刃切入工件的深度。切削刃選定點相對于工件的主運動的瞬時速度稱為切削速度，以最大切削速度為準(zhǔn)，車削外圓時：1、切削速度vc式中n

——

主運動轉(zhuǎn)速（r/s）；

D——

刀具或工件的最大直徑（mm）。若主運動為往復(fù)運動時，其平均速度為：式中nr——

主運動每秒鐘往復(fù)次數(shù)（str/s）；l——

往復(fù)運動行程長度（mm）。2、進給量?(v?)

工件或刀具每轉(zhuǎn)一周時(或主運動一循環(huán)時)，兩者沿進給方向上相對移動的距離，單位為mm/r。對于多齒刀具還可用每齒進給量?z表示,單位為mm／min。若刀具齒數(shù)z為，則進給量與進給運動速度、每齒進給量的關(guān)系為：

v?=?n

主刀刃與工件切削表面接觸長度在主運動方向及進給運動方向所組成的平面的法線方向上測量的值。單位為mm。工件上待加工表面與已加工表面間的垂直距離。3、背吃刀量ap式中：dw——工件待加工表面的直徑；

dm——工件已加工表面的直徑。車削外圓時：切削層參數(shù)切削層是指切削過程中，由切削部分的一個單一動作所切除的工件材料層。(1)切削層公稱寬度（bD)。

是在給定瞬間，作用主切削刃截形上兩個極限點間的距離，單位mm。(2)切削層公稱橫截面積(AD)。

是在給定瞬間，切削層的實際橫截面積，單位mm2。(3)切削層公稱厚度（hD)。

在同一瞬間的切削層公稱橫截面積與其公稱切削層寬度之比，單位mm。殘留面積ΔAD

殘留面積高度：H=f/(ctgKr+ctgKr’)切削用量的合理選擇

切削用量的選擇直接影響工件加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具的使用壽命(耐用度)。切削用量(主要指背吃刀量和進給量)的增大，都會使切削力增大、使工件變形的可能增大，并有可能引起振動，還會使殘留面積的高度顯著增大，降低加工精度和增大表面粗糙度(見動畫4)。由圖可知，截面ABE為未被切除的殘留面積。切削液切削液的作用冷卻作用潤滑作用防銹作用清洗作用降溫冷卻作用，進提高刀具耐用度和加工質(zhì)量

由于潤滑劑的滲透性和吸附性極強，部分接觸面間存在著流體潤滑吸附膜，起到減小摩擦系數(shù)的作用。在金屬切削過程中，為了防止碎屑（如鑄鐵屑）或磨料微粒粘附在工件、刀具或機床上，影響已加工表面質(zhì)量、刀具耐用度和機床精度，要求切削液具有良好的清洗作用為了使工件、機床和刀具不受周圍介質(zhì)的腐蝕，以及工件在工序間運行不生銹，要求切削液具有良好的防銹作用。切削液的分類水溶液冷卻為主的冷卻潤滑液。切削油主要成分是礦物油，少數(shù)情況采用植物油或復(fù)合油。乳化液兼顧冷卻與潤滑的切削液。切削液的選用粗加工時加工余量和切削量較大，產(chǎn)生的切削熱量多，刀具易磨損。這時需盡量降低切削溫度，應(yīng)選用以冷卻作用為主的水溶液或乳化液。精加工時采用切削液主要是改善加工表面質(zhì)量和提高刀具耐用度，穩(wěn)定尺寸精度。切削高強度鋼、高溫合金鋼等難加工材料時由于含硬質(zhì)點多，機械擦傷作用大，導(dǎo)熱性低等原因，對切削液的冷卻與潤滑方面都有較高的要求。難加工材料的切削均處于極壓潤滑摩擦狀態(tài)下，因此應(yīng)選用極壓切削油或極壓乳化液。切屑的形成金屬切削過程實質(zhì)上是一種擠壓過程，根據(jù)實驗結(jié)果，切削塑性金屬過程中，金屬在受到刀具前面的擠壓后，將發(fā)生塑性剪切滑移變形，然后被切離工件形成切屑。實際上，塑性變形—滑移—切離三個過程，會根據(jù)加工材料等條件不同，不完全地顯示出來。金屬的切削過程切屑變形區(qū)的劃分第I變形區(qū)（剪切區(qū)、塑性變形區(qū)）：從開始發(fā)生塑性變形到晶粒剪切滑移基本完成。切屑收縮現(xiàn)象：變形系數(shù)

越大，切削變形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削溫度越高，加工表面質(zhì)量越差。第II變形區(qū)（摩擦區(qū)）形成條件：中低速切削塑性金屬特性：無→有→小→大→脫落周期性對切削過程的影響：保護刀刃；使工作前角增大，切削力減??；切削平穩(wěn)性差；影響加工精度和表面粗糙度。變形強化（加工硬化）成因：1）擠壓塑性變形2）表面相變對加工過程的影響：影響后續(xù)加工影響加工表面質(zhì)量產(chǎn)生殘余應(yīng)力消除變形強化的措施：通過熱處理降低材料塑性；采用切削液；加工后通過熱處理消除變形強化。（3）第III變形區(qū)（擠壓區(qū)）例如，加工鑄鐵等脆性材料時，被切層在彈性變形后很快形成切屑離開母材。而加工塑性很好的鋼材時，滑移階段特別明顯。由于切屑形成過程不同，切屑的形狀也不同。一般可以分成四類切屑的種類積屑瘤

切削鋼和鋁合金等塑性金屬時，在切削速度不高且形成帶狀切屑的情況下，常有一些來自切屑和工件的金屬粘接層堆積在刀具的前面上，形成硬度很高(約為工件材料硬度的2～3.5倍)的楔塊，稱為積屑瘤，積屑瘤形成過程見動畫和視頻。積屑瘤的形成主要取決于切削溫度，如在300～380℃切削碳鋼時易產(chǎn)生積屑瘤。此外，接觸面間的壓力、粗糙程度、粘結(jié)強度等因素都與形成積屑瘤的條件有關(guān)形成積屑瘤的條件(1)實際前角增大。積屑瘤對切削過程的影響(2)使加工表面粗糙度增大。(3)對刀具壽命的影響。防止積屑瘤的主要方法

(1）降低切削速度，使溫度較低，粘結(jié)現(xiàn)象不易發(fā)生；

(2）采用高速切削，使切削溫度高于積屑瘤消失的相應(yīng)溫度；

(3）采用潤滑性能好的切削液，減小摩擦；

(4）增加刀具前角，以減小切屑與前刀面接觸區(qū)的壓力；

(5）適當(dāng)提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。切削力的構(gòu)成與分解切削力Fc（切向力）－占功率90%；進給力Ff（軸向力）

---占功率1-5%；背向力Fp（徑向力）

--不消耗功率但使工件變形。切削力和切削功率2.切削功率切削過程所需功率Pm可按下式計算：式中：Fc──切削力（N）；

vc

──切削速度(m/s)；

Ff──進給力（N）；

vf

──進給速度(mm/s)。切削力的變化規(guī)律1)切削深度ap和進給量f對切削力的影響2)前角對切削力的影響3)切削速度對切削力的影響工件材料強度越高，所需切削力越大，可以認為這是切削力第三規(guī)律。

4)工件材料強度對切削力的影響5)主偏角Kr對切削力的影響6）影響切削力的其它因素(1)刀具棱面(2)刀具圓弧半徑(3)刀具磨損(4)前角(5)刃傾角切削力的測定

1)測定機床功率，計算切削力2)用測力儀測量切削力3)切削力的經(jīng)驗公式和切削力估算切削熱和切削溫度

1.切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)2.切削溫度的計算與測量3.影響切削溫度的主要因素1)切削用量的影響2)刀具幾何參數(shù)的影響4)刀具磨損的影響3)工件材料的影響5)切削液的影響4.切削溫度對工件、刀具和切削過程的影響(1)切削時的溫度雖然很高，但是切削溫度對工件材料硬度及強度的影響并不大，剪切區(qū)域的應(yīng)力影響也不太明顯。

(2)適當(dāng)?shù)靥岣咔邢鳒囟?，對提高硬質(zhì)合金的韌性是有利的。

(3)切削溫度對工件尺寸精度有影響。

(4)利用切削溫度可自動控制切削速度或進給量。

(5)利用切削溫度與切削力，可控制刀具磨損。2.2常用工件材料性能基礎(chǔ)2.2.1金屬材料的加工特性

1.金屬材料可加工性的概念

2.可加工性的衡量指標(biāo)

加工性等級名稱及種類相對加工性Kr1很易切削材料一般有色金屬〉3.02容易切削材料易切鋼2.5~3.03較易切削鋼1.6~2.54普通材料一般鋼與鑄鐵1.0~1.65稍難切削材料0.65~1.06難切削材料較難切削材料0.5~0.657難切削材料0.15~0.58很難切削材料<0.152.2.2非金屬材料的加工特性影響因素材料硬度；材料塑性和韌性；材料強度；彈性模量E；導(dǎo)熱系數(shù)；其它因素。改善措施（1）選用切削性好材料及表面狀態(tài)好的材料（2）熱處理改善切削加工性，中、低碳鋼正火處理；高碳鋼球化退火；（中碳及中碳合金鋼）調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)處理。（3）選用合理的刀具材料及刀具角度（4）特種切削加工：振動切削；加熱切削；低溫切削。影響切削加工性的因素及其改善措施刀具的磨損與耐用度

1、刀具磨損過程2.刀具的磨損的形式（a）前刀面磨損（b）后刀面磨損（