金属切削加工的基本概念.ppt

第一节第一节 金属切削加工的基本概念金属切削加工的基本概念 机械制造工程机械制造工程第一章第一章 l毛坯精度低、表面粗糙度值大，不能 满足零件的使用性能要求，必须进行 切削加工才能成为零件。 l金属切削加工是通过刀具与工件间的 相对运动，从毛坯上切除多余的金属 ，从而获得合格零件的一种机械加工 方法。 l切削加工的基本形式有车削、铣削、 钻削、镗削、刨削、拉削、磨削等。 钳工也属于金属切削加工。 l基本形式有：錾削、锉削、锯削、刮 削、以及钻孔、铰孔、攻螺纹、套螺 纹等。 1切削运动和工件加工表面 为了切除工件上多余的金属，以获得形 状、尺寸、位置精度和表面质量都符合 要求的工件，除必须使用切削刀具外， 刀具与工件间必须作相对运动切削 运动。 根据切削过程中所起的作用，分为主运 动和进给运动 一一 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 切削 运动 和 加工 表面 l主运动切除工件多余金属、形成 工件新表面所必不可少的基本运动 l主运动的特征： 速度最高 消耗功率最大 必有且只有一个 形式为旋转或直线往复 l切削刃上各点的主运动速度的大小 和方向都不一定相同。为了分析运 动，必须确定一个选定点。 l选定点为便于分析运动而选取 的合适点 切削 运动 及选 定点 l切削速度切削刃上选取点相对于 工件的主运动的瞬时速度。用矢量vc 表示 l车削主运动是工件的旋转运动；铣削 和钻削运动是刀具的旋转运动；磨削 主运动是砂轮的旋转运动；刨削主运 动是刀具（牛头刨床）或工件（龙门 刨床）的往复直线运动等 l进给运动使新的切削层金属间断 或连续投入切削的运动 l进给运动的特征 速度较低 耗功较少 有0 n 个 可以连续，也可以步进 形式为旋转或直线往复 l进给速度切削刃上选取点相对于 工件的进给运动的瞬时速度。用矢量 vf 表示 l车削进给运动是刀具的移动；铣削进 给运动是工件的移动；钻削进给运动 是钻头沿其轴线方向的移动；内、外 圆磨削进给运动是工件的旋转运动和 移动 以及砂轮的横向进给等 l切削加工过程中的辅助运动 切入运动 空程运动 分度转位运动 送夹料运动 机床控制运动等 l l 合成切削运动合成切削运动 l合成切削运动主运动 和进给运动的合成运动 l合成切削运动的 瞬时速度用矢量 ve 表示 lve = vc + vf 注意：刀刃上 各点 ve 不等 合成 切削 运动 l工作平面vc 和 vf 所在的平面，以Pfe 表 示 l合成切削速度角 在工作平面内，同一 瞬时主运动方向与合 成切削运动方向之间 的夹角，以表示 合成切削 速度角 l 工件上的加工表面 切削加工过程中，工件上形成三个不 断变化的表面 l待加工表面工件有待切除金属层 的表面 l过渡表面主切削刃正在切削着的 表面 l已加工表面工件经刀具切除多余 金属层后形成的新表面 2 2切削要素切削要素 切削用量三要素 l切削速度：这是主运动的线速度，单位 为 m/s或m/min。主运动是旋转运动时 ，切削速度计算公式如下： l l 切削要素包括切削用量和切削层横截面要素 在生产中，磨削速度用m/s，其他加工 的切削速度习惯用m/min。 l背吃刀量asp：工件已加工表面和待加工 表面之间的垂直距离 (主切削刃与工件过渡表面的瞬时接触长度在 垂直于基点工作平面的方向上测量的大小) 车削： 钻孔： l进给量 ：工件或刀具每转一周，刀具 沿进给方向与工件的相对位移。单位是 mm/r。 切削层横截面三要素 l切削层指刀具与工件相对移动一 个进给量时，相邻两个加工表面之间 的金属层 l切削层横截面要素切削层横截面 尺寸 切削层公称宽度bD：刀具主切削刃与工 件的接触长度（切削刃上两个极限点间 的距离） 切削层公称厚度hD：刀具或工件每移动 一个进给量 时，刀具主切削刃相邻的 两个位置之间的垂直距离 切削层公称横截面积AD：切削层横截面 的面积 1 1刀具切削部分的结构要素刀具切削部分的结构要素 l任何刀具都由切削部分和夹持部分组成 刀具切削部分 的结构要素有 三面二刃一尖 二 刀具切削部分基本定义 l前面（A）：切屑流经的刀面 l主后面（A）：和工件过渡表面相对的 刀面 l副后面（A）：和工件已加工表面相 对的刀面 l主切削刃（S）：前面与主后面的交线 l副切削刃（S）：前面与副后面的交线 l刀尖：主切削刃和副切削刃的交点或连 接部位 刀尖的形状 2 2刀具角度的参考系刀具角度的参考系 l为了确定和测量各刀刃、各刀面的 空间相对位置，必须建立用以度量 各刀刃、各刀面空间位置的参考系 l建立参考系，必须与切削运动相联 系，应反映刀具角度对切削过程的 影响。参考系平面与刀具安装平面 应平行或垂直，以便于测量 l用来确定刀具几何角度的参考系有两 类：一类称为刀具标注角度参考系， 即静止参考系；另一类称为刀具工作 角度参考系，它是确定刀具在切削运 动中有效工作角度的参考系 l它们的区别在于：前者由主运动方向 确定，而后者则由合成切削运动方向 确定 l 宽刃刨刀的静止参考系 宽刃刨削的特点： l刀刃为直线 l刀刃长度大于工件宽度 l前面和后面均为平面 l无进给运动(只有主运动) 选取参考平面： l过主切削刃，取平行于切削速度方向并切 于工件过渡表面的平面为切削平面（ps） l过主切削刃，取垂直于切削速度方向的平 面为基面（pr） l取垂直于主切削刃的平面为po-po截面（又 称正交平面） lpr-po-ps便组成了测量宽刃刨刀角度的静止 参考系 l 车刀的静止参考系 车削的特点： l切削部分比刨刀复杂 l车削有进给运动 l主切削刃不一定水平 l主切削刃各点切削速度不等 建立车刀静止参考系的假设 l不考虑进给运动的影响 l车刀安装绝对正确 l刀刃选定点的切削速度方向与 刀刃各处的平行 建立参考平面 l切削平面（ps）：过刀刃上选定点， 包含该点假定主运动方向和刀刃的 平面 l基面（pr）：过刀刃上选定点，垂直 该点假定主运动方向的平面 lpo-po截面（又称正交平面）：过刀 刃上选定点，既垂直于切削平面， 又垂直于基面的平面 由此得到： l ps pr； ps po-po； pr po-po l ps pr, pr安装底面（基于3点 假设） l 主切削刃、副切削刃各有一个切 削平面和基面 3 3刀具的标注角度刀具的标注角度（静态角度）（静态角度） l刀具在设计、制造、刃磨和测量 时，都是用刀具静止参考系中的 几何角度来标明切削刃和刀面的 空间位置的，故这些角度称为刀 具的标注角度（静态角度静态角度）。 l重点介绍10个，常用的有6个（打 者） 车刀的标注角度 车刀的 标注角度 在基面中测量的角度： l 主偏角kr：主切削刃在基面上的投 影与进给运动方向之间的夹角 l 副偏角kr：副切削刃在基面上投影 与进给运动反方向之间的夹角（也有的 定义为副切削刃在基面上投影与已加工 表面之间的夹角） l刀尖角r：主切削刃、副切削刃在基面 上投影的夹角 由上可知：kr+ kr+r = 180 在po-po截面中测量的角度： l 前角o：基面与前面之间的夹角 规定： 前面低于基面时，o 0； 前面高于基面时，o 0； 刀尖为最低点时，s 0。 注意：这一规定与84年以前的正好 相反 在副po-po截面中测量的角度： l副前角o：副基面与副前面间的夹角 l 副后角o：副后面与副切削平面间 的夹角。影响表面粗糙度及振动。加 工过程中，一般不允许o 0 在副切削平面中测量的角度： l副刃倾角s：副切削刃与副基面之间 的夹角 4 4刀具的工作角度刀具的工作角度 刀具的工作参考系及工作角度 工作参考系与静止参考系的区别 l合成切削运动方向代替假定主运动方向 l实际进给运动方向代替假定进给运动方向 l实际安装条件代替假定安装条件 刀具的工作角度 l刀具的工作角度，只需用工作坐标平面取 代静止坐标平面即可 进给 运动 对工 作角 度的 影响 横车 以切断工件为例，切削刃相对于工 件的运动轨迹为阿基米德螺旋线， 实际切削平面为过切削刃而切于螺 旋线的平面，而实际基面又始终与 之保持垂直，因而切削时实际的前 角、后角等都在发生变化。 l 设为合成切削速度角 则 oe =o + oe = o - tg = vf / vc = f /d l d 随切削过程变化，越靠近中心， 越大，以致可能oe 0（挤压） 。 纵 车 l由于考虑进给运动的影响，工作基面pre 和工作切削平面pse都倾斜一个 角。 则 fe =f + fe = f - = tg-1( f /dw ) l换算到正交平面系： 则 tgo = tg sin kr oe =o +o oe = o o l车外圆时， = 3040，可忽略 ；车螺纹，尤其 是车多头大螺距 螺纹时， 很大 ，则不可忽略 刀具安 装情况 对工作 角度的 影响 刀尖高 于工件 中心线 l刀尖高于工件中心线 则 pe =p +p pe =p p l换算到正交平面系 则 oe =o +o oe =o o o = tg-1( tgpcos kr ) l注： (i) 当刀尖低于工件中心线时，上 述计算公式p 符号相反； (ii) 镗内孔时与车外圆的计算公式 p 符号正好相反。 刀杆轴线与进给方向不垂直时，工作 主偏角和工作副偏角将发生变化。 l设G为进给方向垂线与刀杆中心线的夹 角，则 Kre = Kr G Kre = Kr 干 G 三 刀具材料及选用 刀具材料是指刀具切削 部分的材料。 刀具的切削能力直接影 响生产率、加工质量和加 工成本。 刀具的切削性能，主要 取决于刀具材料。 刀具工作环境十分恶劣，因此刀具材料 必须具备以下性能 l高的硬度和耐磨性 l足够的强度和韧性 l高的耐热性 l良好的导热性和较小的膨胀系数 l稳定的化学性能和良好的抗粘结性能 l良好的工艺性能和经济性 1刀具材料应具备的性能 l刀具材料的种类很多，常用的有 工具钢（包括碳素工具钢、合金 工具钢和高速钢）、硬质合金、 陶瓷、金钢石和立方氮化硼等。 l目前最常用的刀具材料是高速钢 和硬质合金。 刀具的分类刀具的分类 高速钢的特点 l高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、 铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合 金工具钢。它具有较高的耐热性，可在 500650的温度下进行切削加工。还具 有高的强度和冲击韧性，所以刃磨时能 获得锋利的刃口，故有“锋钢”之称。 l别称：锋钢、钨钢、白钢 2 2高速钢高速钢 按用途不同，高速钢分为普通高速钢 和高性能高速钢。按制造方法不同， 则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢 普通高速钢 按化学成分不同，普通 高速钢可分为钨系和钨钼系两类： l钨系高速钢 钨系高速钢的典型牌号 是W18Cr4V、 W9Mo3Cr4V l钨钼系高速钢 钨钼系高速钢的典型 牌号是W6Mo5Cr4V2 高性能高速钢 在普通高速钢中加入一 些其他合金元素（C、V、Co、Al）， 以提高其耐热性和耐磨性。典型牌号： W6Mo5Cr4V3、W2Mo9Cr4VCo8 、 W6Mo5Cr4V2Al 粉末冶金高速钢 采用粉末冶金法可完 全消除碳化物偏析，提高刀具质量 高速钢刀具的表面涂层 l表面涂层处理的目的是为了在刀具表面形 成硬度高、耐磨性好的表面层，以减少刀具 磨损，提高刀具的切削性能。 l表面涂层的方法有蒸汽处理、低温气体氮 碳共渗、辉光离子渗氮等。此外还可采用真 空溅射的方法在刀具表面沉积一层TiC或TiN （约10m）。 l涂层高速钢是一种复合材料，基体是强度 、韧性好的高速钢，而表层是具有高硬度、 高耐磨性的其他材料。 3 3硬质合金硬质合金 l由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、 TiC、NbC、TaC等）粉末，用钴或镍等 金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。 l高硬度、高熔点的金属碳化物含量高，故 其硬度、耐热性和耐磨性都超过高速钢， 允许切削温度高达8001000。因此，切 削速度远高于高速钢。 l硬质合金是当今主要的刀具材料之一。 普通硬质合金的分类、牌号和性能 l常用的硬质合金是以碳化钨（WC）为 基体，并分为 WC-Co WCTic-Co WCTaC（NbC）Co WCTiCTaC(（NbC）Co lYG类，ISO称为K类，加工短切屑的黑 色金属、有色金属和非金属材料 lYT类，ISO称为P类，加工长切屑的黑 色金属 lYN类，ISO称为P类，高速精加工工具 钢、淬火钢 lYW类，ISO称为M类，可履盖K类、P 类的应用范围 硬质合金的选用 l各种硬质合金的应用见表1-1 l硬质合金的性能，主要取决于金属碳 化物的种类、性能、数量、粒度和粘 结剂的份量 其他硬质合金及其使用性能 l超细晶粒硬质合金 l其WC的粒度则在0.21m之间，其中 大多数在0.5m以下 l是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金 ，具有硬质合金的高硬度和高速钢的高 强度 l可用于间断切削，特别是难加工材料的 间断切削 l涂层硬质合金 l在韧性较好的硬质合金基体上，涂一层 硬度、耐磨性极高的难熔金属化合物， 采用化学气相沉积法而获得的。涂层的 厚度为510m。 l可分为单涂层、双涂层、和多涂层等 l涂层刀片不适于切削高温合金、钛合金 、有色金属及某些非金属，不能采用焊 接结构，不能重磨使用 l钢结硬质合金 l代号为YE。它以WC、Ti