机械制造技术第09次课-第四章

本次课内容 第四章 切削加工工艺基础 切削加工概念与种类 第一节 切削加工概述 一、金属切削加工的特点和方向 二、切削运动与切削要素 第二节 金属切削刀具 一、刀具材料 二、刀具切削部分的几何参数 第三节 金属切削过程中 的物理现象 一、切屑形成与种类 二、积屑瘤 三、切削力 四、切削热 五、刀具磨损和刀具耐用度 第四章 切削加工工艺基础 种类： 机工： 通过工人操纵机床来完成切削加工。车、铣、刨、磨、齿轮加工等 钳工： 通过工人手持工具进行切削加工。划线、錾切、锯、锉、刮、研、钻孔和绞孔、攻丝、套扣等 切削加工 是用刀具从毛坯 (或型材 )上切除多余的材料，以便获得形状、尺寸、精度和表面质量等都符合要求的零件的加工方法。 棒料 铸件 锻件 零件 刀具 图纸 第一节 切削加工概述 1、切削加工的特点 可加工各种形状的型面 尺寸公差等级范围： 25、金属切削加工的特点和发展方向 2、切削加工的发展方向 刀具材料朝着超硬材料方向发展，每分钟数千米速度 数控机床、精密和超精密机床，加工精度达到纳米 高精度、高效率、自动化、柔性化和智能化 第一节 切削加工概述 1) 主运动 直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动称为主运动。 速度最高、消耗功率最大。 在切削运动中主运动只有一个。 2) 进给运动 配合主运动不断把切削层投入切削以保持切削连续的运动称为进给运动。 速度较低，消耗功率较少 可能是连续性的，也可能是间隙性的 有时仅一个，有时有几个 3) 合成切削运动 :主运动 +进给运动 二、切削运动与切削要素 1、切削运动 图 4 1 车削运动和工件上的表面 图 4 2 刨削 图 4 3 各种加工的切削运动 拉削加工的进给运动？ 1) 切削速度 单位时间内工件和刀具沿主运动方向的相对位移。 m/s， m /) 进给量 f (进给速度 在主运动一个循环内，刀具与工件之间沿进给方向上的位移量。mm/r， mm/ vf=) 背吃刀量（切削深度） 在垂直于进给方向上测量的主切削刃切入工件的深度。 一节 切削加工概述 2、切削用量 (三要素 ) 二、切削运动与切削要素 d md w a p f 二节 金属切削刀具 一、刀具材料 1、普通刀具材料 刀具： 工作部分 +夹持部分 刀具材料 指工作部分的材料 碳素工具钢 和 低合金刃具钢 耐热性较差 (200 250常制作锉刀 、 刮刀 、 手锯条等 1)高速钢 在复杂刀具中仍占统治地位的刀具材料 定义： 含有钨 、 钼 、 铬 、 钒等元素较多的高合金工具钢 性能： 很高的强度和韧性 ， 较好的工艺性； 硬度为 63 70红硬温度为 500 650 常见牌号： 用途： 制造形状较为复杂的刀具 ， 如麻花钻 、 拉刀等 。 第二节 金属切削刀具 2) 硬质合金 定义： 用 硬质碳化钨等颗粒粘结在一起的粉末冶金。 性能： 7482硬温度 8001000较脆，抗弯强度低，韧性很低 常见牌号： 量的 %） 用途： 常制成刀片，焊接或夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀杆上 一、刀具材料 1、普通刀具材料 硬质合金 仍在扩大使用范围的刀具材料 第二节 金属切削刀具 一、刀具材料 1、普通刀具材料 3) 涂层刀具材料 定义： 在硬质合金或高速钢基体上涂以高硬度、高耐磨性的（ 而构成的材料。 涂层厚度： 2 12m 涂层方法： 性能： 是硬质合金、高速钢耐用度的 （ 24）、（ 321） 倍 常见牌号： 涂层刀具材料 正以惊人速度开发应用的刀具材料 1) 陶瓷 定义： 主要是以氧化铝（ 以氮化硅（ 为基体，再添加少量金属化合物（ 采用热压成形和烧结的方法获得的材料。 性能： 91 95磨性很好， 耐热性很高，在 12000学性稳定 抗弯强度低，冲击韧性差。 常见牌号： 用途： 可做成各种刀片，主要用于高速下精加工硬材料 第二节 金属切削刀具 一、刀具材料 2、超硬刀具材料 陶瓷 1980年代取得突破性进展的刀具材料 2) 人造聚晶金刚石 （ 定义： 在高温高压下将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料 。 性能： 硬度极高 （ 10000硬质合金仅为 10002000 耐磨性极好 ， 耐用度比硬质合金高几十倍至三百倍 韧性和抗弯强度很差 ， 热稳定性也很差 ， 700 800对振动比较敏感 用途： 与铁有很强的亲和力 ， 不宜加工黑色金属 ， 主要用于加工铝 、 铜合金 、 陶瓷 、 合成纤维 、 强化塑料和硬橡胶等 第二节 金属切削刀具 2、超硬刀具材料 一、刀具材料 金刚石 在超精加工和硬材料加工中有特殊功能的刀具材料 3) 立方氮化硼（ 定义： 由立方氮化硼（白石墨）在高温、高压下制成的一种新型超硬刀具材料。 性能： 硬度仅次于金刚石，达 7000 8000磨性很好 耐热温度可达 1400很高的化学稳定性 抗弯强度和韧性略低于硬质合金 用途： 主要用于高硬度、难加工材料的半精加工和精加工 第二节 金属切削刀具 2、超硬刀具材料 一、刀具材料 立方氮化硼 在超精加工和硬材料加工中有特殊功能的刀具材料 图 4 6 车刀切削部分的组成 第二节 金属切削刀具 二、刀具切削部分的几何参数 1、刀具切削部分的组成 1) 前刀面 刀具上切屑流过的表面。 2) 主后刀面 与工件过渡表面相对的表面。 3) 副后刀面 与工件已加工表面相对的表面。 4) 主切削刃 前刀面与主后刀面的交线，承担主要的金属切除工作。 5) 副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，参加少量的切削工作。 6) 刀尖 主、副切削刃汇交的一小段切削刃。 三面两刃一尖 2、静止参考系 1) 基面 过切削刃选定点的平面，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。 2) 切削平面 过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。 3) 正交平面 过切削刃选定点并同时垂直于切削平面与基面的平面。 第二节 金属切削刀具 二、刀具切削部分的几何参数 2006 年 11 月 23 日星期四 西安科技大学机械制造工程学院 具标注角度的参考系主剖面 3、刀具的标注角度 1) 前角 0 在正交平面中测量的前刀面与基面间的夹角 。 影响刃口锋利及切削刃的强度 。 常取 = 25o 2) 后角 0 在正交平面内测量的 主 后刀面与切削平面间的夹角 。 减少刀具与工件之间的摩擦和磨损 。 常取 0=4o 12o 第二节 金属切削刀具 二、刀具切削部分的几何参数 图 4 8 车刀的标注角度 图 的规定 0 3) 主偏角 在基面内测量的主切削刃的投影与进给方向间的夹角。 影响背向力 向力 进给力 向力 比例以及刀尖强度和散热条件 外圆车刀的主偏角通常有90 、 75 、 60 和 45 等。 第二节 金属切削刀具 二、刀具切削部分的几何参数 3、刀具的标注角度 4) 副偏角 在基面内测量的副切削刃的投影与进给反方向间的夹角 减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，减少切削振动；影响工件表面残留面积的大小，进而影响已加工表面的粗糙度 5 o 15 o，粗加工取较大值，精加工取较小值。 ， ， 副偏角对表面的粗糙度 ， ， ， ， 第二节 金属切削刀具 二、刀具切削部分的几何参数 3、刀具的标注角度 图 4倾角对切屑流向的影响 5) 刃倾角 s 在切削平面内测量的主切削刃与基面间的夹角。 控制切屑的流向，影响刀尖强度。刃倾角有正负之分。 当 s 0o 时，切屑流向工件已加工表面，刀尖强度较好，适宜粗加工； 当 s 0o 时，切屑流向工件待加工表面，此时刀尖强度较差，适宜于精加工。 第二节 金属切削刀具 二、刀具切削部分的几何参数 3、刀具的标注角度 第 变形区 第 变形区 第 变形区 图 4 14 切削变形 在该区域内金属发生塑性变形，是产生剪切滑移和大量塑性变形的区域，切削过程中的 切削力 、 切削热主要来自这个区域。 第三节 切削过程中的物理现象 金属的切削过程实际上是一种挤压变形过程。 一、切屑形成过程及切屑种类 图 4挤压比喻变形 剪应力数值最大方向 切屑受到前刀面的挤压，将进一步产生塑性变形，形成前刀面摩擦变形区。该区域的状况对 积屑瘤 的形成和刀具 前刀面磨损有直接影响。 由于刀口的挤压、基本变形区的影响和主后面与已加工表面的摩擦等，在工件已加工表面还会形成第 变形区。该区对 工件表面的加工硬化 和 残余应力 以及刀具 后刀面的磨损 有很大影响 1、切屑形成与切削变形 第三节 切削过程中的物理现象 按照切屑变形程度的不同，切屑分为四类形态 一、切屑形成过程及切屑种类 2、切屑的种类 条件 /影响 带状切屑 挤裂 (节状 )切屑 单元 (粒状 )切屑 崩碎切屑 零件材料 塑性材料塑性高 塑性材料塑性中 塑性材料塑性低 脆性材料 刀具前角 大 中 小 切削速度 高 中 低 进给量 小 中 大 切削力波动 小 中 大 大 表面粗糙度 好 中 差 差 第三节 切削过程中的物理现象 二、积屑瘤 1、积屑瘤的形成 图 4 16 车刀上的积屑瘤 以 中等切削速度 （ 5 60） m 削 塑韧性金属材料 时，由于切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，会使切屑底层的流动速度低于其上层的流动速度， 当此层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子间的结合力时，切屑底层的一部分新鲜金属就会粘结在刀刃附近，形成一个硬块，称为积屑瘤 积屑瘤的形成是一个 时生时灭周而复始的动态 过程。 第三节 切削过程中的物理现象 二、积屑瘤 2、积屑瘤的影响和作用 保护刀刃及代替刀刃切削的作用 积屑瘤增大了刀具的实际工作前角，使切削力减小。 破裂会影响加工的稳定性，影响表面质量。 粗加工时可利用，精加工时应避免。 3、积屑瘤的控制 高速（ 100m 低速（ 5m/削 良好的冷却润滑条件 提高被加工件硬度和强度，降低塑性 第三节 切削过程中的物理现象 三、切削力 1、主切削力 2、进给力 般只消耗机床功率的 1% 5%，设计进给运动传动系统零件的主要依据。 在切削加工时，刀具对工件的作用力称为总切削力，用符号 是克服切削层金属弹、塑性变形抗力所需要的力；二是克服摩擦阻力所需要的力。 耗机床功率的95%以上，计算机床功率和设计主运动传动系统零件的主要依据。 3、背向力 作功，但使工件产生弹性弯曲，引起振动，影响加工精度和表面粗糙度 图 4 17 总切削力的分解 第三节 切削过程中的物理现象 四、切削热 1、切削热的产生、传出及对加工的影响 2、切削热的控制 因变形和摩擦而产生，主要来源于 ， ， 变形区。 切削热将传递给切屑、刀具、工件和周围介质。 传入工件，产生热变形，影响加工精度；传入刀具会使刀具温度升高，加剧刀具磨损，影响工件尺寸。 合理选择切削用量（切削速度，进给量，背吃刀量） 合理选择刀具角度 合理施加切削液等 第三节 切削过程中的物理现象 五、刀具磨损和刀具耐用度 刀具在高温和高压条件下，受到工件、切屑的剧烈摩擦，使刀具的前刀面和后刀面都会产生磨损，随着切削加工的延续，磨损逐渐扩大，这种现象称为刀具磨损。 初期磨损 正常磨损 急剧磨损 刀具磨损的过程 磨损量 时间 切削 变钝 刃磨 切削 变钝 报废 刀具寿命 刀具的耐用度 刀具由开始切削到变钝为止的切削总时间，称为 。 通常以 后刀面磨损程度 为标准，常用 切削时间 来判断 第三节 切削过程中的物理现象 五、刀具磨损和刀具耐用度 刀具正常磨损时，按其发生的部位可分为三种形式，即后刀面、前刀面、前后刀面磨损。 1、后刀面磨损 以平均磨损高度 削刃各点处磨损不均匀，刀尖部分和近工件外表面处磨损较大，中间处磨损较均匀。 加工脆性材料或用低速和较小背吃刀量切削塑性金属时常见 。 图 4具正常磨损形式 第三节 切削过程中的物理现象 五、