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切削加工,铜陵松宝智能装备股份有限公司 技术部 2018.1,前言,切削加工课程所涵盖的内容比较广泛、知识点较多，属于基础提高型课程，在零件设计时要考虑零件的加工性特点，要对零件进行优化设计，具有切合实际的参考价值。,一、基本概念,用切削工具（包括刀具、磨具和磨料）把坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。切削加工时，工件的已加工表面是依靠切削工具和工件作相对运动来获得的。 是用去除材料方式获得的表面或成型，所以表面粗糙度标注格式是： 如：,1、切削运动（表面成型运动） 切削加工是靠刀具和工件之间的相对运动来实现的。刀具和工件之间的相对运动叫切削运动。 （1）主运动：是切除工件表面多余材料的基本运动，在切削运动中通常线速度最高，所消耗的功率也最多。例如车削时工件的旋转运动；钻削时刀具的旋转运动等都属于主运动。 （2）进给运动：是使工件未被切除的多余材料不断被切除的运动，又称走刀运动。例如，车削外圆时车刀的纵向移动；钻孔时钻头的轴向移动；铣平面时工件的纵向移动等都属于进给运动。 （3）辅助运动：机床除上述运动外，其它运动均称为辅助运动。如：进刀运动、退刀运动、分度运动、工作台的升降。,2、切削要素 切削要素指切削用量和切削层几何参数。切削加工时在工件上形成三个表面：待加工面，是工件上等待切除一层材料的表面；已加工表面，是工件上经切削后产生的表面；加工面，正被刀具切削的表面，它是待加工面和已加工表面之间的过渡面。,（1）切削用量 切削用量包括切削速度、进给量、与切削深度。切削加工，这三者缺一不可，故又称为切削用量三要素。,切削速度：单位时间内工件与刀具沿主运动方向的相对位移。 进给量：指刀具在进给运动方向上相对工件移动的距离。可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表示。例如，车削时进给量为工件每转刀具沿进给方向的位移量。 切削深度：指待加工表面与已加工表面的垂直距离。例如车削外圆时切削深度是待加工表面与已加工表面的半径差。,（2）切削层几何参数 切削层几何参数包括切削宽度、切削厚度和切削面积。它比进给量、切削深度更能直观地反映，切削刃单位长度负荷以及切削刃工作长度的变化。 切削宽度： 沿刀具主切削刃所量得的切削层尺寸，即切削刃参与切削工作的长度； 切削厚度：刀具或工件每移动一个进给量后，刀具主切削刃相邻两个位置间的垂直距离； 切削面积： 切削层的横截面面积。,二、切削加工分类 1.按工艺特征分类 切削加工一般可分为：车削、铣削、钻削、镗削、铰削、刨削、插削、拉削、锯切、磨削、研磨、珩磨、超精加工、抛光、齿轮加工、蜗轮加工、螺纹加工、超精密加工、钳工和刮削等。 即通常我们所俗称的车、铣、刨、磨、钳。广义上的钳工所掌握的技能要求比较多，因此有着“万能的钳工”的美誉。,2.按材料切除率和加工精度区分 （1）粗加工：用大的切削深度，经一次或少数几次走刀从工件上切去大部分或全部加工余量，如粗车、粗刨、粗铣、钻削和锯切等，粗加工加工效率高而加工精度较低，一般用作预先加工，有时也可作最终加工。 （2）半精加工：一般作为粗加工与精加工之间的中间工序，但对工件上精度和表面粗糙度要求不高的部位，也可以作为最终加工。 （3）精加工：用精细切削的方式使加工表面达到较高的精度和表面质量，如精车、精刨、精铰、精磨等。精加工一般是最终加工。,（4）精整加工：在精加工后进行，其目的是为了获得更小的表面粗糙度，并稍微提高精度。精整加工的加工余量小，如珩磨、研磨、超精磨削和超精加工等。 （5）修饰加工：目的是为了减小表面粗糙度，以提高防蚀、防尘性能和改善外观,而并不要求提高精度,如抛光、砂光等。 （6）超精密加工：航天、激光、电子、核能等尖端技术领域中需要某些特别精密的零件，其精度高达IT4以上，表面粗糙度不大于 Ra 0.01微米。这就需要采取特殊措施进行超精密加工，如镜面车削、镜面磨削、软磨粒机械化学抛光等。,各种切削加工精度和表面粗糙度,3.按表面形成方法区分 切削加工时，工件的已加工表面是依靠切削工具和工件作相对运动来获得的。按表面形成方法，切削加工可分为 3类。 （1）刀尖轨迹法：依靠刀尖相对于工件表面的运动轨迹来获得工件所要求的表面几何形状，如车削外圆、刨削平面、磨削外圆、用靠模车削成形面等。刀尖的运动轨迹取决于机床所提供的切削工具与工件的相对运动。,（2）成形刀具法：简称成形法，用与工件的最终表面轮廓相匹配的成形刀具或成形砂轮等加工出成形面。此时机床的部分成形运动被刀刃的几何形状所代替，如成形车削、成形铣削和成形磨削等。由于成形刀具的制造比较困难,机床-夹具-工件-刀具所形成的工艺系统所能承受的切削力有限，成形法一般只用于加工短的成形面。,（3）展成法：又称滚切法，加工时切削工具与工件作相对展成运动，刀具（或砂轮）和工件的瞬心线相互作纯滚动，两者之间保持确定的速比关系，所获得加工表面就是刀刃在这种运动中的包络面。齿轮加工中的滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿（不包括成形磨齿）等均属展成法加工。,思考：有些切削加工兼有刀尖轨迹法和成形刀具法的特点，如螺纹车削。能否解释？能否其他类似例子。,分为金属材料加工和非金属材料加工。 对于金属是与非金属材料的分类及其特点，我们之前有过培训，这里不再累述。我们重点关注金属材料的切削加工。 非金属材料的切削加工，虽与金属材料的切削类似，但所用刀具、设备和切削用量等各有特点。,3.按所加工对象的材料不同进行区分。,三、提高切削加工质量的途径 切削加工质量主要是指工件的加工精度（包括尺寸、几何形状和各表面间相互位置）和表面质量（包括表面粗糙度、残余应力和表面硬化）。影响切削加工质量的主要因素有机床、刀具、夹具、工件毛坯、工艺方法和加工环境等方面。 要提高切削加工质量，必须对上述各方面采取适当措施：减小机床工作误差，正确选用切削工具，提高毛坯质量，合理安排工艺，改善环境条件。,1.减小机床工作误差 选用具有足够精度和刚度的机床。 采取补偿校正的方法。如在螺纹磨床或滚齿机上，根据事先测得的机床传动链误差加装误差校正装置，以校正机床的传动系统误差。 采用机床夹具来保证加工精度。如利用镗模加工箱体上的孔，使孔距精度由镗模决定而不受机床定位误差的影响。 防止机床热变形对加工精度的影响。 消除机床内部振源和采取隔振措施，以减少振动对加工精度和粗糙度的影响。 提高机床自动化程度。如采用主动测量或自动控制系统，以减少加工过程中的人为误差。,2.正确选用切削工具 采用耐磨性好的刀具，合理选用刀具几何参数，并仔细地研磨刃口，使其光滑而锋利。例如用磨具加工，一般 选用较细、较硬磨粒的磨具，砂轮要正确和及时地修整。,3.提高毛坯质量 工件毛坯要具有均匀的材质和加工余量，同时采用适当的热处理，如时效处理、退火、正火、调质等措施以消减内应力，并改善材料的切削加工性。,4.合理安排工艺 采用合理的工艺程序；正确选用切削用量，以减小切削力和切削热的影响，并防止产生自激振动；选用合适的切削液对切削区进行充分冷却和润滑；选择工件的安装定位基准和夹紧方式时，注意减小安装误差和工件变形。 5.改善环境条件 保持加工环境清洁；对外部振源和热源采取隔离措施；精密加工在恒温、恒湿和防尘的条件下进行。,四、切削刀具,切削刀具主要由刀头和刀体组成，刀头承担切削任务，刀体用来夹持刀头。选择合适的刀具对切削加工极为重要，选择刀具主要考虑材料和角度两个因素。,1、刀具材料 （1） 对刀具材料的要求 较高的硬度：其硬度应高于工件材料的硬度，常温硬度在HRC60以上。 良好的耐磨性：使刀具的工作时间延长，提高生产率。 足够的强度和韧性：以保证对切削抗力、冲击力与振动有足够的承受能力。 高的耐热性：能在高温下维持切削所需的硬度、耐磨性、强度和韧性。 除上述基本切削性能外，还应有良好的工艺性和导热性。,（2）刀具的常用材料 碳素工具钢。有较高的热硬性，耐热温度在220 左右，切削速度约在810m/min之间，但价格低廉，常用来制造形状复杂的低速刀具，如铰刀、丝锥和板牙等。 高速工具钢 。其高温硬度、耐磨性都比碳素工具钢好，耐热温度在560左右，其热处理后的硬度可达到HRC6366，切削速度可达30m/min左右。热处理性能好，有较高的强度和良好的刃磨性，用于制造成形车刀、铣刀、钻头和拉刀等各种机用刀具。目前应用最多的材料是W18Cr4V。,2019/11/17,26,可编辑,硬质合金。是由碳化钨、碳化钛和钴等材料用粉末冶金方法制成的合金。其硬度可达HRA89-92.5（相当于HRC70-75），能耐温度达8501000 ，耐磨性很好。切削速度是高速钢的4-10倍，但抗弯强度仅为高速钢的1/3，怕冲击振动。通常是将硬质合金刀片固定在刀体上使用，目前硬质合金已成为主要的刀具材料之一。,根据GB2075-87，切削用的硬质合金按其排屑形式和加工对象范围。分为三类，分别以字母P、M、K表示。 P-适于加工长切屑的黑色金属，以蓝色作标志。 P类的硬度、耐磨性较高，韧性较差。 M-适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色金属，以黄色作标志。M类的综合性能较好。 K-适于加工短切屑的黑色金属、有色金属合非金属材料，以红色作标志。 K类的韧性较高，硬度、耐磨性略低。,陶瓷材料。主要用于半精加工、精加工高硬度、高强度钢以及冷硬铸铁等材料。如人造金刚石、立方氮化硼等刀具。,2、刀具的几何形状 刀具的几何形状主要指切削部分的几何形状，包括切削部分的组成、辅助平面、切削部分的几何角度等内容。 下面以普通外圆车刀为例加以说明。其它刀具都可看作由车刀演化而来。,车刀切削部分的组成，可以简称为“三面、两刃、一尖”。,前刀面：切屑流出时首先接触的表面。为使切屑卷曲、折断，切削塑性材料时，刀具的前刀面一般磨有断屑槽。前刀 面可为平面，也可为曲面。 主后刀面：切削时，刀具上与工件加工表面相对着的表面。 副后刀面：切削时，刀具上与工件已加工表面相对着的表面。 主切削刃：前刀面与主后刀面的交线，它担负着主要的切削工作。 副切削刃：前刀面与副后刀面的交线，它只担负少量的切削工作。 刀尖：主切削刃和副切削刃的交点。为增强刀尖的强度和耐磨性，刀尖常常修磨成一段很小的直线或圆弧。,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,车刀切削部分的几何角度,前角 后角 楔角o 主偏角Kr 副偏角Kr 刀尖角r 刃倾角s,前角的作用,前角越大：（优点）刀越锋利、切削轻快， （缺点）强度下降、不利散热,后角的作用,减小主后刀面与加工表面的摩擦,刃倾角的作用,刃倾角对切屑排出方向的影响,前低后高,前后一样高,前高后低,五、切削加工之物理现象,在切削加工过程中，伴随着许多物理现象，如滞流、切削力、切削热、刀具磨损等。,1、切屑 切屑是刀具挤压工件使其加工面产生一系列的变形而形成的。一般经过弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段形成切屑。切削脆性材料不经过弹性变形阶段。,切屑的种类,(3)粒状切屑,(1)带状切屑,(2)节状切屑,(4)崩碎切屑,(1)带状切屑 呈连不断的带状或螺旋状，与刀具接触的底层光滑，表面粗糙度较好，被切削材料塑性好，切削力平稳波动小，要采取屑措施。,(2)节状切屑 切削背面呈较大的锯齿状，底面有不贯穿裂纹。表面粗糙度较差，被切削材料中等硬度，切削力大并且有小波动 。,(3)粒状切屑 切削时切应力超过材料的破裂强度，整个单元被切离形成粒状切屑，表面粗糙度差，被切削材料塑性较差，切削力波动大。,(4)崩碎切屑 切削层不经过塑性变形就突然崩裂形成不规则形状的崩碎切屑。表面粗糙度粗糙，被切削材料脆性大，切削力波动大、且震动大。,2、切削力 切削时所产生的刀具与工件之相互作用的力叫切削力。 组成总切削力的其他部分为切削力Fc，进给力Ff，背向力Fp。三对力的合力即为总切削力F，简称为切削力。总切削力作用于刀具上的部位和方向如图所示。,3、切削热 切削加工时所消耗的功几乎全部转化为热能。切削热的主要来源有： （1）内摩擦热：在切削过程中，工件（在切削区）和切屑的弹、塑性变形产生的热。 （2）外摩擦热：切屑与刀具前面、加工表面与刀具后面、已加工表面与刀具副后面之间摩擦所产生的热。 切削热坏处：造成刀具磨损，可能改变工件的金相组织；使工件膨胀变形，影响测量及加工精度。,切削热产生区域,切削液的种类,切削液的作用,冷却 润滑 冲洗 防锈,水基切削液 油基切削液,如何减少切削热：一般来说，所有减小切削力的办法均可减少切削热，但冷却润滑最有效，要合理使用切削液。,4、积屑瘤 在切削过程中，前刀面、刀刃和切屑形成一个小楔形区，这里压力大、温度高，切屑从刀具前刀面流出时切屑底层受前刀面摩擦，使流动速度降低，这层金属称为滞流层。当摩擦阻力大到一定值，就会使切屑底层金属的一小部分粘结到刀具前刀面的切削刃处，形成了积屑瘤。硬度约工件硬度的1.5-2.5倍，粘附在切削刃上增大了前角。积屑瘤不稳定，并容易粘到工件表面上，引起振动，使工件表面粗糙度加大。因此精加工时，应避免产生积屑瘤。,影响积屑瘤的因素及控制方法,（1）主要的影响因素 工件材料：塑性越大，越易产生 切削速度：100m/min不形成 冷却润滑条件：300500oC最易产生 500oC趋于消失,（2）控制措施 降低塑性、选用合适的切削速度、使用切削液。,5、加工硬化 刀具的切削刃有一定的圆弧，使已加工面受到刀具的刃口圆弧的推压和后刀面的挤压、摩擦作用，产生塑性变形，导致表面的硬化。一般硬化层的硬度可达原工件的1-2倍，深度在0.02-0.03mm。这种在切削材料时，已加工的表面硬度增加塑性下降的现象称加工硬化。 加工硬化，会引起工件表面产生细小的裂纹，使工件疲劳强度下降，表面粗糙度增加，同时使工件应力增加。因此，常采取增大刀具的前角，提高切削速度，使用切削液等措施，减少加工硬化。,6、刀具耐用度 刀具的磨损是不