机械加工原理与方法―――孙希禄.doc

第一章 机械加工原理与方法孙希禄11金属切削的基础知识一 、金属切削过程的基本概念 1切削表面 切削加工过程是一个动态过程， 在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。即：待加工表面：工件上即将被切除的表面。已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面。过渡表面(加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。以车削外圆为例，如下图。2切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动）。按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。上图给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度Ve、主运动速度Vc和进给运动速度Vf之间的关系。 （1）主运动 主运动是刀具与工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。 （2）进给运动进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工，根据工件表面形状成形的需要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。 （3）合成运动与合成切削速度当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动，其大小和方向用合成速度向量ve表示, 见上图。 Ve=Vc+Vf 3。切削用量三要素 （1）切削速度vc 切削速度vc是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。当主运动为回转运动时： Vc=d*n/1000 式中d切削刃上选定点的回转直径，mm； n主运动的转速，r/s或r/min。 (2)进给速度vf 、进给量f进给速度vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度，mm/s或mm/min.。进给量f刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，mm/r或mm/行程。Vf= n f (3)切削深度ap切削深度ap（背吃刀量）是车削时已加工表面与待加工表面之间的垂直距离（单位：mm） 式中工件待加工表面的直径，工件已加工表面的直径。二、刀具切削部分的几何参数 外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。其定义分别为：1刀具的组成（1）前刀面 刀具上与切屑接触并相互作用的表面（即切屑流过的表面）。（2）主刀后面 刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。（3）副刀后面 刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。（4）主切削刃 前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。（5）副切削刃 前刀面与主后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。（6）刀尖 主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段或圆弧。具体参见切削运动与切削表面图和车刀的组成图。其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看作是车刀的演变和组合。2刀具标注角度参考系 （1）假定运动条件：用刀具主运动向量vc近似代替合成运动向量ve，然后再用平行或垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。 （2）假定安装条件：假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。 3.刀具标注角度参考系诸平面：（见下图）（1） 基面pr：通过切削刃某一点，垂直于假定主运动方向的平面。图1.6。（2） 切削平面ps：通过切削刃某一点，与工件加工表面（或与主切削刃）相切的平面。 切削平面ps与基面pr垂直。（3） 主剖面P0：通过切削刃某一点，同时垂直于切削平面ps与基面pr的平面。见图1.8。（4） 法剖面Pn：通过切削刃某一点，垂直于切削刃的平面。见图1.8。（5） 进给剖面Pf：通过切削刃某一点，平行于进给运动方向并垂直于基面pr的平面。（6） 背平面Pp：通过切削刃某一点，同时垂直于进给剖面Pf与基面pr的平面。上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件确定的参考系。但刀具在实际使用过程中，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能确切反映切削加工的真实情况。只有用合成切削方向ve来确定参考系，才符合切削加工的实际。图1.10。 另外，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。只有采用刀具工作角度参考系，才能反映切削加工的实际。 刀具工作角度参考系与刀具标注角度参考系的唯一区别是：用合成切削方向ve取代主运动切削方向vc，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。4.刀具的标注角度刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所需要的，并在刀具设计图上予以标注的角度。刀具的标注角度主要有五个，以车刀为例，表示了几个角度的定义。前角在主剖面内后角主偏角副偏角刃倾角车刀的主要角度刃倾角的符号三、刀具材料1.材料应当具备的性能（1） 高的硬度和耐磨性 刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上；耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量和分布。（2）足够的强度和韧性为了承受切削中的压力冲击和韧性，避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。 （3）高耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性得能力。 （4）良好的工艺性为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性。如，切削加工性、铸造性、锻造性和热 处理性等。 （5）良好的经济性 2.刀具材料的种类 所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金刚石刀具等； （1） 高速钢 定义：是一种加入较多的钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。性能：有较高的热稳定性；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造。是制造钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等的主要材料。分类： 1）通用型高速钢钨钢：典型牌号为W18Cr4V，有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。钨钼钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。 2）高性能高速钢典型牌号为高碳高速钢9W18Cr4V、高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8和超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。适合于加工高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料。 3）粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状。适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高动载荷下使用的刀具等。 （2）硬质合金 由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50%）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。它还可用于高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。ISO将切削用的硬质合金分为三类：（各种牌号的应用范围见p16表1.1） 1）YG(K)类，即WC-Co类硬质合金 2）YT(P)类，即WC-TiC-Co类硬质合金 3） YW(M)类，即WC-TiC-TaC-Co类硬质合金 （3）其它刀具材料 1、 涂层刀具 2、 陶瓷：硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。 3、 金刚石4、 立方氮化硼四、金属的切削过程金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进行研究，揭示其内在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。总之，金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。因此，必须进行深入的研究。 1、切屑形成过程及切屑的种类 （1）切削变形 金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。 （2）变形区的划分 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。（3）切屑的形成及变形特点 第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。 在下图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第变形区，AB面亦称为剪切面。 第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。 第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。（4）切屑的类型及其分类由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样，如下图示。图中从左至右前三者为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。切屑的类型是由应力-应变特性和塑性变形程度决定的。 带状切屑 它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。 挤裂切屑这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这种切屑大多在切削黄铜或切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。 单元切屑如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。 假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。 这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。 崩碎切屑这是属于脆性材料（如铸铁、黄铜等）的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。 从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。 由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。（5）积屑瘤是如何形成的? 在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。积屑瘤的形成及其对切削过程的影响在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。积屑瘤是如何形成的? 1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。 2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。 3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。 4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。形成积屑瘤的条件：主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。 1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤； 2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。 3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。积屑瘤对切削过程的影响 1）实际前角增大它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。 2）使加工表面粗糙度增大积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。 3）对刀具寿命的影响积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。防止积屑瘤的主要方法1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。2、切削力(一)、切削力的来源切削力的来源 研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：1克服被加工材料对弹性变形的抗力；2克服被加工材料对塑性变形的抗力；3克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。（二）影响切削力因素实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。 、工件材料硬度或强度提高，剪切屈服强度s增大，切削力增大。塑性或韧性提高，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。 、切削用量 （1）背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，切削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，切削力增大。由于背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响大( 通常XFz=1,YFz=0.75-0.9)，所以在实践中，当需切除一定量的金属层时，为了提高生产率，采用大进给切削比大切深切削较省力又省功率。（2）切削速度vc (图2.20) 加工塑性金属时，切削速度Vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。（以车削45钢为例，见下图） 切削脆性金属时，因为变形和摩擦均较小，故切削速度Vc改变时切削力变化不大。 、刀具几何角度（1）前角：前角增大，变形减小，切削力减小。（2）主偏角：主偏角Kr在300-600范围内增大，由切削厚度hD的影响起主要作用，使主切削力Fz减小；主偏角Kr在600-900范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力Fz增大。一般地，Kr=600-750,所以主偏角Kr增大，主切削力Fz增大。(图2.22）实践应用，在车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力Fy的作用，往往采用较大的主偏角r600的车刀切削。3 切削热和切削温度切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重要物理现象。切削时做的功，可转化为等量的热。功削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件变形、加速刀具磨损。因此，研究切削热与切削温度具有重要的实用意义。、切削热的产生和传导 切削热是由切削功转变而来的。如下图所示，其中包括：剪切区变形功形成的热QP、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qrf、已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qf,因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与已加工表面接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。 产生总的切削热Q，分别传入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qr。切削热的形成及传导关系为：切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多。 、影响切削温度的主要因素根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。、切削用量的影响切削用量是影响切削温度的主要因素。通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。通常在车床上利用测温装置求出切削用量对切削温度的影响关系，并可整理成下列一般公式：切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。、刀具几何参数的影响切削温度随前角o的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。但前角大于1820后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。（图2.28）主偏角r减小时，使切削宽度hD增大，切削厚度hD减小，因此，切削变形和摩擦增大，切削温度升高。但当切削宽度hD增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角kr减少，切削温度下降。负倒棱b1在(02)f 范围内变化，刀尖圆弧半径re在01.5mm范围内变化，基本上不影响切削温度。因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。、工件材料的影响工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对切削温度的影响是很大的。由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。、切削液的影响切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。 4 刀具的磨损和刀具寿命（1）刀具磨损的形态及其原因切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。刀具正常磨损的形式有以下几种：1.前刀面磨损 2.后刀面磨损 3.边界磨损(前、后刀面同时磨损)从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结（刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象）、扩散（刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀)等引起的。(1)磨粒磨损在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。(2)粘结磨损刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。(3)扩散磨损切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。(4)相变磨损当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。(5)氧化磨损氧化磨损是一种化学性质的磨损。刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。1）在低、中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。通常拉削、铰孔和攻丝加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。 2）在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。（2）、刀具磨损过程 随着切削时间的延长，刀具磨损增加。根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：1.初期磨损阶段 2.正常磨损阶段 3.急剧磨损阶段五、磨削机理1、概述磨削过去一般常用于半精加工和精加工，加工精度可达IT5IT6，加工粗糙度可小至Ra1.250.01m，镜面磨削时可达Ra0.040.01m。磨削常用于淬硬钢、耐热钢及特殊合金材料等坚硬材料。磨削的加工余量可以很小，在毛坯预加工工序如模锻、模冲压、精密铸造的精确度日益提高的情况下，磨削是直接提高工件精度的一个重要的加工方法。由被磨削工件和磨具在相对运动关系上的不同组合，可以产生各种的不同磨削方式。由于各种各样的机械产品越来越多地采用成形表面，成形磨削和仿形磨削得到了越来越广泛的应用。齿轮磨削方法主要是是成形磨削和展成磨削。磨削时，由于所采用的“刀具”（磨具）与一般金属切削所采用的刀具不同，且切削速度很高，因而磨削机理和切削机理就有很大的不同，下面简要介绍磨削过程中的几个基础性问题。2、磨粒切削刃的磨削模型一颗磨粒磨削经历了滑擦（弹性变形）、耕犁（塑性变形）及切削（形成切屑，沿磨粒前面流出）的过程，使工件表面形成热应力与变形应力。磨粒在切削表面上的滑擦、耕犁和切削与磨粒的状况和被加工材料性质有关。上述的三个过程与砂轮速度有关，砂轮速度愈高，弹塑性区就愈小。弹塑性区还与每颗磨粒的实际磨削量有关。12 外圆表面加工一、 车削外圆1、CA6140型卧式车床由于卧式车床主要加工轴类和直径不太大的盘套类零件，所以采用卧式布局其主要性能：应用：主要用于加工各种回转表面（内外圆柱面，圆锥面及成形回转表面）和回转体的端面，有些车床可以加工螺纹面。工艺范围：很广，它适用于加工各种轴类，套筒类和盘类零件上的回转表面，如：内圆柱面，圆锥面，环槽及成形回转表面；端面及各种常用螺纹；还可以进行钻孔，扩孔，铰孔，和滚花等工艺. 运动：车床的主运动是由工件的旋转运动实现的；车床的进给运动则由刀具的直线移动完成的。分类：车床种类繁多，按其用途和结构的不同，主要分为：卧式车床及落地车床，立式车床，转塔车床，仪表车床，单轴自动和半自动车床，多轴自动和半自动车床，彷形车床及多刀车床，专门化车床。2外圆车刀的种类和用途车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔，也可用于切槽和切断等。车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀。机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必磨刀，所以在现代生产中应用越来越多。整体车刀 焊接车刀：其优点是结构简单，紧凑，刀具刚度好，抗振性能强，制造方便，适用灵活。其缺点是切削性能较低，刀杆不能重复利用，辅助时间常。机夹车刀可转位车刀：使用可转位刀片的机夹车刀。其优点是刀具使用寿命常，生产效率高，有利于推广新技术，新工艺，有利于降低刀具成本。成形车刀：用在各类车床上加工内，外回转体成形表面，其刀形根据工件轮廓设计。该种车刀有平体，棱体，圆体三种型式。3工件的装夹方式外圆车削加工时，最常见的工件夹装方法见表 6.5。 表 6.5最常见的车削装夹方法 三爪卡盘装夹四爪卡盘装夹顶尖装夹心轴装夹二、磨削外圆1、M1432A型万能外圆磨床2、外圆模具的装夹方式3、磨削方式4、无心磨削先将工件放在托板和导轮之间，然后由工件（连同导轮）或磨削砂轮横向切入进给，磨削工件表面。这时导轮的中心线仅倾斜很小角度（约 30）,以便对工件产生一微小的轴向推力，使它靠住挡板，得到可靠的轴向定位，见图6.2c。切如磨法适用于磨削有阶梯或成形回转表面的工件，但磨削表面长度不能大于磨削砂轮宽度。 图 6.2 无心外圆磨削的加工示意图 在磨床上磨削外圆表面时，应采用充足的切削液，一般磨钢件多用苏打水或乳化液；铝件采用加少量矿物油的煤油；铸铁、青铜件一般不用切削液，而用吸尘器清除尘屑。三、外圆表面的光整加工对于超精密零件的加工表面往往需要采用特殊的加工方法，在特定的环境下加工才能达到要求，外圆表面的光整加工就是提高零件加工质量的特殊加工方法。 1、研磨 研磨是通过研具在一定压力下与加工面作复杂的相对运动而完成的。研具和工件之间的磨粒与研磨剂在相对运动中，分别起机械切削作用和物理、化学作用，使磨粒能从工件表面上切去极薄的一层材料，从而得到极高的尺寸精度和极细的表面粗糙度。研磨是一种古老、简便可靠的表面光整加工方法，属自由磨粒加工。在加工过程中那些直接参与切除工件材料的磨粒不像砂轮、油石和沙带、砂纸那样总是固结或涂附在磨具上，而是处于自由游离状态。经研磨表面，尺寸和几何形状精度可达 1-3 m ， 表面粗糙度 Ra值为0.16-0.01 m。若研具精度足够高，其尺寸和几何形状精度可达0.3-0.1 m，表面粗糙度值Ra值小于0.04-0.01 m。 研磨时，有大量磨粒在工件表面浮动着，它们在一定的压力下滚动、刮擦和挤压，起着切除细微材料层的作用，见图 6.3所示，磨粒在研磨塑性材料时，受到压力的作用，首先使工件加工面产生裂纹，随着磨粒的运动，裂纹的扩大、交错，以致形成了碎片（即切削）最后脱离工件。研具与工件相对运动复杂，磨粒在工件表面上的运动不重复，可以除去“高点”。这就是机械切削的作用。 研磨时磨粒与工件接触点局部压力非常大，因而瞬时产生高温，产生挤压作用，以致使工件表面平滑，表面粗糙度 Ra值下降，这是研磨时产生的物理作用。 由于研磨时研磨液中加入硬脂酸或油酸，与覆盖在工件表面的氧化物薄膜间还会产生化学作用，使被研表面软化，加速研磨效果。 图 6.3 研磨时磨粒的切削作用 研磨外圆时，工件夹持在车窗卡盘上或用顶尖支撑，作低速回转，研具套在工件上，在研具与工件之间加入研磨剂，然后用手推动研具作往复运动。往复运动速度常选用 20-70m/min为宜。常用的研具见图6.4。图6.4a为粗研套，孔内有油槽，可储存研磨剂；图6.4b为精研套，无油槽。 机器研磨 机器研磨效率高，可以单面研磨，也可以双面研磨。图 6.5所示为一种行星传动式的双面研磨机。 图 6.4外圆研具 图6.5行星齿轮研磨机 1 -上研磨盘 1-下研磨盘 2-工件 3-工件夹盘 4-内齿圈 5-中心传动齿轮 n 1 -研磨盘转速 n 2 -工件转速 n 3 -工件夹盘转速 n 4 -内齿圈转速 n 5 -中心传动齿轮转速 图中的中心齿轮 5带动六个工件2，装夹盘3，该装夹盘本身在传动中就是一个行星齿轮。这六个行星齿轮的外圆又同时与一个中心内齿轮4啮合。行星齿轮除了以n 3 的转速作自转外，还作公转。研磨盘以n 1 转速旋转，工件则置于行星齿轮（即工件夹盘）的槽中，并随行星齿轮与研磨盘作相对运动。 2、 超精加工 超精加工实际上是摩擦抛光过程，是降低表面粗糙度的一种有效的光整加工方法。它具有设备简单、操作方便、效果显著、经济性好等优点。 超精加工使用细粒度磨条（油石）以较低的压力和切削速度对工件表面进行精密加工的方法，如图 6.6所示。 图 6.6 超精加工运动 加工中有三种运动，即工件的回转运动 1；磨头轴向进给运动2；磨条高速往复振动3。这三种运动使磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线。 超精加工的切削过程与磨削、研磨不同，只能切去工件表面的凸峰，当工件表面磨平后，切削作用能自动停止。超精加工大致可分为四个阶段： 强力切削阶段 油石磨粒细，压力小，工件与磨条之间的油膜易形成，单位面积上的压力大，故切削作用强烈。 正常切削阶段 当少数凸峰磨平后，接触面积上的压力降低，切削磨条自锐性作用减弱，进入正常切削阶段。 微弱切削阶段 随着切削面积的增大，单位面积上的压力更低，切削作用微弱，且细小的切屑形成氧化物而嵌入油石空隙中，使油石产生光滑表面，具有摩擦抛光作用而降低工件表面的粗糙度。 自动停止阶段 工件磨平，单位面积上压力极低，工件与磨条之间又形成了油膜，不再窃笑，切削作用自动停止。3、 双轮珩磨 双轮珩磨也是一种高效的光整加工方法。珩磨时工件在两顶尖上以转速 n 旋转（图 6.7a），两个修整成双曲线的磨轮轴线反向倾斜，与工件轴线成 角（图 6.7b），安装在工件两边，用弹簧3压向工件1。工件靠摩擦力带动珩轮2旋转，同时沿工件轴向作往复运动。磨轮和工件的相对滑动速度v使其产生切削力。 双轮珩磨出来的工件表面呈黑色镜面，其表面粗糙度 Ra值达0.0012-0.025 m。此外，由于磨轮本身回转，磨损均匀，因此耐用度较高。采用这种加工方法的最大特点是对前道工序的表面粗糙度要求不高，即使是车削表面，也可直接进行珩磨。但采用这种方法，不能纠正前道工序的圆度误差。 图 6.7 双轮珩磨 4、滚压 滚压是冷压加工方法之一，属无屑加工。滚压加工是利用金属产生塑性变形从而达到改变工件的表面性能、获得工件尺寸形状的目的。 外圆表面的滚压加工一般可用各种相应的滚压工具，例如滚压轮（图 6.8a）、滚珠（图6.8b）等在普通卧室车床上对加工表面在常温下进行强行滚压，使工件金属表面产生塑性变形，修正金属表面的微观几何形状，减小加工表面粗糙度值，提高工件的耐磨性、耐蚀性和疲劳强度。例如经滚压后的外圆表面粗糙度可达Ra0.4-0.25 m，硬化层深度0.2-0.05 m，硬度提高5%-20%。 图 6.8 滚压加工示意图 a)滚轮式 b)滚珠式 滚压加工特点如下： 1）前道工序的表面粗糙度Ra不大于5 m，压前表面要洁净，直径方向的余量为0.02-0.03mm。 2）滚压后工件的形状精度及相互位置精度主要取决于前道工序的形状位置精度。前工序表面圆柱度、圆度较差则还会出现表面粗糙度不均匀的现象。 3）滚压的对象一般只适宜塑性材料，并要求材料组织均匀。经滚压后的工件表面耐磨性、耐蚀性提高明显。 4）滚压加工生产率高，工艺范围广，不仅可以用来加工外圆表面，对于内孔、端面的加工均可采用。14 内孔表面的加工一、钻孔、扩孔和铰孔1、钻孔 钻孔是利用钻头在实体材料上加工内孔的工艺方法。 特点：属于粗加工，精度可达IT13IT11，Ra5012.5m。钻削时，由于刀具刚性差，钻头容易引偏，排屑和散热都较差，生产率低。 刀具：麻花钻。 机床：常用的有台式钻床、立式钻床、摇臂钻床，也可在车床、铣床、镗床上钻孔。 钻孔时的切削力主要是作用在钻头轴向的进给力Ff和钻削转矩M。 钻孔方式： 工件旋转，刀具进给（如在车床上钻孔），加工中如刀具引偏，会造成工件孔径扩大。 工件不动，刀具既旋转又进给（如在钻床上钻孔），加工中如刀具引偏，会造成工件孔轴线弯曲。2、扩孔 扩孔是用扩孔钻在已钻出、铸出、锻出或冲出的孔进行加工的方法。 特点：相当于半精加工，精度可达IT10，Ra 6.33.2m。扩孔可以修正孔轴线的歪斜，生产率高。3、铰孔 特点：铰孔一般作为未淬硬小孔的精加工方法。精度可达精度可达IT8IT6，Ra1.60.4m。手铰和机铰两种。机铰时，铰刀与机床采用浮动连接。铰孔只能提高孔本身的尺寸精度及形状精度，但不能校正孔的位置精度。 注意：钻孔、扩孔和铰孔是加工小孔常用的方法。二、镗孔镗孔是在工件已有的孔上进行扩大孔径的加工方法。 特点：镗孔可分为粗镗（IT13IT11，Ra50 12.5m）、半精镗（IT10IT9，Ra6.33.2m）和精镗（IT8IT6，Ra1.60.8m）。镗孔除了能提高尺寸精度和表面质量外，还可以修正孔的轴线的弯曲误差，且较容易保证各孔的孔距精度和位置精度。 镗孔方式有主轴进给、工作台进给两种，当工件较大、孔较短时采用主轴进给，反之则采用工作台进给。三、拉孔特点：属于的孔的精加工方法。在拉床上进行。精度可达IT8IT7，Ra0.80.4m。加工时以孔本身定位，不能修正孔的轴线歪斜。生产率高，但刀具复杂。四、磨孔特点：属于孔的精加方法。精度可达IT7，Ra1.60.4m。磨孔不仅能获得较高的尺寸精度和表面质量，而且还可以提高孔的位置精度和孔的轴线的直线度。与外圆磨削相比，工作条件较差：砂轮直径小，刚性差，排屑和散热困难，生产率低。五、研磨孔和珩磨孔1、研磨孔 是一种光整加工方法。精度可达IT7IT6，Ra0.40.025m，形状精度也有相应的提高，但不能提高位置精度。 2、珩磨孔 珩磨头对孔施加一定压力，当其旋转及作直线往复运动时，即可切除极小的加工余量。 精度可达IT7IT6，Ra0.40.025m。如下图所示。六、内孔表面加工方案的选择选择内孔加工方案时，除了考虑工件材料、生产批量、孔的精度与表面粗糙度过以及热处理要求外，还应考虑孔径的大小和长径比等。孔的加工方案序号加工方案公差等级表面粗糙度Ra(m)适用范围1钻IT13IT11 12.5用于加工除淬火钢以外的各种金属的实心工件2钻铰IT93.21.6用于加工除淬火钢以外的各种金属的实心工件，但孔径D20mm3钻扩铰IT9IT83.21.6用于加工除淬火钢以外的各种金属的实心工作，但孔径为10804钻扩粗铰精铰IT71.60.45钻拉IT9IT71.60.4用于大批量生产6（钻）粗镗半精镗IT10IT96.33.2用于除淬火钢以外的各种材料7（钻）粗镗半精镗精镗IT8IT71.60.88（钻）粗镗半精镗磨IT8IT70.80.4用于淬火钢、不淬火钢和铸铁件。但不宜加工硬度低、韧性大的有色金属9（钻）粗镗半精镗粗磨精磨IT7IT60.40.210粗镗半精镗精镗磨IT7IT60.40.02511粗镗半精镗精镗研磨IT7IT60.40.025用于钢件、铸铁和有色金属件的加工粗镗半精镗精镗精细镗15平面加工和沟槽一、平面加工 平面的加工方法有：车削、刨削、铣削、拉削、磨削、研磨、刮削等。1、刨平面 特点：加工精度较低，一般在IT9IT8，Ra6.31.6m，生产率较低。 设备有： 牛头刨床 用于平面的粗加工和半精加工。 龙门刨床 采用宽刃刨刀精刨可以提高平面的加工精度，Ra可达0.8m以下，直线度在长度1m上不大于0.02mm。同时，采用多刀、多件加工可提高其生产率。 另：插削平面实质上与刨削平面一样，用于加工方孔、多边形孔、键槽等内表面。 拉削平面实质上也是刨削平面，生产率高，但刀具制造困难，多用于大批量生产。2、铣平面 特点：可分为粗铣、半精铣和精铣。铣削过程为断续切削。零件精度可达IT10IT8，Ra6.31.6m。 铣削方式： 周铣：即用铣刀的圆周来铣削。周铣又可分为逆铣和顺铣。如下图。 逆铣：铣刀每一刀齿在工件切入处的切削速度方向与工件进给运动方向相反。aP由零变大，刀齿容易打滑，铣削力有将工件向上抬起的趋势。顺铣特点与逆铣正好相反。 端铣 特点：用铣刀的端面刃铣削。适用于大批量中铣削宽大的平面，并具有较高的生产率和表面质量。刀具刚性好，切削平稳。 铣削用量： 铣削速度c=dn/1000 (m/min) 进给量 有三种：每转进给量f 、每齿进给量Fz、进给速度f。其中f = fn = nzFz 吃刀量 有两个方向的吃刀量，即背吃刀量ap 平行于铣刀轴线方向；侧吃刀量ac垂直于铣刀轴线方向。 铣削力： 铣削力可分为三个正交方向的力：切削力fc 、垂直切削力fcn和背向力fap3、磨平面 特点：用于平面的精加工，加工精度可达IT7IT6，Ra0.80.2m。有圆周磨和端面磨两种，其中圆周磨的特点是砂轮与工件接触面积小，排屑和冷却条件好，工件发热变形小，可用作精磨；端面磨削与圆周磨正好相反，可用作粗磨。4、刮削平面 特点：属于光整加工，粗糙度可达Ra1.60.4m，平面直线度0.01mm/m，并能提高接触精度，提高工件的耐磨性。但生产率低，常用于单件小批量加工。5、研磨平面 特点：加工精度高，可达IT5IT3，Ra0.10.008m。常用于加工小型平板、平尺及块规的精密测量平面。平面的加工方案见下表。序号加