教学培训讲座PPT金属切削的基础知识.pptx

金属工艺学,184729980|huangbo74 黄博,规格严格、功夫到家,课程体系,讲授金属零件工艺方法的技术基础课。 热加工，是在较高的温度下将金属软化或熔化处理后再冷却至常温的成形技术（再结晶温度） 对金属进行加热和冷却的过程可人为干预或控制，称为热处理。热加工常见的分类有：凝固成形（铸造）、连接技术（焊接）、塑性成形（锻造和冲压）。 热加工成形过程中，模具起着极其重要的作用，从而又衍生出了模具设计和加工技术。 冷加工，通常指金属的切削加工： 即用切削工具从金属材料（毛坯）或工件上切除多余的金属层，从而使工件获得一定形状、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。 车、铣、刨、磨、镗、拉、钻和插及钳工等加工方法。,切削加工（下册的内容含7部分）,切削基础知识 切削机床基础 常用切削加工方法 精密加工与特种加工方法 典型表面加工分析 工艺过程的基本知识 零件结构的工艺性,1 金属切削基础知识,切削运动及切削要素 刀具材料及刀具构造 金属的切削过程 切削加工技术经济简析,切削,切削加工： 使用切削工具（刀具、磨具和磨料等），通过工具和工件的相对运动，切除工件上的多余材料层，使工件获得规定的几何参数（形状、尺寸、位置）和表面质量的加工方法。 切削加工分为： 机械加工 车、钻、铣、刨、磨、拉、等等 钳工 工人手持工具进行加工，有錾、锯、锉、刮、研、攻丝、钻、铰、套扣等。,1.1 切削运动及切削要素,表面的形成 表面形状很多种，但主要由以下几种组成： 外圆面； 内圆面（孔） 平面（内外） 成形面（较为复杂，如齿轮或更复杂三维面） 分析这些面的构成方式，可见其切削运动的构成及要求。,1.1 切削运动及切削要素,1主运动主要完成切削的运动，消耗功率最多， 一种加工主运动只有一个。 2进给运动使切削加工保持连续进行，一种加工可以有一种（或以上）的 进给运动。进给运动可以是连续的也可以是间歇的） 实际的切削运动是一个合成运动。 合成切削速度是主运动速度与进给运动速度的矢量和,合成切削运动（附图）,1.1 切削运动及切削要素,切削用量：切削速度、进给量、背吃刀量,1.1 切削运动及切削要素,二、切削用量 1. 切削速度 vc 选定点的主运动速度（m/s或m/min）,车削时一般算工件最大切削直径处的线速度。 2进给量f刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，车削时为（mm/r）；刨削时为（mm/str），其他切削加工也可以用进给速度 （mm/s、mm/min、m/min），和每齿进给量（mm/z）来衡量。 3、背吃刀量ap（切削深度） 垂直与进给速度方向测量的切削层最大尺寸（mm）。,切削层参数 切削层：切削过程中，由刀具切削部分的一个单一动作（如车削时：工件转一圈，车刀主切削刃移动一段距离）所切除的工件材料层。 切削层公称横截面积 切削层公称宽度 切削层公称厚度,1.1 切削运动及切削要素,1.2 刀具材料及刀具结构,刀具由夹持部分和切削部分组成。 夹持部分：保证刀具正确的工作位置，传递运动和动力，夹持可靠，装卸方便； 切削部分：取决于材料、角度、结构,一、刀具材料 1.对刀具材料的基本要求 （1）高硬度 刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般其常温硬度要求在62hrc以上。 （2）足够的强度和韧度 以承受很大的切削力、冲击与振动。图13 常用刀具材料的耐热性 （3）高耐磨性 以抵抗切削过程中的剧烈磨损，保持刀刃锋利。一般情况，材料的硬度愈高，耐磨性愈好。 （4）高的耐热性 刀具材料应在高温下仍能保持较高硬度，又称为红硬性或热硬性。（常用刀具材料的耐热性见图13，耐热性是衡量刀具材料性能的主要指标，它基本上决定了刀具允许的切削速度。） （5）良好的工艺性 以便于刀具制造，具体包括锻造、轧制、焊接、切削加工、磨削加工和热处理性能等。,图13常用刀具材料的耐热性,1.2 刀具材料及刀具结构,1.2 刀具材料及刀具结构,3其他新型刀具材料简介 高硬度、高强度、高韧性、高耐热性等难加工材料的不断增多，要求刀具材料也不断改进与创新，而且新材料的引入和原有材料的改进是刀具改革的根本方向。 （1）高速钢的改进 （2）硬质合金的改进 （3）人造金刚石 （4）立方氮化硼（cbn）,1.2 刀具材料及刀具结构,刀具角度：各种刀具的单个刀齿皆类似车刀,1.2 刀具材料及刀具结构,1.刀具切削部分的组成,三个刀面、两个刀刃、一个尖,1.2 刀具材料及刀具结构,1.刀具切削部分的组成,三个刀面：,：刀具上切屑流过的表面 ：与过渡表面相对的表面，同前刀面相交形成主切削刃 ：与已加工表面相对，同前刀面相交形成副切削刃,两个刀刃：,：切出过渡表面的切削刃 ：前刀面与副后面相交形成的切削刃,：主切削刃与副切削刃的连接处,(1)前刀面 (2)主后刀面 (3)副后刀面,(1)主切削刃 (2)副切削刃,一个尖：刀尖,1.2 刀具材料及刀具结构,2.车刀切削部分的主要角度,(1).辅助平面,1.2 刀具材料及刀具结构, 基面pr： 通过主切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面 主切削平面ps： 通过主切削刃选定点，与主切削刃相切并垂直于基面 副切削平面ps： 通过副切削刃选定点，与副切削刃相切并垂直于基面 正交平面po ： 通过主切削刃选定点，同时垂直于基面和主切削平面 假定工作平面pf ： 通过主切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向,2.车刀切削部分的主要角度,(1).辅助平面, 基面pr 主切削平面ps 副切削平面ps 正交平面po 假定工作平面pf,1.2 刀具材料及刀具结构,2.车刀切削部分的主要角度,(1).辅助平面, 基面pr 主切削平面ps 副切削平面ps 正交平面po 假定工作平面pf,1.2 刀具材料及刀具结构,2.车刀切削部分的主要角度,(1).辅助平面, 基面pr，主切削平面ps，副切削平面ps， 正交平面po，假定工作平面pf,1.2 刀具材料及刀具结构,2.车刀切削部分的主要角度,(2).标注角度 在基面pr内标注的角度 .主偏角kr:主切削平面与假定工作平面间夹角，即主切削刃在基面上的投影与进给方向间夹角（4090）。 .副偏角kr:副切削平面与假定工作平面间夹角，即副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间夹角。,1.2 刀具材料及刀具结构,2.车刀切削部分的主要角度,主偏角kr、副偏角kr 越大，残留面积越大,1.2 刀具材料及刀具结构,主偏角kr、越大，进给抗力越大，切深抗力越小,1.2 刀具材料及刀具结构,1.2 刀具材料及刀具结构,2.车刀切削部分的主要角度,1.1刀具的几何形状及刀具材料,(2).标注角度 在正交平面po标注的角度,.前角o:前刀面与 基面间夹角（015）。,.后角o :主后刀面 与主切削平面间夹角（612）,1.2 刀具材料及刀具结构,1.2 刀具材料及刀具结构,前角越大，刀越锋利、切削轻快， 强度下降、不利散热,减小主后刀面与加工表面的摩擦,1.2 刀具材料及刀具结构,在主切削平面ps标注的角度,刃倾角s:主切削刃与基面间夹角（-5+5）。,选择刀具几何角度时，应遵循“锐字当先，锐中求固”原则。即将刀具锋利放在第一位，同时保证刀具有一定的强固。国内外先进刀具在角度的变革方面，大致有“三大一小”趋势，即采用大的前角、刃倾角和主偏角，采用小后角。,1.2 刀具材料及刀具结构,银白屑车刀： 1）采用90度主偏角，以减少背向力，使工件变形减少； 2）前角大（15-30），切削力小，3-4mm卷屑槽； 3）主切削刃上磨有0.1-0.15mm倒棱，以增加主切削刃强度； 4）刃倾角+3度，向待加工表面排屑,（3）车刀的工作角度是在工作参考系中定义的角度。 刀尖安装高低的影响 车外圆时若刀尖高于工件的回转轴线 （图110a），则工作前角工作后角；若刀尖低时（图110c）则反之。 刀杆中心线安装偏斜的影响 当刀杆中心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（图111）。图112 横向进给对前角和后角的影响 进给运动对工作角度的影响 通常进给量不大时，角度的变化常可忽略，但在快速切断和车丝杆、蜗杆和多头螺纹时，必须考虑进给运动对工作角度的变化。,1.2 刀具材料及刀具结构,三、刀具结构 车刀按结构分类，有整体式、焊接式、机夹式和可转位式四种型式（见图）。,表12 车刀结构类型、特点与用途,1.2 刀具材料及刀具结构,1.3 金属切削过程,1.2金属切削过程及伴生的物理现象,切削过程有许多物理现象： 切削力； 切削热； 刀具磨损； 加工表面质量等。 都以切屑形成过程为基础。 振动、卷屑、断屑等都与切削过程密切相关！,屈服点,断裂强度,1.3 金属切削过程,（1）第一变形区： 剪切滑移 ao始滑移面，mo终滑移面,（2）第二变形区： 纤维化 切削与刀具前刀面挤压摩擦变形,（3）第三变形区： 纤维化与加工硬化 已加工表面与切削刃钝圆部分 及后刀面摩擦,一、切削过程及切屑种类 三个变形区,1.3 金属切削过程,切屑收缩： 经过塑性变形的切屑，厚度hch大于切削层公称厚度，长度相应小。,切屑厚度压缩比反映了切屑变形程度的大小，对切削力、切削温度和表面粗糙度有重要影响。 压缩比愈大，切削力越大、温度越高、表面越粗糙。 措施： 中低速切削可增大前角以减小变形； 工件适当热处理，降低塑性，减小变形,带状切屑,粒状切屑,崩碎切屑,1.3 金属切削过程,粗糙,较粗糙,较光洁,表面质量ra,波动大、振动,波动更大,有波动,平稳波动小,切削力,弹性变形崩碎,典型切削过程,脆性材料 铸铁、黄铜,同,中等硬度 (中碳钢),塑性好,工件材料,再大,较大,小,f、ap,再减小,小,大,o,再降低,较低,高,vc,崩碎切屑,粒状切屑,节状切屑,带状切屑,1.3 金属切削过程,1.3 金属切削过程,积屑瘤 一定切削速度范围下切削塑性金属时，常发现在刀具前面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的金属，这就是积屑瘤。 形成 滞流层，反复进行。 对加工的影响 硬，可代替切削刃，起保护作用； 存在，增大刀具实际工作前角，切削轻快；粗加工希望产生； 影响尺寸精度和表面粗糙度。 控制 塑性越大，越易产生 工件材料力学性能、切削速度、冷却润滑条件等。,3.影响积屑瘤的因素及控制方法,主要的影响因素,切削速度 （切中碳钢） 100 m/min不形成,冷却润滑条件 300500oc最易产生 500oc趋于消失,降低塑性,低速或高速,选用切削液,控制措施,工件材料,塑性越大，越易产生,1.3 金属切削过程,1.切削力的产生及切削分力 （2）切削力的分解 三个分力： 切削力 fc 进给力ff 背向力fp 总切削力：f,1.3 金属切削过程,切削力的估算 工件材料、切削用量、刀具角度、切削液、刀具材料等影响。,1.3 金属切削过程,四、切削热,1.切削热的产生、传散及其对加工方法的影响,（1）产生及传散,（2）对加工的影响,产生：三个变形区,传散： 切屑50%-86% 工件40%-10% 刀具9%-3% 温度可达1000度以上； 周围介质 1%,四、切削热,2.切削温度、影响切削温度的因素,（1）切削温度:刀具表面上与切屑和工件接触处的平均温度,（2）影响因素,例：车削钢材时,-切削温度 c-常数,四、切削热,3.切削液,（1）种类,（2）作用,冷却 润滑,水基切削液 油基切削液,五、加工硬化与残余应力,1.加工硬化的产生及其影响 加工硬化：切削塑性材料时，由于刀具的挤压和摩擦作用，使得工件已加工表面的硬度比加工前有明显提高，塑性下降,2.残余应力的产生及其影响,六、刀具的磨损及刀具的耐用度,1.磨损形式：磨损过程经历哪几个阶段？（图1-26）,（1）前刀面磨损 （2）后刀面磨损 （3）前后刀面同时磨损,(通常以后刀面磨损值vb表示刀具磨损程度),六、刀具的磨损及刀具的耐用度,3.刀具耐用度,（1）刀具耐用度t、刀具寿命,（2）影响刀具耐用度的因素 例：硬质合金车削b=735mpa碳素结构钢 如： 硬质合金焊接车刀耐用度约为60min 高速钢钻头耐用度约为80-120min 硬质合金端铣刀耐用度约为120-180min 齿轮刀具耐用度约为200-300min,刀具耐用度：刃磨锋利以后，自开始切削到磨钝为止，实际切削工作时间,刀具寿命：新刀从第一次切削开始，经多次刃磨切削到不能再刃磨使用，实际切削工作时间总和,1.4 切削加工技术经济分析,技术与经济是社会进行物质生产的二个方面，它们是既联系密切、又互相制约、互相促进的两个不同范畴。 评价一个方案的好与不好，往往要用技术经济效果e这个指标来衡量。 技术经济效果e： 实施技术方案时，输出的使用价值v（效果）与输入的劳动耗费c之比值： 使用价值v是指生产活动制造出来的劳动成果，包括质量与数量。 劳动耗费c是指生产过程中占用的劳动量、材料、动力、工具、设备等。,1.4 切削加工技术经济分析,切削加工中，主要的技术经济指标：产品质量、生产率、经济性。 1产品质量：包括零件加工后的精度和表面质量。 精度：尺寸精度、形状精度、位置精度 表面质量：表面粗糙度、表面加工硬化程度及深度，表面残余应力的性质、大小。 1）精度：零件加工后的尺寸、形状等实际值与绝对准确的理论值之间差异程度。 尺寸精度： 零件表面本身的尺寸精度或表面间的尺寸精度，用尺寸公差表示。 标准公差分20级，it01，it0，it1，it18 其中it01it13 为配合公差，其余为非配合公差 形状精度零件表面与理论表面之间在形状上接近的程度，称为形状精度。如圆柱度、圆度、平面度。 3零件表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理论位置接近的程度，称为位置精度。如同轴度、平行度、垂直度等。 形状公差和位置公差一般称为形位公差。,1.4 切削加工技术经济分析,选用加工精度的原则： 在加工过程中，影响加工精度的因素很多，同一种加工方法，不同的人操作，其加工精度也有差别。 通常说某种加工方法可以达到的加工精度是指使用普通机床，在正常操作下可以达到的精度，称为经济精度。 在设计零件加工精度时，应根据零件尺寸的重要性和本厂的具体条件合理选择，即在保证技术要求的前提下，选用较低的精度等级。,1.4 切削加工技术经济分析,1.4 切削加工技术经济分析,2）表面质量： 是指已加工零件表面质量， 包括表面粗糙度、表层加工硬化程度及深度，表层残余应力面性质和大小等。 表面粗糙度： 已加工表面上具有较小间距和微小峰谷的不平度，称为加工表面的粗糙度。 零件间的配合性质，耐磨性和耐腐蚀性与表面粗糙度有密切关系，它将直接影响产品的使用寿命和使用性能。 根据gbt 13011995标准，表面粗糙度等级分14个级别： 表面粗糙度选用原则：零件表面尺寸精度越高，其形状精度位置精度也越高，表面粗糙度的值越小。 加工硬化： 在切削力作用下，工件表面材料受前刀面和后刀面的挤压摩擦，表层晶粒发生很大变形扭曲，造成工件表层材料的硬度比原硬度高，称为加工硬化。由于加工硬化常常伴随着表面裂纹，会使材料的疲劳强度和耐磨性下降。 表层残余应力： 在切削力和切削热的作用下，在一定深度的表层金属里，常常存在残余应力，甚至裂纹，应力的不均匀分布会造成工件变形，降低尺寸精度和形位精度等。 对于重要零件，除控制其表面粗糙度外，还应控制其加工硬化的程度和深度，以及表层残余应力的性质（正应力，负应力）和大小。消除加工硬化和残余应力的方法，除了控制切削工艺参数外，通常采用热处理方法解决。 2生产率：,1.4 切削加工技术经济分析,2生产率： 生产率：单位时间内生产零件的数量表示生产率，即 r0:生产率 tw：生产一个零件所需的总时间。 在机床上加工一个零件所用的时间应包括三个部分，即基本工艺时间、辅助时间、其他时间，即 基本工艺时间 ：加工一个零件所需的总切削时间; 辅助时间 及其他时间 主要途径如下： 1）减小加工余量 2）合理地选择切削用量，粗加工时可采用强力切削（较大切削深度和进给量），精加工时采用高速切削 3）采用先进和自动化程度较高的工、夹、量具 4）采用先进的机床设备及自动化控制系统，例如在大批大量生产中采用自动化机床，多品种、小批生产中采用数控机床、计算机辅助制造等。,车削外圆表面的基本工艺时间的计算,零件加工总长度： l = lw + l1 + l2 进给速度 : 切削次数： 转速：,1.4 切削加工技术经济分析,切削加工方案应使产品在保证其使用要求的前提下制造成本最低。 产品制造成本应包括所有消耗费用的总和，即原材料费用、工资费用、设备费用（维护、保养、折旧）、工卡量具刀具费用和企业管理费用等。 一个零件切削加工的费用应包括工时成本和刀具成本两部分： 因此，提高产品的经济性的具体途径： 减少 ，可提高生产率ro 节约全厂开支，降低全厂的工时费用 降低刀具成本和提高刃具的耐用度 总之：加强企业管理，提高生产效率是降低产品制造成本的关键。,1.4 切削加工技术经济分析,二、切削用量的合理选择： 1切削用量对加工质量的影响 1) ap 增大 ,f 增大,则切削力增大，工件变形大，冲击振动大, 精度和ra下降。 2) f 增大，表面更加粗糙 3)vc增大，则对切削力影响不大，可防止积屑瘤，但切削热增加，刀具磨损加快，加工硬化和表面残余应力增大。 因此，采用低ap, 低f, 高vc，有利于表面质量的提高（精加工）。,1.4 切削加工技术经济分析,二、切削用量的合理选择： 2切削用量对生产率的影响 切削用量对基本工艺时间的影响是相同的 切削用量对辅助时间的影响大不相同 3.切削用量对刀具耐用度的影响：,1.4 切削加工技术经济分析,切削用量的合理选择,总之： 1. 切削用量的选择顺序，首先选尽可能大的ap，其次选尽可能大的f，最后选尽可能大的vc 2. 粗、精加工时切削用量的选择 一般粗加工时：取较大的ap和f， vc不太高； 精加工时：取较小的ap和f，较高的vc。