第四章 切削加工基.ppt

切削加工 就是使用切削刀具从工件切除多余 或预留 的材料 从而获得满足尺寸 几何公差 表面粗糙度要求的加工方法 钳工 通过工人手持工具进行切削加工 机械加工 采用不同的机床 如车床 铣床 刨床 磨床 钻床等 对工件进行切削加工 第四章切削加工基础 切削运动与切削用量 机器零件的基本表面包括 外圆 内圆 孔 平面和成型面基本表面主要由如下的加工方法获得 切削运动 要完成零件表面的切削加工 刀具和工件应具备形成表面的基本运动 即切削运动切削运动 刀具和工件的相对运动切削运动分为主运动和进给运动主运动 提供切削可能性的运动 主运动只有一个进给运动 提供连续切削可能性的运动 进给运动可以有多个 机床的切削运动 切削用量 切削用量包括切削速度 进给量和背吃刀量切削速度 切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度 用V表示 单位为m s进给量 刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量 用f表示 车 钻和铣削时单位为mm r背吃刀量 已加工表面和待加工表面之间的垂直距离 用ap表示 单位为mm 如下图 车削切削速度 背吃刀量的计算 切削速度 背吃刀量 V 切削速度d 工件直径n 工件转速 dmax 待加工表面直径dmin 已加工表面直径ap 背吃刀量 切削用量的合理选择问题 1 粗加工按ap f v的顺序选择a 粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属 只留后续工序的加工余量 所以应根据毛坯尺寸首先选择apb 粗加工不必考虑表面粗糙度 在ap确定后 选取大的f 减少走刀时间c ap和f确定后 在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择v 2 精加工按v f ap的顺序选择精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度 因此首先应选择尽可能高的v 然后选择达到表面粗糙度要求的f 最后再根据精加工余量决定ap 4 1切削刀具 各种多齿刀具或复杂刀具 就其一个刀齿而言 都相当于一把车刀 车刀分为切削部分和夹持部分 一 刀具的几何形状和角度 刀具的组成各种刀具都是由刀体 切削部分 和刀柄组成 切削部分承担切削工作 刀柄是刀具上的夹持部分 其主要作用是保证刀具切削部分有一个正确的工作位置 刀体是一个几何体 是由刀面 刀刃组成 包括有 前刀面 主后面 副后面 主切削刃 副切削刃 修光刃 刀尖等 如图4 20所示 前刀面切屑流出时所经过的刀面 主后面车刀上与工件过渡表面相对的刀面 副后面车刀上与工件已加工表面相对的刀面 主刀刃前刀面与主后面相交构成的切削刃 担负主要的切削工作 副刀刃前刀面与副后面相交构成的切削刃 它配合主刀刃完成次要的切削工作 对已加工表面起修光作用 刀尖主刀刃和副刀刃的联结部位 它常被磨成圆弧型或直线型状态 以提高其强度 延长车刀寿命 修光刃副刀刃近刀尖处一窄小的平直刀刃 装刀时修光刃必须平行于走刀的方向 且修光刃长度要大于进给量 才起到修光作用 所有车刀都由上述各部分组成 但结构可能不同 例如典型的外圆车刀是由三面 二刃 一刀尖组成 而切断刀就有四个面 三个刀刃 二个刀尖组成 此外 切削刃可以是直线 也可以是曲线 如车特形面的成形刀的刀刃就是曲线型 辅助平面为了确定上述刀面及切削刃的空间位置和刀具几何角度的大小 必须建立适当的参考系 坐标平面 选定切削刃上某一点而假定的几个平面称为辅助平面 如图4 21所示 基面 pr 通过刀刃上某一选定点并垂直于该点切削速度方向的平面 主切削平面 ps 通过刀刃上某一选定点 切于工件过渡表面且与基面垂直的平面 正交平面 po 通过刀刃上某一选定点并同时垂直于基面和主切削平面的平面 以上三个平面相互垂直 构成空间直角坐标系 假定工作平面 pf 通过切削刃选定点与基面垂直 且与假定进给运动方向平行的平面 背平面 pn 通过切削刃选定点并同时垂直于基面和假定工作平面的平面 副切削平面 p S 通过副切削刃选定点与副切削刃相切并垂直于基面的平面 如图4 22所示 车刀的角度和作用车刀的切削部分共有六个独立的基本角度 刀具的切削性能 锋利程度及强度主要是由刀具的几何角度来决定的 各角度标注如图4 22所示 前角 在正交平面中 前刀面与基面之间的夹角 后角 在正交平面中 主后刀面与切削平面之间的夹角 主偏角Kr 在基面上 主切削刃的投影与进给方向的夹角 副偏角Kr 在基面上 副切削刃的投影与进给反方向的夹角 刃倾角 s 1 标注角度前角 0 主平面内前刀面与基面的夹角刀尖高于前刀面前角为正刀尖低于前刀面前角为负刀尖与前刀面平等前角为零后角 0 主平面内后刀面与切削平面的夹角楔角 0 前刀面与后刀面间的夹角 自然形成 0 90 0 0主偏角 r 基面内主切削刃与进给方向的夹角副偏角 r 基面内副刀与进给反方向的夹角刀尖角 0 基面内主刀刃与副刀刃间的夹角 0 180 r 0 刃倾角 切削平面内主刀刃与基面间的夹角刀尖位于主刀刃的最高点刃倾角为正 加工时切屑流向被加工表面刀尖位于主刀刃的最低点刃倾角为负 加工时切屑注射已加工表面主刀刃与基面平等刃倾角为零 加工时切屑垂直于主刀刃流出 2 刀具工作角度 1 横向进给对刀具角度的影响当横向进给较大时 切断 刀具工作前角增大 后角减小 2 纵向进给对刀具角度的影响当纵向进给较大时 车大导程螺纹或蜗杆 刀具工作前角增大 后角减小 3 刀具安装高低对角度的影响当刀尖高于工件中心时 工作前角增大 后角减小当刀尖低于工件中心时 工作前角减小 后角增大 3 刀杆轴线安装偏斜对刀具角度的影响刀杆轴线偏斜影响主偏角和副偏角 前角 0 是前刀面和基面间的夹角 前角的大小反映了刀具前面倾斜的程度 决定刀刃的强度和锋利程度 影响切削变形和切削力的大小 前角有正负之分 当前面在基面下方时为正值 反之为负值 如图4 22所示为正 前角大 刃口锋利 可减少切削变形和切削力 易切削 易排屑 但前角过大 强度低 散热差 易崩刃 前角的大小主要根据工件材料 刀具材料和加工要求进行选择 硬质合金车刀前角参考值如表4 1所示 前角的正与负一般加工韧性材料 应取较大的前角 加工脆性材料 应取较小的前角 前角的取值范围常在 5 25 之间 后角 0 是主后面与主切削平面间的夹角 后角的大小决定刀具后面与工件之间的摩擦及散热程度 后角过大 会降低车刀强度 且散热条件差 刀具寿命短 后角过小 磨擦严重 温度高 刀具寿命也短 硬质合金车刀的后角参考值如表4 2所示 表4 2硬质合金车刀后角参考值 楔角 0 是前面与主后面间的夹角 0 90 0 0 主偏角 kr 是主切削刃在基面上的投影与假定进给运动方向间的夹角 主偏角的大小决定背向力与进给力的分配比例和刀头的散热条件 主偏角大 背向力小 散热差 主偏角小 进给力小 散热好 副偏角 kr 是副切削刃在基面上的投影与假定进给运动反方向之间的夹角 副偏角的大小决定切削刃与已加工表面之间的摩擦程度 较小的副偏角对已加工表面有修光作用 其参考值如表4 3所示 表4 3车刀主偏角 副偏角参考值 刃倾角 S 是主切削刃与基面间的夹角 刃倾角主要影响排屑方向和刀尖强度 刃倾角有正值 负值 和零度三种 如图4 23所示 刃倾角 s 在切削平面中 主切削刃与基面之间的夹角 它主要影响刀头的强度和排屑方向 一般取 s 10 10 粗加工时常取负值 增加刀头强度 精加工时常取正值 避免切屑擦伤已加工表面 当刀尖在主切削刃上最高点时 s为正值 反之为负值 当刀尖是主切削刃上的最高点时 刃倾角为正值 切削时 切屑流向待加工表面 保护已加工表面不被切屑划伤 但刀尖强度较差 不耐冲击 当刀尖是主切削刃的最低点时 刃倾角为负 切削时 切屑流向已加工表面 保护了刀尖 增加了刀具寿命 但容易擦伤已加工表面 当主切削刃和基面平行 也即刀刃上各点等高时 刃倾角等于零度 切削时切屑垂直于主切削刃方向流出 并很快卷曲 刀尖抗冲击能力较强 刀尖角 r 是主切削平面与副切削平面间的夹角 刀具材料 刀具材料的性能对加工表面质量 切削效率 刀具寿命有重大影响 是解决某些参加工材料的工艺关键 1 刀具材料应具备的性能 1 高硬度和耐磨性HRC 60以上 2 足够的强度和韧性 3 高的所热稳定性 红硬性 在高温下的硬度 耐磨性 强度和韧性 4 良好的工艺性 便于制造 5 经济性 价格便宜 常用刀具材料 1 碳素工具钢碳素工具钢是含碳量较高的优质钢 含碳量0 7 1 2 如T10 T12A等 淬火后硬度为60 65HRC 但红硬性较差 一般在200 250 C时失去原有硬度 淬火后易变形开裂 只能做简单的手动刀具 如锉刀 刮刀 锯条等 2 合金工具钢在碳素工具钢中加入少量的Cr W Mn Si等元素形成合金工具钢 如 9SiCr CWMn等 淬火后硬度为60 65HRC 红硬性温度为300 350 C 热处理性较好 可估较复杂的手动刀具 如丝锥 板牙 铰刀或切削速度不高的刀具 3 高速钢 白钢 锋钢 高速钢是一种加入了较多的钨 钼 铬 钒等合金元素的高合金工具钢 如W18Cr4V W6Mo5Cr4V 9W18Cr4V等 淬火后硬度为62 67HRC 红硬性温度为550 600 C 高速钢具有高的强度 抗弯强度为一般硬质合金的2 3倍 为陶瓷的5 6倍 和韧性 制造工艺简单 容易磨成锋利切削刃 能锻造 这一点对形状复杂及大型成形刀具非常重要 故在复杂刀具车刀 钻头 丝锥 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等 制造中 高速钢仍占主要地位 高速钢主要用于中速切削 切削速度小于30m min 4 硬质合金由于硬质合金成分中都含有大量金属碳化物 如钨钴类 YG 钨钛钴类 YT 钨钛钽铌类 万能硬质合金YW 这些碳化物都有熔点高 硬度高 化学稳定性好 热稳定性好等特点 因此 硬质合金的硬度 耐磨性 耐热性都很高 常用硬质合金的硬度为89 93HRA 相当于74 82HRC 红硬性温度为800 1000 时 因此 硬质合金的切削性能比高速钢高得多 刀具耐用度可提高几倍到几十倍 在耐用度相同时 切削速度可达100 300m min 主要用于高速切削 但硬质合金导热性差 一般不使用冷却液 韧性差 比较脆 不能做成整体刀具 只是镶块 刀杆可用合金钢 不需热处理 不能被切削加工 只能磨削或电火花加工 硬质合金的分类有P M K 性能和应用见表1 1 P9 为进一步提高硬质合金的性能 常在表面涂覆TiC TiN 称为表面涂层刀具 常制成不重磨刀片 用于精加工 钨钴钛类 牌号YT 硬质合金 适合于加工钢等塑性材料 其代号有YT5 YT15 YT30等 粗加工用YT5 精加工用YT30 钨钴类 牌号YG 硬质合金 适合于加工铸铁 青铜等脆性材料 其代号有YG3 YG6 YG8等 粗加工用YG8 精加工用YG3 5 陶瓷刀具陶瓷刀具的主要成分是Al2O3 陶瓷刀具的硬度为90 94HRA 相当于75 83HRC 耐磨性好 耐热性高 红硬性为1200 1400 允许使用较高的切削速度 价格低廉 原料丰富 因此有很好的发展前途 但陶瓷材料性脆怕冲击 切削时易崩刃 所以如何提高其抗弯强度已成为各国研究的工作重点 6 人造金刚石人造金刚石硬度极高 10000HV 目前是最硬的材料 耐热性为700 800 聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具 单晶微粒主要制成砂轮 金刚石可以加工高硬度而具耐磨的硬合金 陶瓷 玻璃外 还可以加工有色金属及其合金 但不宜加工铁族金属 这是由于铁和碳原子的亲和力较强 易产生粘结作用而加快刀具磨损 7 立方氮化硼 CBN 立方氮化硼是人工合成的又一种高硬材料 硬度 7300 9000HV 仅次于金刚石 但它的耐热性为化学稳定性大大高于金刚石 能耐1300 1500 的高温 并且与铁族金属的亲和力小 因此它的切削性能好 不但适合于非铁族难加工材料的加工 也适合于铁族材料的加工 金属切削过程及物理现象 一 金属切削过程切削过程是指工件上多余的金属被刀具切除的过程和已加工表面形成的过程 1 切屑的形成刀具在被切削金属表面经过挤压 剪切滑移变形而形成切屑 金属切削过程是指从工件表面切除一层多余的金属 从而形成切屑的过程 1 金属在刀具前刀面的作用下 受到挤压产生弹性变形 2 应力逐渐变大 产生塑性变形 滑移 3 应力达到强度极限 剪切滑移被挤裂形成切屑 4 切离 1弹性变形2塑性变形3挤裂切屑 2 切屑的种类 带状切屑 一般在切削塑性材料 前角较大时产生 切屑过程较平稳 切削力波动小 加工表面较光洁 但切屑与前刀面摩擦较大 生产切削热 切屑易伤人或刮伤工件表面 应采取断屑措施 节状切屑 一般在切削中等硬度钢材时产生 切削力波动较大 加工表面较粗糙 粒状切屑 一般在切削速度较低 前角较小 切屑厚度较大时产生 切削力波动大 加工表面粗糙 单元切屑 崩碎切屑 在加工脆性材料 如切削铸铁 黄铜等 时产生 切屑被挤裂 形成不规则的切屑 切削力波动大 有振动 加工表面粗糙 刀尖易磨损 二 积屑瘤 1 积屑瘤现象 在一定切削速度下切削塑性材料时 在刀刃上粘结的楔形硬块 并生成 长大 脱落周期变化 2 积屑瘤产生的原因 高温 高压 强烈摩擦 切屑粘结 又称为 冷焊 3 积屑瘤对切削过程的影响 1 保护刀刃 代替刀刃切削 减少刀具磨损2 增大前角 减少切削变形 降低切削力3 增大切削厚度 影响尺寸精度4 不稳定 脱落时粘在已加工表面 影响表面粗糙度 1 积屑瘤现象 在一定切削速度下切削塑性材料时 在刀刃上粘结的楔形硬块 并生成 长大 脱落周期变化 2 积屑瘤产生的原因 高温 高压 强烈摩擦 切屑粘结 又称为 冷焊 3 积屑瘤对切削过程的影响 1 保护刀刃 代替刀刃切削 减少刀具磨损2 增大前角 减少切削变形 降低切削力3 增大切削厚度 影响尺寸精度4 不稳定 脱落时粘在已加工表面 影响表面粗糙度 三 切削力 1 切削力的形成 切削加工时材料的变形 弹性变形 塑性变形 抗力 前刀面与切屑的摩擦力 后刀面与加工表面的摩擦力等 1 切向力 切削力 Fz 总切削力在主运动方向上的正投影 其大小约占总切削力的95 99 是三个分力中最大的 消耗功率最多的分力 它是机床动力 重要零件的强度和刚度设计和校核的主要依据 2 轴向力 进给力 Fx 总切削力在进给方向上的正投影 其大小约占总切削力的1 5 它是设计和验算机床进给机构必须的参数 3 径向力 背向力 Fy 总切削力在垂直工作平面上的分力 它作用在工件刚性较差的方向 容易使工件变形 同时引起振动 影响加工精度 所以加工刚性较差的工件 如细长轴 时 应该力求减少切削力 2 切削力的分解与合力 1 主切削力 切向力 Fc 主运动方向的切削分力 消耗功率最大 约占机床总功率的80 90 是计算机床动力 刀具强度 夹紧力的主要依据 2 进给力 轴向力 Ff 作用在进给方向的切削分力 车削加工时 沿工件轴线方向的分力 3 背向力 径向力 吃刀力 Fp 吃刀方向的切削分力 车削加工时 沿工件半径方向的分力 4 总切削力 切削合力 F 三个分力的平方各开2次 3 影响切削力的主要因素 1 工件材料 工件材料的强度愈高 硬度愈大 切削力愈大 材料的塑性 韧性越大 加工硬化现象越严重 切削力越大 一般加工不同的材料可通过热处理改变材料的加工性能 2 切削用量 当切削深度ap和进给量f增大时 切削面积增大 切屑变形 摩擦力增加 切削力增大 1 切削深度ap增加一倍 切削力增加一倍 2 进给量f增加一倍 切削力增加70 80 3 切削速度v对切削力影响较小 一般加工塑性材料时切削速度增加 摩擦力减小 切削力减小 加工脆性材料时 切削速度对切削力无明显影响 3 刀具的几何参数 1 前角 前角增大 刀具刃口锋利 切削力减小 但刀具强度减弱 在刀具角度中前角是影响切削力的最大因素 2 主偏角 主偏角对主切削力影响不大 但对轴向力和径向力影响很大 主偏角增大 轴向力增大 径向力减小 因此在加工细长轴时 应选用较大主偏角的车刀 刀具的其它几何参数对切削力的影响不是太大 此外 刀具材料 切削液的选用对切削力也有一定的影响 四 切削热与切削温度 1 切削热的产生 切削变形 切屑与前刀面的摩擦 工件与后刀面的摩擦等 2 切削热的影响 使工件和刀具温度升高 直接影响刀具的寿命 加工精度 表面质量 3 切削热的传散 切削热主要通过切屑 刀具 工件 介质等传散 不同的加工方法 切削热传散的主要途径不同 切削热 切削热产生原因 1 切屑变形 2 工件与刀具的摩擦 切削热传出途径 a 由切屑带走 带走越多越有利 b 由周围空气和冷却介质带走 同样带走越多越有利 c 传入工件 使工件温度升高 引起工件变形 产生误差 d 传入刀具 使刀具温度升高 刀具硬度降低 磨损加快 常见加工方法切削热的传散比例如下表 4 影响切削热的主要因素 1 工件材料 工件材料的强度 硬度 塑性越高 切削时产生的温度越高 材料的导热性越好 切削温度降低 2 切削用量 切削速度增加 摩擦加剧 切削温度增加 切削深度和进给量增加 切屑面积增加 带走的热量增加 对温度的影响减小 3 刀具角度 前角和后角增大 摩擦减少 切削热减少 主偏角减小 切削宽度增加 刀刃的散热条件改善 切削热减少 4 冷却介质 增加冷却液或吹气 可带走大量的热量 明显降低切削温度 降低切削温度的措施 1 减少切削热的产生 包括选择合理的刀具几何角度和切削用量 比如适当增大刀具的前角以减少切屑变形 选用大的背吃刀量和小的进给量 2 改善散热条件 包括使用冷却液等各种冷却措施 冷却液一般有 水溶液 比热大 导热性好 但不能起润滑作用 如苏打水 苏打用于防锈 用于粗磨 切削油 如矿物油 比热小 但有润滑作用 乳化液 具有良好的流动性和导热性 它由乳化油加水稀释而成 应用最广泛 六 切削液 1 切削液的作用 冷却 润滑 排屑 防锈2 切削液的各类 水溶液 水 防锈剂等 呈透明状乳化液 乳化油 水 呈乳白色 应用最广 切削油 矿物油 机油 豆油 蓖麻油等 主要起润滑作用3 切削液的选用 粗加工 以冷却为主 一般使用水溶液 低浓度的乳化液等精加工 以润滑为主 一般使用较高浓度的乳化液 切削油等硬质合金刀具一般不使用冷却液 易开裂 可用气吹 或不间断连续浇注 第五节加工精度和加工表面质量 一 加工精度 1 加工精度的概念 加工精度 工件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和位置 与理想几何参数的符合程度 2 获得规定尺寸精度的方法 1 试切法 2 自动获得尺寸精度的方法 用定尺寸刀具加工 调整法 自动控制法 二 加工表面质量 1 加工表面质量的概念 工件表面微观几何形状工件表面层材料的物理 力学性能 2 表面粗糙度 加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性 3 表面层材料的物理 力学性能 因塑性变形引起的冷作硬化 因切削热的影响引起金相组织的变化 因切削时的塑性变形 热塑性变形 金相组织变化引起的残余应力 第六节金属切削机床的型号 一 金属切削机床的分类 二 金属切削机床的型号 1 机床型号的表示方法 2 机床的型号符号意义 为大写的汉语拼音字母 为阿拉伯数字 无内容时可不表示 若有内容 则不