第四章 材料切削加工基础1.doc

第四章 材料切削加工基础 MaterialRemoved Fundament4.1金属切削加工概述411 金属切削加工的特点及应用金属切削加工（切屑的形成）-是利用切削刀具与工件的相对运动，从工件（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得符合一定质量要求的零件的加工过程。基本加工方法-车、铣、刨、磨、钻等，另外还有电火花、超声波、激光、等离子等特种加工方法。一般所讲的切削加工多指的是基本的机械加工。切削加工的地位-切削加工在机器制造中所担负的工作量，约占机器制造总工作量的40%60%。切削加工的技术水平直接影响机械制造工业的产品质量和劳动生产率。412 零件的加工精度和表面粗糙度1加工精度加工精度是指工件加工后，尺寸、形状和位置等参数的实际数值同它们绝对准确的理论数值之间相符合的程度。相符合的程度越高，也就是说加工误差越小，加工精度越高。加工精度主要包括尺寸精度、形状精度、位置精度。（1）尺寸精度尺寸精度-指加工后的零件的尺寸与理想尺寸相符合的程度。尺寸精度包含两个方面：一是表面本身的尺寸精度，如园柱面的直径；另一是表面间的尺寸精度，如孔间距。尺寸公差-在保证零件使用要求的前提下，应允许尺寸有一定的变动，尺寸允许变动的最大范围即为尺寸公差。公差越小，则精度越高。国家标准GB/T1800.21998规定，标准公差分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2、IT18表示。其中IT表示公差，数字表示等级。IT01的公差值最小，精度最高。其它的各等级中，数字越大，则公差等级越高，相应的精度也就越低。一般IT01IT13用于配合尺寸，其余的用于非配合尺寸。（2）形状精度形状精度是指零件上的各形状要素与理想形状要素的符合程度。当零件的尺寸精度满足要求时，并不意味着其形状也符合要求。如加工一个的轴，其实际尺寸为24.95，符合精度要求。但轴的某一截面的实际形状不是理想的圆形，故其形状不一定满足要求。关于形状误差方面，其表达符号及相应的含义详见表4-3表4-3 形状公差名称符号含义简介直线度零件被测要素直线（如轴线、平面交线等）与理想直线的符合程度平面度零件被测要素平面表面的凹凸不平程度园度回转体零件的横剖面上的实际轮廓与理想园形的符合程度园柱度园柱轮廓表面的实际形状与理想园柱相差的程度线轮廓度零件上被测的实际轮廓线与理想轮廓线相差的程度面轮廓度零件上被测的实际轮廓面与理想轮廓面相差的程度（3）位置精度位置精度是指零件上的表面、轴线等的实际位置与理想位置相符合的程度。零件加工时应允许有一定的误差，国家标准GB/T1182-1996、GB/T4249-1996、GB/T16671-1996规定了3类共8种标准位置公差，其表达符号及相应的含义详见表4-4。表4-4 位置公差类别名称符号含义简介定向平行度零件上被测要素（面或直线）与基准要素平行的程度垂直度零件上被测要素（面或直线）与基准要素垂直的程度倾斜度零件上被测要素（面或直线）与基准要素有一定的倾斜，实际倾斜的程度与理想倾斜的程度的差值定位同轴度被测回转面的轴线与基准轴线相重合的程度对称度被测要素（平面、轴线、直线）相对于基准要素对称的程度位置度被测要素（点、线、面）的实际位置与理想位置偏离的程度跳动园跳动被测的回转表面相对于以基准轴线为轴线的理论回转面的偏离程度。根据测量方向的不同，有端面、径向、斜向园跳动全跳动含义与园跳动相似，不同的是反映整个表面的跳动。有端面、径向两种2表面粗糙度无论用何种方法加工，在零件表面总会留下微细的凹凸不平的刀痕，出现交错起伏的现象。粗加工后的表面用肉眼就能看到，精加工后的表面用放大镜或显微镜仍能观察到。表面上微小峰谷间的高低程度称为表面粗糙度，也称微观不平度。图4-1 轮廓算术平均偏差图4-2 微观不平度十点高度Rayxxyp1yp2yp3yp4yp5yv5yv4yv3yv2yv1yp1y国家标准GB/1031-1995规定了表面粗糙度的评定参数和评定参数允许数值系列。常用参数是轮廓算术平均偏差Ra和微观不平度十点高度Rz，其含义分别见图4-1、图4-2。 或近似地 或近似地 表面粗糙度对零件的疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性、配合性能等方面均有很大影响。表面粗糙度的值越小，零件的表面质量越高，但零件的加工也越因难，加工成本也越高。因此在设计零件时，应根据实际情况合理选用，即在满足技术要求的条件下，尽可能选用较大的值。表4-5列出了不同加工方法所能达到的表面粗糙度，供选用时参考。表4-5 表面粗糙度选用举例加工方法表面粗糙度参数(Ra/m)表面状况应用举例粗车、镗、刨、钻100明显可见的刀痕如粗车、粗刨、切断等粗加工后的表面25.5粗加工后的表面，焊接前的焊缝、粗钻也壁等粗车、铣、刨、钻12.5可见刀痕一般非结合表面，如轴的端面、倒角等车、镗、刨、铣、钻、锉、磨、粗铰、铣齿6.3可见加工痕迹不重要零件的非配合表面，如支柱、支架、外壳等的端面。紧固件的自由表面、紧固件通孔的表面等。车、镗、刨、铣、拉、磨、锉、滚压、铣齿、刮12点/23.2微见加工刀痕与其它零件连接，但不形成配合的表面。如箱体、外壳等的端面。车、镗、刨、铣、拉、磨、铰、滚压、铣齿、刮12点/21.6看不清加工刀痕安装直径超过80的G级轴承的外壳孔、普通精度齿轮的齿面、定位销孔等重要表面。车、镗、拉、磨、立铣、滚压、刮310点/20.8可辨加工痕迹的方向要求保证定心及配合特性的表面。如锥销与园柱销的表面，磨削的轮齿表面、中速转动的轴颈等。铰、磨、镗、拉、滚压、刮310点/20.4微辨加工痕迹的方向要求长期保持配合性质稳定的配合表面。如IT7级的轴、孔配合表面，精度较高的轮齿表面等。布轮磨、磨、研磨、超级加工0.2不可辨加工痕迹的方向工作时受变应力作用的重要零件的表面。保证零件的疲劳强度、防腐性和耐久性，并在工作时不破坏配合性质的表面。超级加工0.1暗光泽面工作时承受较大变应力作用的重要零件的表面。保证精确定心的锥体表面等0.05亮光泽面保证高度气密性接合的表面。如活塞、柱塞和汽缸内表面等0.025镜状光泽面高压柱塞泵中柱塞和柱塞套的配合表面等精密表面0.012雾状光泽面仪器的测量表面和配合表面，尺寸超过100的块规工作面0.008镜面块规的工作表面，高精度测量仪器的测量面及其磨擦机构的支承表面413切削用量及选用1切削要素切削要素包括切削用量三要素和切削层几何参数。切削用量三要素-指切削速度vc、进给量f、背吃刀量ap，其数值的大小反映了切削运动的快慢和刀具切入工件的深浅。切削速度vc切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位为m/s。若主运动为旋转运动（图2-1），切削速度一般为其最大线速度。计算公式为：（m/s）式中 D 工件待加工表面的直径或刀具的最大直径（） n 主运动的转速（r/s）若主运动为往复直线运动（图2-2），则以其平均速度为切削速度，其计算公式为： （m/s）式中 l 往复运动行程长度（） 主运动每秒往返次数（str/s）l 进给量f 工件或刀具运动的一个循环（或单位时间）内，刀具在进给方向上相对工件的位移量。可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述和度量例如车削时（图2-3），工件每转一转，车刀沿工件轴线方向移动的距离即为进给量，单位为/r，称为每转进给量。刨削时，刀具每往复一次，工件移动的距离即为进给量，单位为/str，称为每行程进给量。铣平面时，铣刀每转一齿或一分钟，工件沿进给方向移动的距离，分别称为每齿进给量（/z）、每分钟进给量（/min）。l 背吃刀量ap如图2-3所示，车外园时，工件在切削加工过程中形成了三个表面，分别为：待加工表面（工件上即将被切削的表面）、已加工表面（工件上已切去切屑后留下的表面）、加工表面（工件上正被切削刃切削的表面，也就是待加工表面与已加工表面间的过渡表面）。待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，即为背吃刀量，单位为。ap值的大小直接影响主切削刃的工作长度，反映了切削负荷的大小。对于外园车削来说 式中D、d分别为工件待加工表面直径与已加工表面的直径。切削层-切削时，切削刃正在切削的这层金属。其几何参数指切削厚度、切削宽度、切削面积，见图2-3。l 切削厚度hD 刀具或工件每移动一个进给量的距离后，刀具切削刃相邻两个位置间的垂直距离，单位为。车外园时，（）l 切削宽度bD 沿主切削刃所量得的待加工表面与已加工表面间的距离，即切削刃与工件接触的长度，单位为。车外园时，（）l 切削面积AD 垂直于主运动方向上切削层的截面面积，即背吃刀量和进给量的乘积，或切削宽度与切削厚度的乘积，单位为2。车外园时，AD=bDhD=apf(2)。2. 切削用量的选择原则粗加工阶段：以提高生产率为主，因此应尽可能多地切除加工余量，在选择合理的刀具耐用度后，把背吃刀量选得大些，其次选择较大的进给量，最后确定合适的切削速度；对于有硬皮的铸件、锻件的第一刀加工，其背吃刀量应大于硬皮厚度；精加工阶段：为保证工件获得需要的尺寸精度和表面粗糙度，应选择较小的进给量和背吃刀量，较高的切削速度。只有在受到刀具等工艺条件限制不能使用较高切削速度时，才考虑选用较低的切削速度。l 背吃刀量的选择：不论是粗加工还是精加工，最佳方法是一次走刀就能完成切削加工。但当切削余量较大时，切削力较大，这时就会由于机床功率、刚度、刀具强度等方面的不足而无法一次完成。因此，生产中往往需要多次走刀，第一次走刀的背吃刀量，应在机床工艺系统的承受能力范围内尽可能取大值，其后的背吃刀量相对的可取小些。l 进给量的选择：当选定背吃刀量后，切削力的大小主要受进给量的影响。因此，粗加工时，由于对加工表面质量的要求不高，可在工艺系统允许的范围内尽可能取大值。精加工时，为减小切削力，同时保证较高的表面质量，宜选择较小数值。l 切削速度的选择：在选定了背吃刀量及进给量后，可根据合理的刀具耐用度，用计算法或查表法选择切削速度。粗加工时，若所选的切削速度较大，使得切削功率超过机床承受能力，这时应适当降低切削速度。414切削刀具1常用刀具切削部分材料目前机械加工中常用的刀具切削部分的材料主要有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷材料等l 碳素工具钢是一种含碳量较高的优质钢(含碳量一般为0.7%1.3%)。其优点是淬火后硬度较高，可达6066HRC，刃磨容易，价格低廉，但不能耐高温，在200250时即开始失去原来的硬度，所以切削速度不能太高。热处理时，淬透性差、变形大、易产生裂纹，所以不宜用来制造复杂的刀具。常用的牌号主要有T10A、T12A等，多用于制造锯条、锉刀等手工工具。l 合金工具钢在碳素工具钢中加入一定的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可减小热处理时的变形，淬火后具有较高的硬度（60 66HRC）。其含碳量一般为0.85%1.5%，能耐350400的高温，常用的牌号为9SiCr、CrWMn等。由于具有刃磨容易、热处理性能好、工艺性能好等优点，常用于制造丝锥、板牙、铰刀等形状复杂、切削速度较低（v0.15m/s）的刀具。l 高速钢又称锋钢、白钢，含有较多的钨、铬、钼、钒等合金元素。常用牌号为W18Cr4v和W6Mo5Cr4V2，能耐550600的高温。与前面的工具钢相比，高速钢的耐磨性、耐热性有显著的提高。与后面的硬质合金相比，具有较高的抗弯强度和抗冲击韧性，工艺性能、热处理性能也较好，容易刃磨锋利。因此，常用于制造钻头、铣刀、拉刀和齿轮刀具等形状复杂的刀具。由于耐热性不高，多用于切削速度不高的场合（v1。切屑厚度压缩比反映了切削过程中材料塑性变形程度的大小。对切削力、切削温度和表面粗糙度有重要影响。在其它条件不变时，切屑厚度压缩比越大，则切削力越大、切削温度越高、已加工表面也越粗糙。因此，在切削加工过程中，可根据具体情况，采取相应措施来减小变形程度，改善切削过程。例如，切削前对工件进行适当的热处理，以降低被加工材料的塑性，使切屑变形减小。422积屑瘤在一定速度下切削塑性材料时，前刀面上经常会粘附着一小块很硬的金属，这块金属就是积屑瘤（积屑瘤），它是由于前刀面与切屑间的剧烈磨擦而产生的。图4-16a所示，当切屑沿前刀面流出时，在一定的温度与压力的作用下，与前刀面接触的切屑底层会受到很大的磨擦阻力。当磨擦阻力超过切屑的分子间的结合力时，切屑底层的金属就会被从切屑上撕下而留在前刀面上，在切削刃附近形成积屑瘤。随着切削的继续进行，积屑瘤逐渐长大；当长大到一定程度后，就容易破裂而被工件或切屑带走，然后又形成新的积屑瘤，此过程反复进行。图4-16b所示，由于积屑瘤的存在，增大了刀具的工作前角。另外，在形成积屑瘤的过程中，金属材料因塑性变形而产生硬化，因此积屑瘤的硬度比被切材料高很多，可代替切削刃进行切削。由于积屑瘤可以保护切削刃、减小切削力，粗加工时希望积屑瘤存在。由于积屑瘤时大时小、时有时无，会影响切削过程的平稳性。积屑瘤使刀尖的位置偏离了准确位置，使得加工产生尺寸误差，零件的加工精度降低。另外，积屑瘤会在已加工表面产生划痕，并且部分切屑还会粘附在已加工表面上，因此，积屑瘤会影响表面粗糙度（图4-16c所示）。积屑瘤对加工表面质量及零件加工精度有不利的影响，因此，精加工中应避免产生积屑瘤。abc图4-16 积屑瘤及其对切削过程的影响工件材料-塑性越好，越容易产生积屑。因此，若要避免产生积屑瘤，应对塑性好的材料进行正火或调质处理，提高其硬度和强度，降低塑性，然后再进行加工。切削速度（图3-12）-切削速度很低（v1.5m/s）时，切削温度很高，磨擦力较小，也不会产生积屑瘤。因此，一般精车、精铣时，采用高速切削；而拉削、铰削时均采用低速切削，都可避免产生积屑瘤。另外，增大前角、减小切削厚度、降低前刀面粗糙度、合理使用切削液等，都可减少或避免积屑瘤的产生。423 材料切削加工性。材料切削加工性是指材料被切削加工的难易程度。某种材料切削加工性的好坏往往是相对于另一种材料而言的，具有一定的相对性。1VT-一定刀具耐用度下的切削速度。即刀具耐用度为T时，切削某种材料所允许的切削速度。该值越大，则材料的切削加工性越好。通常取T=60min，则VT可记作V60，若取T=30，则记作V30。2 对加工性Kr：以正火处理后的45钢的V60值作为基准，将其它材料的V60值与其比较，所得比值即为该材料的Kr。常用材料的相对加工性可分为8级，详见表4-7。凡Kr1的材料，其切削加工性比45钢好，反之较差。3已加工表面质量：凡较容易获得较好的表面质量的材料，其切削加工性较好，反之较差。精加工时常以此作为指标。4 切屑控制或断屑的难易：凡切屑较容易控制或易于断裂的材料，其切削加工性较好，反之较差。在自动机床上加工时，常以此为主要指标。5 切削力：在相同的条件下，凡切削力较小的材料，其切削加工性较好，反之较差。在粗加工中，当机床的动力或刚度不足时，常以此为主要指标。在以上所有的这些指标中，前两者是最常用的指标，对于不同的加工条件都适用。表4-7 材料切削加工性加工性等级名 称 和 种 类相对加工性Kr代 表 性 材 料(b单位:MPa)1很容易切削一般有色金属3铝镁合金,9-4铝铜合金23容易切削材料易切削钢较易切削钢2.53.01.62.515Cr退火b=380450自动机钢b=40050030钢正火b=45056045普通材料一般钢及铸铁稍难切削材料1.01.60.651.045钢,灰铸铁2Cr13调质b=85085钢b=900678难切削材料较难切削材料难切削材料很难切削材料0.50.650.150.50.1545Cr调质b=105065Mn调质b=950100050Crv调质,某些钛合金某些钛合金,铸造镍基高温合金影响材料切削加工性的主要因素：材料的强度、硬度高-则切削力大，切削温度高，刀具磨损快，切削加工性较差。材料的塑性大-则断屑困难，不易获得较高的表面质量，切削加工性也就较差。材料的导热性差-切削热不易散失，会导致切削温度高，其切削加工性也就不好。改善切削加工性：高碳钢-进行球化退火处理可以降低其硬度，低碳钢-进行正火处理可以降低其塑性，铸铁-进行退火处理以降低其表层硬度等，。在钢中添加硫、铅等某些元素-可使其切削加工性得到显著改善，这样的钢称为“易切削钢”。424主要技术经济指标1产品质量零件经切削加工后的质量主要包括加工精度与表面质量。通常所说的某种加工方法所能达到的加工精度，是指正常操作情况下所能达到的经济精度（即保证生产成本最低的精度）。表面质量包括表面粗糙度、表层加工硬化的程度和深度、表层残余应力的性质和大小。在一般情况下，零件的尺寸精度要求越高，其形状和位置精度要求也越高，表面粗糙度的值也越小。 2. 生产率 切削加工中，常以单位时间内生产的零件数量来表示生产率，如 式中：R0生产率 tw生产一个零件所需的时间tw由三个部分组成：(1)基本工艺时间tm，即加