大学机械加工工艺与实训-江卫华-PPT文稿资料课件PPT
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第2章 金属切削原理与刀具,china_54,第2章 金属切削原理与刀具,金属切削刀具,2,切削过程基本规律,3,刀具磨损与刀具耐用度,4,本章学习目标,理解金属切削基本定义 熟悉金属切削刀具的分类、组成、材料及角度 了解金属切削过程基本规律 了解刀具磨损的形式、原因、过程与刀具耐用度概念 掌握切削液的选用,2.2 知识要点,金属切削过程是指在机床上通过刀具与工件的相对运动，利用刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。也是工件的切削层在前刀面挤压下产生塑性变形、形成切屑而被切下来的过程。,本章研究对象：以金属切削过程中出现各种物理现象（如切削力、切削热、刀具磨损及加工表面质量）的基本理论为基础。解决实际生产中出现的许多影响加工表面质量的问题，如鳞刺、振动、卷屑和断屑等都同切削过程有关。,2.2.1 金属切削基本定义,1. 切削运动,金属切削加工是依靠刀具与工件之间的相对运动（即切削运动）进行的， 按切削运动作用可分为主运动和进给运动。,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。,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。,合成切削运动,主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。,1主运动 2进给运动 3、待加工表面 4加工表面 5已加工表面 切削运动和工件上形成的三个表面,2.2.1 金属切削基本定义,2.2.1 金属切削基本定义,2. 切削过程的工件表面,已加工表面,待加工表面,加工表面,在切削过程中，工件表面的被切削层不断地被切去，新的表面逐渐形成。 因此，在切削过程中，工件上有三个不断变化着的表面。,已加工表面是指随着切削运动的进行而逐渐形成的新的表面。,待加工表面是指工件上即将被切去金属层的表面。,加工表面是指切削刃正在切削着的表面。,2.2.1 金属切削基本定义,3. 切削用量,切削过程中主运动，进给运动的大小，用切削用量来表示，共有三个：切削速度，进给量和切削深度，也称为切削用量三要素。,切削速度是指在单位时间内，刀具切削刃上选定点在切削运动方向上相对于 工件的主运动的线速度。,（1）切削速度,单位：m/min或m/s（米/分或米/秒）,注：当主运动是旋转运动，切削速度指刀刃在旋转体外缘处的圆周速度时可使用此公式。,计算公式：,(m/min),式中：,工件或刀具的直径（mm）,工件或刀具的转速（rmin）,2.2.1 金属切削基本定义,3. 切削用量,（1）切削速度,例题2-1：用车刀车削直径d=50mm的工件，车床主轴转速n400r/min， 求切削速度v？,解:,（m/min）,注：在实际生产中，常常已知工件直径，并根据工件和刀具材料等因素选定 了切削速度，再求出车床的主轴转速，这时可把上面公式变换为：,(rmin),2.2.1 金属切削基本定义,3. 切削用量,（1）切削速度,例题2-2：用YG7硬质合金车刀车削直径d60mm的铸铁带轮， 查表选定切削速度v=60m/min，求车床主轴转速？,解:,（m/min）,（2）进给量,进给量是指在主运动的一个循环时间内，刀具和工件之间沿进给运动 方向相对移动的距离。,举例：,车削时的进给量 为工件每转一圈，刀具沿进给量方向的相对位移， 单位是mm/r 。,刨削时，进给量 是指工件或刀具往复一次，两者沿进给方向的相对位移，单位是mm/str（毫米/往复行程），,对于多刃刀具，通常用每齿进给量 (mmz)或每分进给量 (mm/min)表示。,2.2.1 金属切削基本定义,3. 切削用量,（3）切削深度,切削深度是已加工表面和待加工表面的垂直距离，也是刀具切入工件的 深度，用 表示。单位为mm,计算公式：,(mm),式中：,工件待加工面的直径（mm）。,工件加工表面的直径（mm）。,例题2-3：已知毛坯直径为60mm，一次进刀车到55mm，求切削深度,解：,（mm）,2.2.2 金属切削刀具,1.刀具的分类,金属切削刀具有多种形式和结构，根据用途和加工方法不同，有如 下几种分类方法。,按加工方法分：车刀、铣刀、刨刀、钻头、铰刀、镗刀、拉刀、丝锥板 牙、齿轮刀具、砂轮等。 按结构方式分：整体式刀具、焊接式刀具、机械夹固式刀具。 按刀具的刀刃数目分：单刃刀具、双刃刀具、多刃刀具。 按加工表面分：外圆表面加工刀具、内圆表面加工刀具、平面加工刀具、 螺纹刀具、成形刀具、齿轮刀具。 按刀片使用后是否重磨分：机夹重磨式和机夹可转位式（不重磨）两种刀具。 按刀具切削部分的材料分：工具钢刀具、高速钢刀具、硬质合金刀具等。,刀具为了切除工件上多余的金属层，并获得符合要求的工件形状、尺寸及精度，必须具备一定结构、形状及几何角度的要求。刀具的结构一般由切削部分、导向部分和夹持部分等三部分组成。,2.2.2 金属切削刀具,（1）切削部分：以外圆车刀为例， 切削部分一般由三面二刃一尖组成。,2.刀具的组成,外圆车刀的组成,（2）导向部分：具有导向部分（ 如麻花钻、饺刀、立铣刀等）的刀 具一般用于内孔、构槽和内螺纹加工。,（3）夹持部分：用来把刀具装夹在 刀架或套筒内，以便将机床的动力传给 刀具。,2.2.2 金属切削刀具,3.刀具材料,（1）刀具材料的性能要求,切削加工中，刀具的表面与工件表面和切屑产生强烈的摩擦和挤压，在这种情况下工作的刀具必须承受很大的切削力和很高的切削温度（有时高达900 1000C）。因此，刀具材料应具备以下基本要求：,高的硬度和耐磨性,足够的强度和韧性,高的耐热性,良好的工艺性能,2.2.2 金属切削刀具,3.刀具材料,（2）常用刀具材料的种类,2.2.2 金属切削刀具,4. 刀具几何角度,（1）静止参考系,所谓刀具静止参考系，是指在不考虑车刀进给运动，并且规定刀尖的安装 位置与工件轴线等高的简化条件下的参考系。,刀具静止参考系的主要坐标平面有基面、切削平面和正交面。,注： 此三个平面构成一空间直角坐标系，即刀具静止参考系。,（2）刀具几何角度,4. 刀具几何角度,2.2.2 金属切削刀具,刀具的基本几何角度有六个，即前角 、后角 、主偏角 、副偏角 ， 和刃倾角 、副后角 。两个派生角：楔角 和刀尖角 。,车刀几何角度,2.2.2 金属切削刀具,4. 刀具几何角度,（2）刀具几何角度,前角,在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角为前角。,前角正、负的规定,前角正、负规定。,前角角度的作用：,前角对切屑变形、切削力、切削热和刀具强度 均有较大的影响。,前角的大小还影响断屑效果。,前角对加工质量的影响。,2.2.2 金属切削刀具,4. 刀具几何角度,（2）刀具几何角度,后角,在正交平面内测量的后刀面与切削平面之间的夹角为后角。,后角的作用：,减小后刀面与工件表面之间的摩擦，并与前角配合调整刀刃部分的锐利与强固程度。,当前角一定时，加大后角，可使后刀面的摩擦减轻，但刀刃强度降低；,反之，摩擦增大，刀刃部分强度增加，常取,后角的大小对刀具耐用度有影响。后角过大，使刀刃强度和散热体积降 低，使切削温度升高，加快刀具的磨损；后角过小，刀具后刀面摩擦增加， 磨损加快，因此，过大和过小的后角都会使刀具耐用度降低。,2.2.2 金属切削刀具,4. 刀具几何角度,（2）刀具几何角度,主偏角,在基面内测量的切削平面与假定工作平面间的夹角为主偏角。,主偏角作用：,主偏角减小，刀尖部分的强度增加，散热条件较好；,主偏角影响断屑效果；,主偏角影响切削力。,主偏角对切削厚度与宽度的影响,2.2.2 金属切削刀具,4. 刀具几何角度,（2）刀具几何角度,副主偏角,在基面内测量的副切削刃与假定工作平面间的夹角为副偏角。,副主偏角作用：,减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，减少切削振动。,副偏角的大小影响工件已加工表面残留面积的大小，进而影响已加工表面 的粗糙度Ra值。副偏角一般在 515,副偏角对表面粗糙度Ra的影响,2.2.2 金属切削刀具,4. 刀具几何角度,（2）刀具几何角度,刃倾角,在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角为刃倾角，表示主切 削刃对基面的倾斜程度。,不同刃倾角的偏刀及对切屑流向的作用：,切削刃对切屑流向的影响,2.2.3 金属切削过程基本规律,金属的切削过程，从宏观上讲，就是在由机床提供的运动和动力条件下， 用刀具切除工件上一层金属，从而获得所需形状尺寸、表面质量均符合要求 的工件的过程。从微观上讲，也是工件上被切削的金属层在刀具切削刃的切 削和前刀面的推挤作用下，产生弹性变形、塑性变形、剪切滑移而变成切屑 的过程。,1.切削层及其参数,切削层是指工件加工时，正在被刀刃切削的那一层金属。,切削层参数,2.2.3 金属切削过程基本规律,1.切削层及其参数,切削厚度,过切削刃上选定点，在基面内测量的垂直于加工表面的切削层尺寸 （单位mm）。它与主偏角 的关系式：,切削宽度,过切削刃上选定点，在基面内测量的平行于加工表面的切削层尺寸 （单位mm）。它与主偏角 的关系：,切削面积,过切削刃上选定点，在基面内测量的切削层的横截面面积（单位mm2）。,2.2.3 金属切削过程基本规律,2.切削的变形及切屑的形成,金属的切削过程实际上是一种挤压变形，产生切屑的过程。,在金属切削过程中，工件上切削层金属在刀具刀刃的切削及前刀面的强烈 推挤和摩擦的情况下，经过弹性变形、塑性变形、剪切和滑移变形，逐渐与母 体分离而形成切屑。由于工件材料、刀具的角度及切削用量不同，切削下来的 金属切屑类型、形状也不一样。,挤压变形,切削变形,2.2.3 金属切削过程基本规律,2.切削的变形及切屑的形成,（1）切屑种类,切屑的类型,2.2.3 金属切削过程基本规律,2.切削的变形及切屑的形成,（2）切屑形状的控制,切屑控制是指切屑在加工过程中采取适当的措施来控制切屑的卷屑、 流出与折断，以形成可接受的良好屑形。,实际切屑控制方法：在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑槽。,（3）积屑瘤,在一定的条件下，切削塑性金属时，刀尖附近贴着一小块硬度较高的金属。,积屑瘤,积屑瘤的形成条件：,中等切削速度，切削塑韧性金属材料,积屑瘤对切削过程的影响：, 保护刀具, 增大前角, 影响质量,仰制或消除积屑瘤产生的方法：, 控制切削速度, 润滑性能好的切削液, 增大刀具前角, 提高工件材料的硬度,2.切削的变形及切屑的形成,（3）表面加工硬化,金属经过切削加工后其表面强度、硬度都要提高，但塑性下降， 这种现象叫做加工硬化，简称冷硬现象。,2.2.3 金属切削过程基本规律,产生冷硬现象的原因:是因为金属材料在加工过程中的塑性变形造成的。,缺点：加工硬化给下一工序的加工造成困难，增加刀具的磨损，还影响 工件的表面质量，工件表面材料性能降低。,优点：在抑制残余应力，特别是细微裂纹的条件下，利用滚压加工产生加 工硬化，可使已加工表面的硬度、强度和耐磨性提高。,2.2.3 金属切削过程基本规律,3. 切削力和切削功率,切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损、刀具耐 用度、加工精度和已加工表面质量。,切削过程中工件作用在刀具上的切削抗力称为切削力。,切削力的来源,一是克服被加工材料对弹性变形的抗力；,二是克服被加工材料对塑性变形的抗力；,三是克服切屑对刀具前刀面的摩擦力，以及刀具后刀面对加工表面和 已加工表面之间的摩擦力。,切削力的来源,2.2.3 金属切削过程基本规律,3. 切削力和切削功率,切削力的合成与分解,为了便于测量和应用，总合力 可分解为三个互相垂直的分力。,主切削力 它垂直于基面，与切削速度 的方向一致,吃刀抗力 它在基面内，并与进给方向垂直。,走刀抗力 它也在基面内，并与进给方向平行。,切削力的分解,车削外圆时， 不消耗功，但 能使工件变形造成振动，对加工精 度和表面粗糙度影响较大。 作用 在进给机构上，在设计或校核进给 机构强度时要用到它。,即：,2.2.3 金属切削过程基本规律,3. 切削力和切削功率,切削功率,功率是力与其作用方向上速度的乘积，切削功率是三个切削分力消 耗功率的总和。,车削外圆时， 方向的运动速度就是切削速度 ， 方向的运动速度 为零， 方向的运动速度是转速 和进给量 的乘积。因此，切削功率 的计算式为：,注意： 所消耗的功率与 消耗的功率相比是很小的，可以忽略不计。 因此，切削功率一般只需要按主切削力来计算就可以了。,即：,2.2.3 金属切削过程基本规律,4. 切削热和切削温度,切削过程中，刀具要从工件上切除多余的金属层，就必然要做功，这 些功绝大部分变为热能，这就是切削热。,切削热的来源：,一是切削层金属发生弹性变形和塑性变形，另外两个是切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的摩擦功,切削热传散的比例,车削加工时，5086%的热量被切屑带走，4010传入工件，93传入车刀，1%左右传入空气； 钻削加工时，28%的热量被切屑带走，14.5传入工件，52%传入钻头，5传入周围介质。,注：切削温度的高低，取决于切削时产生热量的多少以及散热条件的好坏。,2.2.4 刀具磨损与刀具耐用度,1. 刀具磨损的形式,正常磨损主要包括：前刀面磨损、后刀面磨损和前后刀面同时磨损。,前刀面磨损原因：,后刀面磨损原因：,切削塑性金属、使用大切削速度和大切削厚度且切屑从前刀面流出。,刀具后刀面与加工表面摩擦而产生的磨损。,前后刀面同时磨损原因：,采用中等切削速度和中等进给量切削塑性金属时常出现的磨损。,非正常磨损（破损）主要包括：脆性破损 和塑性破损,脆性破损是指在切削刃或刀面上产生的裂纹、崩刃、碎裂或剥落。,塑性破损是在高温和高压的作用，切削刃或刀面上产生塌陷或隆起的 塑性变形现象,2.2.4 刀
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