朱明zhubob机械加工工艺与设备第二章ppt课件.ppt

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1、第二章,金属切削过程的基本知识,一、金属切削运动和切削要素,在金属切削加工过程中，用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，这种相对运动称为切削运动。切削运动可分为主运动与进给运动。,1.主运动,切除多余金属层以形成工件要求的形状、尺寸精度及表面质量所必须的基本运动，也是切削运动中速度最高、消耗功率最大的运动。在切削加工中，主运动只有且必须有一个。主运动可以是旋转运动（如车削、镗削中主轴的运动），也可以是直线运动（如刨削、拉削中的刀具运动）。如图21所示。,图21 各种切削加工的切削运动,2.进给运动,使新的金属不断投入切削的运动。它保证切削工作连续或反复进行，从而切除切削层形

2、成已加工表面。进给运动的速度较低、消耗功率较小。进给运动可由刀具完成（如车削、钻削），也可由工件完成（如铣削）。进给运动不限于一个（如滚齿），个别情况也可以没有进给运动（如拉削）；进给运动可以是连续的（如车削),也可以是间断的（如刨削）。,3.合成切削运动,当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动。,在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面（如图22所示）。即：,二、切削用量,在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其它技术经济要求来选定适宜的切削速度、进给量和背吃刀量值。切削速度、进给量和背吃刀量通常称为切削用量三要素。,1.切削

3、速度,切削速度-切削刃上选定点相对于 工件的主运动的线速度。,2.进给量,进给量-当主运动旋转一周时，刀具（或工 件）沿进给运动方向上的位移量，单位为mm/r。进给量的大小也反映了进给速度（单位为mm/min）。关系式为：,3.背吃刀量,背吃刀量-是工件上待加工表面和已加工表面间的垂直距离。外圆车削的背吃刀量为：,待加工表面直径，mm 已加工表面直径，mm,4.合成运动速度,合成运动速度-在主运动与进给运动同时进行的情况下，切削刃上任一点的实际切削速度是它们的合成速度。,三、切削层参数,切削过程中，刀具切削刃在一次进给（走刀）中，从工件待加工表面上切下的金属层称切削层。如图24所示，外圆车削时

4、，工件转一转，车刀从位置移到位置，所切下与之间的金属层为切削层。切削层参数共有三个，通常在垂直于切削速度的平面内测量。,图23 切削层参数,切削厚度-是指垂直于过渡表面度量的切削层尺寸。的大小反映了切削刃单位长度上的工作负荷。,1切削厚度,2切削宽度,切削宽度-是指沿过渡表面度量的切削层尺寸。的大小反映了切削刃参加切削的长度。,3切削面积,切削面积-是指在切削层尺寸平面里度量的横截面积。,二、金属切削刀具几何角度,图 24 几种刀具切削部分的形状,金属切削加工的刀具种类繁多，各种刀具的结构尽管有的相差很大，但刀具切削部分具有相同的几何特征。其中较典型、较简单的是车刀，其他刀具的切削部分可以看成

5、是以车刀为基本形态演变而来的刀具，如图24所示。,前刀面-切削过程中切屑流出所经过的刀具表面。主后刀面-切削过程中与工件上过渡表面相对的刀具表面。副后刀面-切削过程中与工件上已加工表面相对的刀具表面。主切削刃-前刀面与后刀面的交线。它担负着主要的切削工作。副切削刃-前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作。刀尖-主切削刃和副切削刃的交点。为了改善刀尖的切削性能，常将刀尖磨成直线或圆弧形过渡刃。,2.2.1刀具切削部分的组成,2.2.2刀具的标注角度,在刀具设计、制造、刃磨和测量时用于定义刀具几何参数的参考系称为标注角度参考系或静止参考系。在此参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。以下

6、主要介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。,基面：指过主切削刃上的选定点，并垂直于该点切削速度方向的平面。车刀切削刃上各点的基面都平行于车刀的安装面（即底面）。安装面是刀具制造、刃磨和测量时的定位基准面。切削平面：指过主切削刃上的选定点，与主切削刃相切，并垂直于该点基面的平面（即与工件过渡表面相切的面）。正交平面：指过主切削刃上的选定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。,1正交平面参考系,图26 正交平面参考系,2刀具的标注角度,图27 正交平面参考系标注角度,图28刃倾角,3.刀具的工作角度,(1)进给运动对工作角度的影响,横向进给对工作角度的影响,图29 横向进给运动对工作角度的影

7、响,纵向进给对工作角度的影响,车外圆或车螺纹时（如图2-10所示），合成运动方向与主运动方向之间的夹角为f，这时工作基面Pre和工作切削平面Pse相对于标注参考系都要偏转一个附加的角度，使车刀的工作前角oe增大和工作后角oe减小，分别为 式中，f纵向进给量或被切螺纹的导程（mm/r）；d工件选定点的直径（mm）；f螺旋升角（）。,图210纵向进给运动对工作角度的影响,（2）刀具安装对工作角度的影响,刀刃安装高度对工作角度的影响,车削时，刀具的安装常会出现刀刃安装高于或低于工件回转中心的情况（如图2-11所示），此时工作基面、工作切削平面相对于标注参考系产生角的偏转，将引起工作前角和工作后角的变

8、化：,图211 车刀安装高度对工作角度的影响,刀杆安装偏斜对工作角度的影响,在车削时会出现刀杆与进给方向不垂直的情况（如图2-12所示），此时刀杆垂线与进给方向产生角的偏转，将引起工作主偏角和工作副偏角的变化：,图212 车刀安装偏斜对工作角度的影响,2.3刀具材料,刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。,2.3.1刀具材料应具备的性能,1高的硬度和耐磨性2足够的强度和韧性3较高的耐热性4良好的工艺性5经济性,2.3.2 常用刀具材料,刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方

9、氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。,1.高速钢,（1）普通高速钢（含碳量0.70.96266HRC)钨系高速钢 W18Cr4V 钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 高温塑性好 用于一般材料的常规加工，切削速度一般不高于40m/min（2）高性能高速钢（增加碳量钒量，增加钴铝等 6670HRC）9W18Cr4V W6Mo5Cr4V3 W6Mo5Cr4V2 Co8 W2Mo9Cr4VCo8 W6Mo5Cr4V2 Al W12Cr4V4Mo 主要用于加工难加工材料的加工，加工普通材料切削速度可达9

10、0m/min,2.硬质合金,金属碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）+金属黏结剂（Co、Ni等）在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。,硬度、耐热性、耐磨性都很高，切削速度高于高速钢抗弯强度低，冲击韧性差,分类：P类（相当于我国YT类）也称钨钛钴类硬质合金 由WC+TiC+Co组成 常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等 加工长切屑的黑色金属，不适合加工含Ti元素的不锈钢 K类（相当于我国YG类）也称钨钴类硬质合金 由WC+Co组成 常用牌号有YG3、YG6、YG8等 加工短切屑的黑色金属、有色金属、非金属M类（相当于我国YW类）由WC+TiC+TaC（NbC）+Co加工铸铁、钢材

11、、有色金属、非金属,不同硬质合金刀具的应用范围,3.其他刀具材料,1陶瓷 用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类：氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。2立方氮化硼 立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成，其硬度高达8000HV，仅次于金刚石。3人造金刚石 金刚石分天然和人造两种，工业上多使用人造金刚石。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度,切削时刀具在高温条件下，受到工件、切屑的摩擦作用，刀具材料被逐渐磨耗或出现其他形式的破坏。当磨损量达到一定程度时，切削力加大，切削温度上升，切屑形状和颜色改变，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。刀具失效形式：磨损（正常

12、工作时逐渐产生的损耗）破损（突发的损坏、随即产生）,2.4.1刀具磨损的形态,刀具正常磨损形式有以下几种：1.前刀面磨损（月牙洼磨损）切塑性材料，切削速度和切削深度较大，前刀面产生月牙洼磨损，用月牙洼的宽度KB和深度KT表示。2.后刀面磨损切脆性材料或切削速度和切削深度较小的塑性材料3.前刀面和后刀面同时磨损,图213刀具的磨损形态,2.4.2刀具磨损的主要原因,刀具磨损的原因很复杂，主要有以下几个方面：1.硬质点磨损 硬度较低的刀具材料或低速刀具（如高速钢刀具及手工刀具等），硬质点磨损是刀具的主要磨损形式。2.黏结磨损 黏结磨损是指刀具与工件（或切削）的接触面在足够的压力和温度作用下，达到原

13、子间距离而产生黏结现象，因相对运动，黏结点的晶粒或晶粒群受剪或受拉被对方带走而造成的磨损。3.扩散磨损 扩散磨损是指刀具表面与被切出的工件新鲜表面接触，在高温下，两摩擦面的化学元素获得足够的能量，相互扩散，改变了接触面双方的化学成分，降低了刀具材料的性能，从而造成刀具磨损。4.化学磨损 化学磨损又称为氧化磨损，指刀具材料与周围介质，在一定的温度下发生化学反应，在刀具表面形成硬度低、耐磨性差的化合物，加速刀具的磨损。,2.4.3刀具磨损过程及磨钝标准,1.刀具的磨损过程（1）初期磨损阶段与刀具刃磨质量有关（2）正常磨损阶段 VB与切削时间近似正比斜率表示磨损强度（3）急剧磨损阶段切削力、切削温度

14、急剧升高，刀具很快失效。应在之前及时更换刀具。,图214刀具的磨损过程,2.刀具的磨钝标准,刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。有经验的工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝。国际标准ISO统一规定以1/2背吃刀量处后刀面磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。不同的加工条件、磨钝标准VB的数值是不同的硬质合金刀具粗车碳钢、合金钢 1.01.4硬质合金刀具精车碳钢、合金钢 0.40.6硬质合金刀具粗车灰铸铁、可锻铸铁 0.81.0硬质合金刀具半精车灰铸铁、可锻铸铁 0.60.8自动化精加工刀具，以径向磨损量NB作为磨钝标准,2.4.4刀具的耐用度和刀具寿命,刀具耐用度是指

15、刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到刀具的磨钝标准所经过的净切削时间。常用刀具的耐用度如表25所列。,表2-5 常用刀具耐用度T参考值（min）,2.5切削液,在切削过程中，合理地使用切削液(或称冷却润滑液)，可以减小刀具与切屑、刀具与加工表面的摩擦，降低切削力和切削温度、减小刀具磨损、提高加工表面质量。,2.5.1切削液的种类,最常用的切削液有以下几类：水溶液 冷却性能好，易使金属生锈、润滑性能也差，故使用时常加入适量的防锈添加剂（如亚硝酸钠、磷酸三钠等），使其既保持冷却性能又有良好的防锈性能和一定的润滑性能。切削油 主要成分是矿物油，特殊情况下也可采用动、植物油或复合油。切削油润滑性能好，

16、但冷却性能差，常用于精加工工序。极压切削油 是在矿物油中添加氯、硫、磷等极压添加剂配制而成。它在高温下不破坏润滑膜，具有良好的润滑效果，故被广泛采用。乳化液 是用9598的水将由矿物油、乳化剂和添加剂配制成的乳化油膏稀释而成，外观呈乳白色或半透明，具有良好的冷却性能。因含水量大，润滑、防锈性能较差，常加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。,2.5.2 切削液的作用,冷却作用 减少摩擦、减少热的产生，带走热量，水溶液的冷却性能最好，油类最差。润滑作用 润滑性能的强弱取决于切削液的渗透能力、形成润滑膜的能力和强度。清洗作用防锈作用 防锈添加剂,2.5.3切削液的合

17、理选用,切削液的选用原则 粗加工 选用冷却性能为主的切削液(如质量分数为35的乳化液)，以降低切削温度。在重型切削或切削特殊材料时，可选用低浓度的乳化液或水溶液，但必须连续充分地浇注。在低速切削时，宜选用以润滑性能为主的切削油；在较高速度下切削时，宜选用水溶液和乳化液。,精加工 加工一般钢件时，高速钢刀具在中、低速下(包括铰削、拉削、螺纹加工、插齿、滚齿加工等)，应选用极压切削油或高浓度极压乳化液。硬质合金刀具精加工时，采用的切削液与粗加工时基本相同，但应适当提高其润滑性能。加工铜、铝及其合金和铸铁时，可选用高浓度的乳化液。但切削铜及其合金时不能选用含硫切削液。铸铁床身导轨加工时，用煤油作切削

18、液效果较好，但较浪费能源。,难以加工材料的加工 切削高强度钢、因此宜选用润滑和冷却性能均好的极压切削油或极压乳化液。磨削加工 宜选用冷却和清洗性能好的水溶液或乳化液。但磨削难加工材料时，宜选用润滑性好的极压乳化液和极压切削油。封闭或半封闭容屑加工 钻削、攻丝、铰孔和拉削等加工的容屑为封闭或半封闭方式，宜选用乳化液、极压乳化液和极压切削油。,2.6 金属切削过程物理现象,2.6.1切屑的形成与切削变形,切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：第一变形区（剪切滑移区）OA-始滑移线 OM-终滑移线变形主要特性剪切滑移变形加工硬化一般速度范围内，第一变形区域宽度为0.02 0.2mm，速度

19、越高，宽度越小，可以看作一个剪切平面。,图215 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,第二变形区（挤压摩擦区）切屑沿前刀面流动时，进一步受到前刀面的挤压，在刀具前刀面与切屑底层之间产生了剧烈摩擦，使切屑底层的金属晶粒纤维化，其方向基本上和刀具前刀面平行,第三变形区（挤压摩擦回弹区）已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹。造成纤维化合加工硬化。,刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处应力集中而复杂，被切削层在此处与工件本体分离形成切屑,2.切屑的类型,切屑类型分为4类。如图216所示，,切屑的形成条件与特点,2.6.2积屑瘤,1.积屑瘤的形成 切削过程中在刀具前面靠近

20、刀刃的部位会粘附着一小块很硬的金属，我们称其为积屑瘤，或称刀瘤，如图217所示。,图217积屑瘤,2积屑瘤对切削加工的影响,对切削力的影响 增大了刀具的实际前角，可使切削力减小。但由于积屑瘤不稳定，导致了切削力的波动。对已加工表面粗糙度的影响积屑瘤不稳定，易破裂，其碎片可能会留在已加工表面上。另外，积屑瘤形成的刃口不光滑，使已加工表面变得粗糙。影响刀具耐用度积屑瘤相对稳定时，减小了切屑与前刀面的接触面积，提高刀具耐用度；积屑瘤不稳定时，破裂部分有可能引起硬质合金刀具的剥落，反而降低了刀具耐用度。,3影响积屑瘤的主要因素,工件材料 塑性好的材料，容易产生积屑瘤。塑性差硬度较高的材料，产生积屑瘤的

21、可能性相对较小。切削脆性材料时，形成的崩碎切屑与前面无摩擦，一般无积屑瘤产生。切削速度 切削速度较低(c3mmin)时，不会出现积屑瘤。切削速度在340mmin范围内时，容易产生积屑瘤。当切削速度较高(c40 mmin)时，不会产生积屑瘤。,增大前角或用油石仔细打磨刀具前面，或选用合适的冷却润滑液都有助于防止积屑瘤的产生。,2.6.3 切削力,（1）切削力的来源切屑形成过程中，弹性变形和塑性变形产生的抗力切屑和刀具前刀面的摩擦阻力及工件和刀具后刀面的摩擦阻力。,图2.18 切削力的来源,切削力的分解 常将分解为三个互相垂直的切削分力，如图2.19所示。）主切削力-主切削力是总切削力在主运动方向

22、上的分力，也称为切向力。）进给力-进给力是总切削力F在进给运动方向上的分力，车削外圆时与主轴轴线方向一致，又称轴向力。）背向力-背向力是总切削力在垂直于进给运动方向上的分力，也称为径向力或吃刀抗力。,图2.19 总切削力的分解,切削力、切削功率的计算 切削力计算,切削功率计算 切削功率是三个切削力消耗功率的总合。在车外圆时背向力方向速度为零，进给力又很小，他们消耗的功率可忽略不计，因此切削功率可按下式计算：,影响切削力的因素 工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，切削力增大。加工脆性材料，切削力较小。切削用量的影响,在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，前刀面上的摩擦也很小，所以切削速度

23、对切削力无明显的影响。,图19 切削速度对切削力的影响,刀具几何参数的影响（a）前角的影响,（b）主偏角的影响,图221负倒棱对切削力的影响,（c）负倒棱在锋利的切削刃上磨出负倒棱（见图221），可以提高刃口强度，从而提高刀具使用寿命，但此时被切削金属的变形加大，使切削力增加。,其它因素的影响 刀具、工件材料之间的摩擦系数因影响摩擦力而影响切削力的大小。在同样的切削条件下，高速钢刀具切削力最大、硬质合金次之、陶瓷刀具最小。在切削过程中使用切削液，可以降低切削力。并且切削液的润滑性能越高，切削力的降低越显著。刀具后刀面磨损越严重，摩擦越剧烈，切削力越大。,2.6.4 切削热与切削温度,1切削热的

24、来源与传导切削热的来源切削热产生于三个变形区，切削过程中消耗的能量约98%转换为热能切削热传导切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气）等传出,图222 切削热的来源与传散,2切削温度及影响因素,工件材料 材料的强度和硬度越高，切削温度就越高；热传导率越小，切削温度就越高。,刀具几何参数 前角的影响主偏角的影响,图2-23 主偏角与刀刃工作长度,切削用量 增大切削用量，切削温度上升。其中，吃刀深度对切削温度的影响最小，进给量次之，切削速度最大。其它因素 刀具后刀面磨损增大时，切削速度越高，刀具磨损对切削温度升高的影响越明显。利用切削液的润滑功能；可减少切削热的产生，同时切削液也可带走一

25、部分切削热。,3切削热对切削加工的影响,传入切屑及介质中的热对加工没有影响；传入刀头的热量虽然不多，但由于刀头体积 小，刀头上切削温度可达l000 o以上，会加速刀具磨损，降低刀具使用寿命；传入工件的切削热会引起工件变形，影响加工精度，特别是加工细长轴、薄壁套以及精密零件时，热变形的影响更需注意。,2.7刀具几何参数与切削用量选择及实例,2.7.1刀具几何参数的选择,刀具几何参数可分为两类：刀具角度参数刀具刃型尺寸参数刃形、刃面、刃口型式及参数各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数以便进行合理的选择。,1选择刀具几何参数应考虑的因素,工件材料 刀具材料和刀具结构 具体

26、加工条件,2刀具角度的选择,前角及前刀面的选择 前刀面的类型,图2-24 前刀面的类型,前角的功能,前角的选择原则在刀具强度许可条件下，尽可能选用大的前角。工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之应选得小些。刀具材料韧性好，前角可选得大些，反之应选得小些。精加工时，前角可选得大些；粗加工时应选得小些。,图2-25 刀具的合理前角,后角、后刀面的选择 后刀面的类型,双重后角,消振棱,刃带,图2-26 后刀面的类型,后角的功用,后角的选择原则粗加工以确保刀具强度为主，可在46范围内选取；精加工以加工表面质量为主，常取812。切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大；工艺系统

27、刚性较差时，应适当减小后角（切削时 起支承作用，增加系统刚性并起消振作用）；工件尺寸精度要求较高时，后角宜取小值。,主偏角、副偏角的选择,主偏角和副偏角的功能,（a）影响已加工表面的残留面积高度（b）影响切削层形状（c）影响切削分力的大小和比例关系（d）影响刀尖角的大小（e）影响断屑效果和排屑方向,主偏角的选择 选择原则是在保证表面加工质量和刀具耐用度的前提下，尽量选用较大值。,副偏角的选择 副偏角的选择原则是在保证表面质量和刀具耐用度的前提下，尽量选用较小值。,图2-27 副偏角对残留高度的影响,外圆车刀常取=610。粗加工时可大一些，=1015；精加工时可小些，=610。为了降低已加工表面

28、的粗糙度，有时还可以磨出=0的修光刃。,（4）过渡刃的类型,图2-28 过渡刃的类型,（5）刃倾角的选择 主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。,图229刃倾角对切屑流出方向的影响,2.7.2 切削用量的选择,切削用量选择原则：能达到零件的质量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）,并在工艺系统强度和刚性允许下及充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下,选取一组最大的切削用量。,1.确定切削用量时考虑的因素,生产率 选择切削用量，应是三者的最佳组合。一般情况下尽量优先增大ap，以求一次进刀全部切除加工余量。机床功率 背吃刀量ap和切削速度vc增大时，均会使切削功率成正比增加。进给量f对切削功

29、率影响较小。所以，粗加工时，应尽量增大进给量。刀具寿命（刀具的耐用度T）首先应采用尽可能大的背吃刀量ap，然后再选用大的进给量f，最后求出切削速度vc。加工表面粗糙度 提高切削速度vc，能降低表面粗糙度值；背吃刀量ap对表面粗糙度的影响较小。合理选择切削用量，应该首先选择一个尽量大的背吃刀量ap，其次选择一个大的进给量f，最后根据已确定的ap和f，并在刀具耐用度和机床功率允许的条件下选择一个合理的切削速度vc。,2制订切削用量的原则,（1）背吃刀量的选择,（2）进给量的选择,（3）切削速度的确定,（4）校验机床功率 vc m/min,3.提高切削用量的途径,采用切削性能更好的新型刀具材料。在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料加工性。改善冷却润滑条件。改进刀具结构，提高刀具制造质量。,