金属切削的基础知识.ppt

第1章 金属切削加工的基本知识 l定义：利用刀具切除工件毛坯上多余的金属层， 从而使工件达到规定的几何形状、加工精度和表 面质量的机械加工方法 l切削运动 p切削时的工件表面 p切削用量 p切削层参数 1.1切削运动 p影片 p定义：在切削加工中，为了切除多余的材料，刀 具和工件之间必须有相对运动，即切削运动。 p切削运动的分类 主运动 进给运动 主运动 p定义：使工件与刀具产生相对运动以进行切削的 最基本的运动。 p特点：主运动的速度最高，所消耗的切削功率最 大。 p如图2-31所示 图2-31 外圆车削的切削运动与加工表面 进给运动 p定义：不断地把切削层投入切削，以便形成整个 工件表面所需的运动，称为进给运动。 p特点：进给运动一般速度较低，功率的消耗也较 少。 p如图2-32所示各种加工的切削运动。 图2-32 各种加工的切削运动 切削时的工件表面 p影片 p切削过程中存在着三个不断变化的表面(如2-附图4)所示 ： （）待加工表面 工件上即将被切除的表面。随着切削 的继续，待加工表面逐渐减小直至全部切去。 （）已加工表面 工件上已切去切削层而形成的新表面 。它随着切削的继续而逐渐扩大。 （）加工表面 工件上正在被切削刃切削着的表面。它 在切削过程中不断变化，但总介于待加工表面和已加工 表面之间，又称为过渡表面。 2-附图4 外圆车削的加工表面 切削用量 p影片 p切削用量三要素 切削速度 进给量 背吃刀量（切削深度） p定义：切削刃相对于工件的主 运动速度称为切削速度 p计算切削速度时，应选取刀刃 上速度最高的点进行计算。主 运动为旋转运动时，切削速度 由下式确定 式中： d-工件或刀具的最大 值，mm； n-工件或刀具的转速， r/s或r/min。 切削速度（ms或mmin） 2-附图5 进给量mmr（或mm双行程） p定义：工件或刀具转一周（或 每往复一次），两者在进给运 动方向上的相对位移量称为进 给量 式中：n主运动的转速，r/s 或r /min ； z刀具的齿数 。 2-附图6 背吃刀量（切削深度）（mm） 式中: 工件上待加工表面直径 ，mm； 工件上已加工表面直径 mm。 p定义：指主切削刃与工件切削 表面的接触长度在主运动方向 和进给方向所组成平面的法线 方向上测量的值 2-附图7 1.2 切削层参数 p定义：在切削过程中，刀具相对于工件沿进给运动方向每移动f或fz 时 ,一个刀齿正在切削着的金属层，称为切削层。 p如图2-33所示 (1)切削厚度 (2)切削宽度 (3)切削层面积 图2-33 外圆纵车时的切削层参数 (1)切削厚度 p定义：指垂直于过渡表面度量 的切削层尺寸，即相邻两过渡 表面之间的距离。 p用公式表示为 p当f 或kr增大时，则 变厚。若车刀切削刃为圆弧或 任意曲线，则切削刃上各点的 切削厚度是不相等的。 2-附图8 (2)切削宽度 p定义：沿过渡表面度量的 切削层尺寸称为切削宽度 。 p用公式表示为 p当 减小或 增大时 ，则 变小。 2-附图9 (3)切削层面积 p定义：切削层在切削层尺寸度 量平面内的横截面积称为切削 层面积。 p用公式表示为 2-附图10 1.3 刀具的几何参数 p外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀 体组成 p车刀的切削部分由3个刀面前(刀)面、主后(刀) 面和副后(刀)面，2个刀刃（主切削刃和副切削 刃）和1个刀尖组成，如图2-34所示 p刀具切削部分的组成 p刀具角度的参考系 p刀具的标注角度 p刀具的工作角度 图2-34车刀切削部分组成要素 刀具切削部分的组成 p如图2-34所示为外圆车刀，由刀杆 和刀头（切削部分）组成。 1）前(刀)面A 直接作用于被切削 的金属层，并控制切屑沿其流出的 刀面。 2）主后(刀)面A 与工件过渡表面 相对并相互作用的刀面。 3）副后(刀)面A与工件已加工表 面相对并相互作用的表面。 4）主切削刃S 前(刀)面与主后(刀) 面的交线。它承担主要的切削工作 。 5）副切削刃S 前(刀)面与副后(刀) 面的交线。它配合主切削刃完成切 削工作，并最终形成已加工表面。 6）刀尖 主切削刃和副切削刃连接处 的一段刀刃。它可以是小的直线段 或圆弧。 图2-34 车刀切削部分组成要素 刀具角度的参考系 p刀具角度参考系通常有两类： l一类是刀具标注角度参考系，它是刀具设计、标注、刃 磨和测量角度时的基准。 l另一类是刀具工作角度参考系，它是确定刀具在实际切 削运动中角度的基准。 p建立刀具标注角度参考系的假定条件： l车削时假定切削刃选定点与工件轴线等高。 l主运动方向与刀杆底面垂直。 l进给运动方向与刀杆中心线垂直。 p参考平面通常有基面、切削平面、正交平面等，如图2- 35所示 1）基面Pr 通过切削刃 上选定点并与该点切削 速度方向相垂直的平面。 2）切削平面Ps 通过切 削刃上选定点并与工件 加工表面相切的平面。 3）正交平面Po 通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削 平面。正交平面必然垂直于切削刃在基面上的投影，它又称为 主剖面。 图2-35 车刀正交平面参考系 派生角度： 1)楔角o 在正交平面内 测量的前刀面与后刀面 之间的夹角， o90-(o+o) 2)刀尖角r 在基面内测 量的主切削刃投影与副 切削刃投影之间的夹角 ， r180- (r+r) 3)余偏角r 在基面内测 量的主切削刃投影与进 给方向垂线之间的夹角 r90-r 刀具的标注角度 车刀前刀面和主后刀面 在正交平面参考系中的 位置由以下两个角度确 定： 1）前角o 在正交平面 内测量的前刀面与基面 之间的夹角。前角表示 前刀面的倾斜程度，有 正、负和零值之分 2)后角o 在正交平面内 测量的主后刀面与切削 之间的夹角。后角表示 主后刀面的倾斜程度， 一般为正值 在刀具工作图上只需标 注副切削刃上的下列两 个角度： 1）副偏角r 在基面 内测量的副切削刃在基 面上的投影与进给运动 反方向的夹角。副偏角 一般为正值 2)副后角o 在副切削 刃选定点的正交平面内 测量的副后刀面与副切 削平面之间的夹角。副 切削平面是过该选定点 并包含切削速度向量的 平面 确定车刀主削刃位置的角度： 1）主偏角r 主切削刃在基面上的 投影与进给运动方向的夹角。主 偏角一般为正值。 2）刃倾角s 在切削平面内测量的 主切削刃与基面之间的夹角。 （当主切削刃呈水平时，s=0， 此时切削刃与切削速度方向垂直 ，称为直角切削。当刀尖是切削 刃上最低点时，s为负值；当刀 尖是切削刃上最高点时，s为正 值，如图2-37所示。当s 时的切削称为斜角切削，此时切 削刃与切削速度方向不垂直。） 请单击4次 图2-36 外圆车刀正交平面参考系的标注角度 图2-37 刃倾角正负的规定 刀具的工作角度 p定义：以切削过程中实际的基面、切削平面和 正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具 的工作角度，又称实际角度。 p影响因素 l横向进给运动对工作角度的影响 l纵向进给运动对工作角度的影响 l刀具安装高低对工作角度的影响 l刀杆中心线偏斜对工作角度的影响(见书中图2-41) l横向进给运动对工作角度的影响 如图2-38所示,工件每转一转 ，车刀横向移动距离f ，切削 刃选定点相对于工件的运动轨 迹为一阿基米德螺旋线。 工作前角 式中： 、 当进给量f增大，则值增大；当瞬时直径d 减小，值也增大。因 此，车削接近工件中心时，d 值很小，值急剧增大，工作后角oe将变 为负值，致使工件最终被挤断。对于横向切削不宜选用过大的进给量， 并应适当加大刀具的标注后角。 图2-38 横向进给运动对工作角度的影响 l纵向进给运动对工作角度的影响 如右图所示为车削右螺纹 的情况 在进给平面刀具的工作角度为 ： 式中：f被切螺纹的导程或进给 量，/r 工件直径， 在正交平面内刀具的工作前角、工作后角为： 图2-39 纵向进给运动对工作角度的影响 l刀具安装高低对工作角度的影响 p如图所示，当刀尖装得高于工 件轴线时，切削平面变为 ，基面变为 ，从而使车刀 的前角和后角发生变化，公式 为： 式中：h刀尖高于工件轴线的距 离， 工件直径， 在正交平面内刀具的工作前角、工作 后角为： p如果刀尖装得低于工件轴线时，则 上述工作角度的变化情况正好相反 图2-40 装刀高低对工作角度的影响 1.4 刀具材料 p定义：通常是指刀具切削部分的材料。 p刀具切削性能的好坏取决于构成刀具切削部分的材料、 几何形状和刀具结构。 p刀具材料应具备的性能 p高速钢 p硬质合金钢 p涂层刀具和其他刀具材料 2-附图11 刀具材料应具备的性能 p高的硬度 p高的耐磨性 p足够的强度和韧性 p好的耐热性 p良好的热物理性能和耐冲击性能 p良好的工艺性能和经济性 l常用刀具材料:碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬 质合金钢、陶瓷、立方碳化硼以及金刚石等。 高速钢 1)高速钢的优点 l高速钢具有较高的硬度和耐热性，在切削温度达550600时仍能 进行切削。 l切削速度较快，与碳素工具钢和合金钢相比，高速性能钢能提高切 削速度13倍，提高刀具使用寿命1040倍甚至更多。 l高速钢具有较高的强度和韧性，抗弯强度为一般硬质合金的23倍 ，抗冲击性能强；具有一定的耐磨性，适合于各类切削刀具的要求 ，用它可以加工从有色金属到高温合金范围内的材料，也可用于刚 性较差的机床上加工。 l高速钢的工艺性能好，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，适宜制造各 类切削刀具尤其在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮 刀具等）的制造中，高速钢占有重要的地位；高速钢的性能较硬质 合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。 2）高速钢的分类 3）常用高速钢的牌号及其用途 2)高速钢的分类 按切削性能分 熔炼高速钢 粉末冶金高速钢 通用型高速钢 高性能高速钢 按制造工艺分 2.2.3 刀具材料 3）常用高速钢的牌号及其用途 硬质合金钢 p优点：硬度为8993HRA，能耐8501000的高温，具有良好的 耐磨性；允许使用的切削速度可达100300m/min，可加工包括淬 硬钢在内的多种材料。 p缺点：硬质合金的抗弯强度低，冲击韧度差，较难加工。 p分类 P类类：主要用于加工长长切削的黑金属，相当于我国的 YT类 K类类：主要用于加工短切削的黑色金属、有色金属和 非金属，相当于我国的YG类 M类类：主要用于加工长长或短切削的黑色金属和有色金 属，相当于我国的YW类 钨钛钴（YT类）硬质合金 p优点：具有较高的硬度、耐热性、抗粘接性和抗氧化能 力；在加工钢材时，YT类合金有很高的耐磨性；YT类硬 质合金的导热性较差，切削时传入刀具的热量较少，大 部分的热量集中在切屑中，切屑受强热后会发生软化， 有利于切削过程的顺利进行。 p缺点：抗弯强度和冲击韧度较差。 p应用：主要加工长切削的黑色金属，如碳钢、合金钢等 塑性材料。 钨钴类（YG类）硬质合金 p优点:硬度为8991.5HRA，耐热度为800900 ，抗弯 强度和冲击韧度较好，不易崩刃，韧性较好，导热系数大 。 p缺点：耐热性较差，不宜用于普通材料的高速切削。 p应用：适用于加工铸铁类的短切削黑色金属和有色金属 ，加工高温合金、不锈钢材料等难加工材料。 钨钛钽（铌）钴（YW类）类硬质合金 p优点：韧性耐热性较好，有较好的综合切削性能 。 p应用：加工高温合金、不锈钢等难加工材料，也 适用于普通材料、铸铁和有色金属等的加工。 表2-7 各种硬质合金的应用范围 小结 p在硬质合金中如果碳化物所占的比例越大，则硬质合金 的硬度越高，耐磨性越好；反之，若钴镍等金属粘结剂 的含量增多，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强度和冲 击韧度有所提高。 p硬质合金的性能还与其晶粒大小有关。当粘结剂的含量 一定时，碳化物的晶粒越细，则硬质合金的硬度越高， 而抗弯强度和冲击韧度降低；反之，则硬质合金的硬度 降低，而抗弯强和冲击韧度有所提高。 涂层刀具和其他刀具材料 涂层刀具 陶瓷材料 人造金刚石 立方氮化硼 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比 合理选择刀具的基本要求 涂层刀具 p形成：在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂 覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的 p目的：解决刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛 盾，具有良好的切削性能 p涂层材料 l TiC l TiN l Al2O3 lTiC p优点：硬度比TiN高；耐磨性好，对于产生剧烈磨损的 刀具，采用该涂层较好；抗氧化性能高；抗粘结性能和 抗扩散性能高；摩擦系数低；热膨胀系数与硬合金基体 的相近，与基体间的热应力小，与基体结合牢固，适用 于作多涂层的底层。 p缺点：若涂覆工艺控制不当，在涂层与基体之间要产生 较厚的脱碳层，会引起刀片强度的降低和在重载荷下切 削时容易出现崩刀。 lTiN p优点：铁基金属间的摩擦系数小，允许涂层较厚，在容 易产生粘结条件下，采用该涂层较好；在高温下有高的 抗氧化性能；易于沉积及控制；该涂层呈金黄色或古铜 色，产品外观漂亮。 p缺点：基体粘结强度较TiC涂层差；涂层太厚会产生剥 落的危险。 p优点：在高速切削产生大量热的场合采用该涂层较好， 因为在高温下有良好的热稳定性能；有良好的化学稳定 性和抗氧化能力；摩擦系数低，不易产生积削瘤，加工 表面粗糙度值较小。 p缺点：工艺性能较差，且涂层刀片的强度也低于未涂层 刀片。 lAl2O3 陶瓷材料 p形成：以氧化铝或氮化硅等为主要成分，经压制成形后 烧结而成的一种刀具材料。 p优点：硬度可达9195HRA，在1200高温下仍可保持 80HRA的硬度；化学稳定性好，摩擦系数小，耐磨性好， 加工钢件时的寿命为硬质合金的1012倍。 p缺点：脆性大，抗弯强度和冲击韧度差，对冲击十分敏 感。 p应用：主要用于精加工或半精加工高硬度、高强度钢和 冷硬铸铁。 人造金刚石 p形成：依靠合金触媒的