金属切削加工的基础.ppt

第6章 金属切削加工的基础知识 2020 1 25 机械制造技术 1 2020 1 25 机械制造技术 2 第6章金属切削加工的基础知识 主要内容 1 切削运动及切削要素 2 刀具结构 3 金属的切削过程 4 金属切削过程的规律 本章重难点 1 金属切削过程中的各种物理现象 2 刀具角度的标注 2020 1 25 机械制造技术 3 6 1 1 切削运动与工件上形成的表面 2 切削用量要素 3 切削层参数 6 2 1 刀具材料 2 刀具切削部分的几何参数 3 刀具结构 内容介绍 2020 1 25 机械制造技术 4 6 3 1 切削的形成过程及切削的种类 2 切削瘤 3 切削力及切削功率 6 4 2 已加工表面质量 3 切削用量的合理选择 1 金属材料的切削加工性 4 切削热和切削温度 5 刀具的磨损与刀具的耐用度 2020 1 25 机械制造技术 5 金属切削加工是用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除 以获得所要求的尺寸 形状 位置精度和表面质量的加工方法 金属切削加工 钳工 机械加工 加工方法有划线 錾 锯 刮 研 攻螺丝 套螺丝等 通过操作机床来完成切削加工的 如车 钻 刨 磨 齿轮加工等 2020 1 25 机械制造技术 6 6 1 1切削运动与工件上形成的表面机床为实现切削加工所必需具有的刀具与工件间的相对运动 它包括主运动和进给运动 主运动 是指在切削加工中形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动 进给运动 是指在切削加工中 工件的多余材料不断被去除的工作运动 6 1切削运动及切削要素 2020 1 25 机械制造技术 7 待加工表面 指加工时工件上有待切除的表面 已加工表面 指工件上经刀具切削后产生的表面 加工表面 指工件上由刀具切削刃形成的表面 切削加工与表面特征 2020 1 25 机械制造技术 8 2020 1 25 机械制造技术 9 6 1 2切削用量 切削三要素 切削速度 进给量 背吃刀量 指在主运动一个循环内 刀具与工件在进给方向上的相对位移 指在单位时间内工件和刀具沿主运动方向的相对位移 待加工表面到已加工表面间的垂直距离 2020 1 25 机械制造技术 10 注释 1 主运动可以是旋转运动 也可以是往复运动 2 主运动可以是工件来实现 车外圆 主运动也可以是刀具来实现 切断 刨 铣加工 3 主运动只有一个 进给运动可以一个以上 2020 1 25 机械制造技术 11 切削用量切削用量包括 切削速度 进给量和吃刀量三者 1 切削速度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 若主运动为旋转运动 其切削速度一般为最大线速度 Vc dn 1000 主运动为旋转 式中d 工件或刀具直径 mm n 工件或刀具转速 r s或r min 2020 1 25 机械制造技术 12 若主运动为往复直线运动 如刨削 插削 常以平均速度表示切削速度 Vc nr 1000m s或m min式中 往复行程长度 mm nr 主运动每秒或每分钟的往复次数单位 st s或st min 2020 1 25 机械制造技术 13 车削加工内容 2020 1 25 机械制造技术 14 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 其铣 铰削加工也可以用进给速度 mm s 和每齿进给量 mm z 来衡量 其计算公式为 vf fn fzzn 2020 1 25 机械制造技术 15 3 背吃刀量 切削深度 对车削外圆时 ap即为切削深度 是待加工表面和已加工表面之间的垂直距离 即 ap dw dm 2mm 式中 dw 工件待加工表面直径 dm 工件已加工表面直径 2020 1 25 机械制造技术 16 切削用量选择原则 1 背吃刀量的选择粗加工时取较大值 精加工时取小值 2 进给量的选择进给量决定刀具的作用力 粗加工时最大值 精加工时取小值 3 切削速度的选择粗加工时取低速 精加工时取高速 2020 1 25 机械制造技术 17 6 1 3切削层参数 切削厚度 垂直于加工表面度量的切削层尺寸 切削宽度 沿主切削刃度量的切削层尺寸 切削面积 切削层在垂直于切削速度截面内的面积 2020 1 25 机械制造技术 18 不同切削工艺的进给量和背吃刀量 2020 1 25 机械制造技术 19 6 2刀具 6 2 1刀具材料 1 刀具材料应具备的基本性能 较高的冷硬度 其硬度必须高于工件硬度的3 4倍 常温硬度在HRC60以上 硬度愈高 刀具愈耐磨 较好的红硬性 是指高温下仍能保持切削所需的硬度 通常以红硬温度表示 较好的坚韧性 承受振动和冲击的能力 较好的工艺性 便于制造各种刀具 较好的导热性 传热效果好 选刀具材料时由工件材料和切削要求选用合适刀具材料 2020 1 25 机械制造技术 20 2 常用刀具材料的种类与特性碳素工具钢 锉刀 合金工具钢 铣刀 高速钢 切断刀 硬质合金 车刀 陶瓷材料金刚石涂层刀片立方氮化硼 指状铣刀 2020 1 25 机械制造技术 21 2020 1 25 机械制造技术 22 1 碳素工具钢WC 0 7 1 2 如T8A T10A T12A等特点 淬火后硬度高 价廉 但耐热性差 2000C 切削速度不高 韧性不好 工艺 可冷热加工成形 工艺性能良好 磨削性好 需热处理 用途 只作手工刀具 如 锉刀 锯条 2020 1 25 机械制造技术 23 2 合金工具钢代表 9CrSi WCrMn等 特点 热变形小耐热性比碳素工具钢高 工艺 同碳素工具钢一样 工艺性良好 用途 只用于手动或低速机动刀具 如丝锥 板牙 拉刀等 目前高速钢和硬质合金应用最广 陶瓷刀具用于精加工 2020 1 25 机械制造技术 24 3 高速钢 又称锋钢 白钢 W18Cr4V特点 耐热性 硬度和耐磨性比硬质合金低 但抗弯强度和冲击韧性高于硬质合金 而且有切削加工方便 刃磨容易的特点 工艺 冷热加工成形 工艺性能好 可以铸造及热处理 磨削性好 但高钒类较差 用途 广泛制造形状较为复杂的刀具 如麻花钻 铣刀 拉刀 齿轮刀具和成形刀具 有时用来做低速精加工车刀如宽大进给车刀 2020 1 25 机械制造技术 25 4 硬质合金是用具有高耐磨性和耐热性的碳化钨和钴的粉末 在高压下成形 并经15000C的高温烧结而制成的 钴起粘结作用 特点 硬度高 耐磨必性好 耐热性高 切削速度比高速钢高数倍 但强度韧性比高速钢低 工艺 压制烧结后使用 不能冷热加工 多镶片使用 不需热处理 用途 制成刀片后焊接 或机械夹固 在车刀 刨刀的刀体上 车刀刀头大部分采用硬质合金 2020 1 25 机械制造技术 26 硬质合金分类 钨钴类 WC和Co组成YG类 钨钴钛类 WC和TiC及Co组成YT a 钨钴类YG3 YG6 YG8 其中 Y 与 G 分别表示 硬 与 钴 的意思 牌号中数字是含钴量的百分数 含钴量愈高 其承受冲击的能力就愈好 因此 YG8用于粗加工 YG3 YG6用于精加工 半精加工 特点 韧性好 常用来加工脆性材料或冲击性较大的工件 塑性好 但切削塑性材料时 耐磨性差 用途 加工铸铁 青铜 有色金属 等脆性材料 不加工碳钢 钴含量少者较脆较耐磨 2020 1 25 机械制造技术 27 b 钨钴钛类YT5 YT15 YT30 数字为TiC含量的百分率 含TiC量越多 红硬性愈好 但韧性愈小 愈脆 而耐磨性和耐热性愈高 特点 YT类比YG类硬度高 耐热性好 且在切削韧性材料时较耐磨 但韧性较小 不耐冲击 用途 适合加工钢件或韧性较好的塑性材料 不宜加工脆性材料 如铸铁 YT5用于粗加工 YT15T和YT30用于半精加工或精加工 2020 1 25 机械制造技术 28 5 陶瓷材料 主要成分Al2O3 特点 硬度高 耐磨性好 耐热性高 允许用较高的切削速度 但陶瓷性脆怕冲击 切削时易崩刃 所以提高其抗弯强度成为现在研究的重点 改进 加入金属元素 提高其抗弯强度即所谓 金属陶瓷 如 AM AMF AMT AMMMC 多用于连续切削的车刀 硬质合金刀具及陶瓷刀具 2020 1 25 机械制造技术 29 2020 1 25 机械制造技术 30 6 其它新型刀具材料简介 1 高速钢的改进 加入AI可提高硬度和耐热性 HRC70 耐热温度超过6000属高性能钢 2 硬质合金的改进 增添少量TaC NbC提高强度和韧性 耐冲击 或是在硬质合金表面涂一层 i 或TiN以提高表面耐磨性 2020 1 25 机械制造技术 31 3 人造金钢石 加工硬质合金 陶瓷 玻璃 有色金属及其合金 宝石等 4 立方氮化硼 CBN 用作数控刀具 比金刚石更硬更耐热 可以加工铁族材料 但性脆怕冲击 2020 1 25 机械制造技术 32 6 2 2刀具切削部分的几何参数 2020 1 25 机械制造技术 33 1 刀具切削部分的组成要素刀杆 起夹持作用刀头 三面 前刀面 切屑流过的表面主后刀面 刀具上与加工表面相对的表面副后刀面 刀具上与已加工表面相对的表面 两刃 主切削刃 刀具上前刀面与主后刀面的交线副切削刃 刀具上前刀面与副后刀面的交线 一尖 主切削刃与副切削刃的交点 2020 1 25 机械制造技术 34 2020 1 25 机械制造技术 35 车刀切削角度的坐标平面 基面 切削平面 正交平面 通过主切削刃上的某一点 与主运动方向相垂直的平面 通过主切削刃上的某一点 于加工表面相切并垂直于基面的平面 通过主切削刃上的某一点 并同时垂直于基面和切削平面的平面 2020 1 25 机械制造技术 36 刀具静止参考系 2020 1 25 机械制造技术 37 2020 1 25 机械制造技术 38 3 刀具的标注角度 正交平面内测量 前角 后角 主偏角 副偏角 主切削刃与进给方向间的夹角 前刀面与基面间的夹角 主后刀面与切削平面间的夹角 负切削刃与进给方向的夹角 主切削平面内测量 刃倾角 主切削刃与基面间的夹角 基面中测量 2020 1 25 机械制造技术 39 前角 0 前刀面与基面间的夹角前角大 刃口锋利 切屑变小 切削力小 切削轻快 但易产生崩刃 后角 0 主后刀面与切削平面间的夹角增大后角可减少摩擦 提高工件加工质量和刀具耐用度 并使切削刃锋利 2020 1 25 机械制造技术 40 主偏角 r 主切削刃与进给方向间的夹角影响切削层的形状 切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷 减少 r 主切削刃单位长度上的负荷减少 刀具磨损小 耐用 副偏角 r 副切削刃与进给方向间的夹角影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度 减少 r 减少表面的粗糙度的数值 还可提高刀具强度 过小 会使副切削刃与已加工面的摩擦增加 引起震动 降低表面质量 2020 1 25 机械制造技术 41 主偏角 副偏角对残留面积的影响 2020 1 25 机械制造技术 42 注意 车外圆与车端面主 副偏角的变化 2020 1 25 机械制造技术 43 2020 1 25 机械制造技术 44 刀具的工作角度 车外圆时车刀安装的高低 对前角 后角有影响 车外圆时车刀安装的偏斜 对主偏角 副偏角有影响 2020 1 25 机械制造技术 45 6 2 3 刀具结构 刀具的结构形式 整体式 焊接式 机夹不重磨式 多为高速钢车刀 其结构简单 制造 使用都方便 不需焊接和刃磨 避免了焊接和刃磨引起的缺陷 保持了硬质合金的原有性能 提高了刀具的耐用度 结构简单 紧凑 刚性好 可磨出各种所需角度 应用广泛 2020 1 25 机械制造技术 46 常见刀具的结构形式 2020 1 25 机械制造技术 47 其特点 节省换刀 调刀的时间 提高加工效率 节省刀体材料 可转位车刀 2020 1 25 机械制造技术 48 6 3金属的切削过程 金属在切削过程中 会出现一系列物理现象 如金属变形 切削力 切削热 刀具磨损等 这些都是以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题 如积屑瘤 振动 卷屑 断屑等 都与切削过程密切相关 2020 1 25 机械制造技术 49 6 3 1切屑的形成过程及切屑种类 1 切屑形成过程 切削层的金属 弹性变形 塑性变形 挤裂 切离 切屑 切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形 随着切应力 切应变逐渐增大 达到其屈服强度时 产生塑性变形而滑移 刀具继续切入时 材料内部的应力 应变继续增大 当切应力达到其断裂强度时 金属材料被挤裂 沿刀具前刀面流出 2020 1 25 机械制造技术 50 2 切屑的种类 切屑 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑 2020 1 25 机械制造技术 51 呈连绵不断的带状或螺旋状 与刀具接触的底层光滑 背面呈毛绒在状 带状切屑 切削过程平稳 切削力变化小 工件表面光洁 必须采取断屑措施 挤裂切屑 切屑背面呈较大的锯齿状 底面有不贯穿的裂纹 一般加工中等硬度钢材时 切削速度较低 切削深度和进给量较大时产生 切屑的种类 2020 1 25 机械制造技术 52 单元切屑 在节状切屑的整个剪切面上 切应力超过了材料的破裂强度时 整个单元被切离形成粒状切屑 在加工塑性较差的材料时 采用较小的前角或负前角的刀具并以极低的切削速度 大的切削深度和进给量进行切削时形成的 崩碎切屑 切削层金属发生弹性变形后 一般不经过塑性变形就突然崩裂而形成形状不规则的崩碎切屑 工件材料脆性越大 刀具前角越小 切削深度和进给量越大 越易产生此类切削 2020 1 25 机械制造技术 53 1 切屑的形态可随切削条件不同而改变 2 可控制切削条件 使切屑形态向有利于生产的方面转化 保证切削加工的顺利进行和工件的加工质量 增大前角 提高切削速度 减小进给量 有利于 使粒状切屑 节状切屑向带状切屑转化 使切削过程平稳 降低加工表面粗造度数值 2020 1 25 机械制造技术 54 6 3 2积屑瘤1 积屑瘤的形成 切削过程中 由于金属的挤压和强烈摩擦 使切屑与前刀面之间产生很大的应力和很高的切削温度 当应力和温度条件适当时 切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大 使得切屑底层流出速度变得缓慢 形成一层很薄的 滞流层 当滞流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时 滞流层的金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤 2020 1 25 机械制造技术 55 积屑瘤对切削加工的影响 2020 1 25 机械制造技术 56 有利方面 保护刀具 增加工作前角 积屑瘤硬度很高 可代替切削刃进行切屑 减少刀具的磨损 积屑瘤的存在 使刀具的实际工作前角增大 可减小切削变形和切削力 使切削轻快 2020 1 25 机械制造技术 57 不利方面 影响工件尺寸精度 影响工件表面粗造度 积屑瘤破裂后会划伤表面 加快刀具磨损 会形成硬点和毛刺 使工件表面粗造度值增大 时大时小 时有时无 使切削力产生波动而引起振动 积屑瘤的顶端突出于切削刃之外 使实际的切削深度不断变化 积屑瘤对加工质量的影响 2020 1 25 机械制造技术 58 3 积屑瘤的控制 影响积屑瘤的因素 工件材料 切削用量 刀具角度 切削液等 控制措施 要避免在中温 中速加工塑性材料 增大前角可减小切削变形 降低切削温度 减小积屑瘤的高度 采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤 2020 1 25 机械制造技术 59 6 3 3切削力及切削功率 2020 1 25 机械制造技术 60 切削合力的构成与分解 2020 1 25 机械制造技术 61 切削合力 前刀面受到切屑的压力和摩擦力 后刀面受到工件表面的压力和摩擦力 主切削力 切削合力在切削速度方向上的分力 垂直于基面 其大小约占总的切削合力的 背向力 切削合力在切削深度方向上的分力 它在基面内 与切深方向相反 进给力 切削合力在进给方向上的分力 它在基面内 与进给方向平行 但方向相反 2020 1 25 机械制造技术 62 2 影响切削合力的因素3 切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的总和 工件材料 切削用量 刀具角度 强度 硬度高 塑性 韧性大 合力大 切削深度 进给量 切削速度 前角越大 切屑变形越小 切削合力越小 2020 1 25 机械制造技术 63 6 3 4切削热和切削温度 1 切削热的产生传出及影响 切削热的来源 切屑层的金属发生弹性变形 塑性变形而产生大量的热 切屑与刀具前刀面产生的摩擦 工件与刀具后刀面产生的摩擦 2020 1 25 机械制造技术 64 切削热与切削温度 2020 1 25 机械制造技术 65 切削热的传导 1 传入切屑 约占总热量的 对切削加工无不利影响 2 传入工件 约占总热量的 会使工件膨胀或伸长 产生尺寸和形状误差 影响加工精度 3 传入刀具 约占总热量的 使刀具温度升高 硬度下降 磨损加快 耐用度降 4 传入周围介质 约占总热量的 对切削加工无不利影响 2020 1 25 机械制造技术 66 2 切削温度及其影响因素3 降低切削温度的措施 切削温度 是指刀具 切屑 工件接触面上的平均温度 1 选择合理的几何角度和切削用量 2 使用切削液 其高低取决于切削时产生热量的多少和传导条件的好坏 切削用量 工件材料 刀具材料及角度等对切削温度均有影响 2020 1 25 机械制造技术 67 6 3 5刀具的磨损及刀具的耐用度 刀具的磨损形式及过程 2020 1 25 机械制造技术 68 刀具的磨损形式 前刀面磨损 后刀面磨损 前 后刀面同时磨损 刀具的磨损过程 初期磨损阶段 正常磨损阶段 急剧磨损阶段 刃磨后的刀具前 后刀面上的高低不平 受到切屑的冲击和摩擦时 将 凸峰 很快磨去 时间很短 刀具上的高低不平已被磨去 磨损量增加缓慢且比较稳定 切削刃变钝 刀具与工件之间的摩擦变大 切削力增大 切削温度上升 磨损加剧 刀具失去正常的切削能力 2020 1 25 机械制造技术 69 2020 1 25 机械制造技术 70 刀具耐用度刀具允许的磨损限度通常用后刀面的磨损高度 表示 但这种磨损标准很难掌握 而引入刀具耐用度的概念 指刀具刃磨后从开始切削直到磨损量达到磨损标准为止的切削时间用 表示 2020 1 25 机械制造技术 71 6 4金属切削过程基本规律的应用 6 4 1金属材料的切削加工性切削加工性 cuttingbehavior 是指材料加工的难易程度 它主要取决于材料