机械制造及其自动化.ppt

第二章 切削过程及控制 第二章切削过程及控制 金属切削过程工件与刀具相互作用的过程金属切削加工用刀具从工件表面上切除多余的材料 以获得几何形状 尺寸精度 表面粗糙度及表面层质量等各个方面符合要求的加工方法 要求高质量 高效率 低成本 第二章切削过程及控制 实现切削过程的三个条件切削运动工件与刀具之间要有相对运动切削性能刀具材料必须具备一定的切削性能切削角度刀具必须具有合理的几何参数 2 1金属切削刀具基础 切削加工的基本概念刀具角度刀具材料 2 1 1切削加工的基本概念 一 工件加工表面在切削过程中工件上通常存在着三个不断变化的表面待加工表面工件上即将切除的表面已加工表面工件上已经切除而形成的新表面过渡表面工件上正在切削的表面 介于已加工表面和待加工表面之间 2 1 1切削加工的基本概念 以车削外圆为例 工件做旋转运动 刀具作纵向直线运动 形成了工件的外圆表面 在新的表面的形成过程中 工件上有三个依次变化的表面 切除多余金属后形成的表面 处于已加工表面与待加工表面之间 与主切削刃正对 即将被切除金属层的表面 2 1 1切削加工的基本概念 二 切削运动刀具与工件间的相对运动 表面成形运动 从而切除多余金属 使工件获得所需要求的形状和精度切削运动可分为主运动和进给运动 主运动和进给运动的向量和称合成切削运动 2 1 1切削加工的基本概念 以外圆车削为例 主运动 工件的回转运动 使新的金属层不断投入切削过程并使其在所需方向上继续下去的运动 切削速度 进给速度 合成切削运动速度 Ve Vc Vf 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 钻孔 切断 刨 铣加工 3 主运动只有一个 进给运动可以一个以上 2 1 1切削加工的基本概念 三 切削用量切削速度vC 切削刃相对于工件的主运动速度 m s 主运动为旋转运动 计算公式为 主运动为往复直线运动 计算公式为 dw 工件待加工表面或刀具的最大直径n 工件或刀具每分钟转数 L 往复直线运动的行程长度nr 主运动每分钟的往复次数 2 1 1切削加工的基本概念 三 切削用量进给量f 在主运动每转一转或每一行程时 或单位时间内 刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移V n zzn 2 1 1切削加工的基本概念 ap dw dm 2mm 三 切削用量背吃刀量ap 刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值对外圆车削 对钻孔 ap dm 2mm 2 1 1切削加工的基本概念 思考题确定下列加工方法的切削用量 a 车外圆b 车端面c 切槽 2 1 1切削加工的基本概念 思考题确定下列加工方法的切削用量 2 1 1切削加工的基本概念 思考题确定下列加工方法的切削用量 2 1 1切削加工的基本概念 例题车外圆时工件加工前直径为62mm 加工后直径为56mm 工件转速为4r s 刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm 工件加工长度为110mm 切入长度为3mm 求v f ap和切削工时t 例题解答解 v dn 1000 62 4 1000 0 779m sf vf n 2 4 0 5mm rap dw dm 2 62 56 2 3mmt l l1 l2 vf 110 3 0 2 56 5s l 工件加工长度 l1 工件切入长度 l2 工件切出长度 车外圆时工件加工前直径为62mm 加工后直径为56mm 工件转速为4r s 刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm 工件加工长度为110mm 切入长度为3mm 求v f ap和切削工时t 2 1 1切削加工的基本概念 四 切削层参数 由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层 切削层的截面尺寸称为切削层参数 它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小 通常在基面Pr内度量 1 切削厚度ac s 0 ac fsin r 2 切削宽度awaw ap sin r 3 切削层面积Ac 0 Ac acaw fap 2 1 2刀具几何角度 刀具切削部分的构造确定刀具角度的参考平面刀具的标注角度刀具的工作角度 下面以外圆车刀为例 给出刀具几何参数方面的有关定义 2 1 2刀具几何角度 一 刀具切削部分的构造刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分 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 组成可用一句话总结 三面两刃一尖 2 1 2刀具几何角度 三面两刃一尖 切屑流过的表面 前刀面和副后刀面相交的部分 主切削刃和副切削刃相交的部分 前刀面和后刀面相交的部分 与工件过渡表面相对的表面 工件已加工表面相对的表面 2 1 2刀具几何角度 一 刀具切削部分的构造 2 1 2刀具几何角度 基面Pr通过切削刃选定点 垂直于主运动方向的平面 通常 基面应平行或垂直于刀具上便于制造 刃磨和测量的某一安装定位平面或轴切削平面Ps通过切削刃选定点 与主切削刃相切并垂直于基面Pr的平面即主切削刃与切削速度方向构成的平面正交平面Po通过切削刃选定点 同时垂直于Pr和切削平面Ps的平面 二 刀具标注角度参考系 2 1 2刀具几何角度 三 刀具的标注角度 在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度 称为刀具标注角度 如果切削刃是曲线或前 后刀面是曲面的情况下 定义刀具的角度时 应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面 外圆车刀正交平面参考的标注角度 2 1 2刀具几何角度 2 1 2刀具几何角度 外圆车刀正交平面参考的标注角度 2 1 2刀具几何角度 正交平面 基面 Pr 切削平面 0 0 900 2 1 2刀具几何角度 主偏角Kr和副偏角K r kr 主偏角Kr 基面中测量的主切削刃在基面的投影与进给运动方向的夹角 副偏角K r 基面中测量的副切削刃在基面的投影与进给运动反方向的夹角 2 1 2刀具几何角度 主偏角Kr对加工性能的影响KrAc从而影响散热影响刀具的耐用度 但是Kr过小使工件受力变大 导致工件变形 2 1 2刀具几何角度 主偏角改变时 径向切削力的变化图 主偏角Kr对加工性能的影响 2 1 2刀具几何角度 副偏角K r对加工性能的影响 副偏角对残留面积高度的影响图 K r影响已加工表面的表面粗糙度 减小副偏角可使已加工表面光洁 车削时工件表面的残留面积 2 1 2刀具几何角度 主 副偏角对加工性能的影响 注意 车外圆与车端面主 副偏角的变化 2 1 2刀具几何角度 刃倾角 s 刃倾角 s是主切削刃与基面的夹角 影响切屑的流出方向 2 1 2刀具几何角度 刃倾角 s 刃倾角对刀尖强度的影响 2 1 2刀具几何角度 直角切削 s 0的切削 主切削刃与切削速度方向垂直斜角切削 s 0的切削 主切削刃与切削速度方向不垂直 外圆车刀正交平面参考的标注角度 2 1 2刀具几何角度 2 1 2刀具几何角度 四 刀具的工作角度 进给运动对刀具工作角度的影响 1 横向进给运动的影响 oe o oe o tan f d 当进给量f一定时 随d值 值 接近中心 oe为负值 当f 值 横车时f不宜过大 并应适当加大 o 2 1 2刀具几何角度 四 刀具的工作角度 进给运动对刀具工作角度的影响 2 纵向进给运动的影响 oe o oe o tan tan fsin r fsin r dw f 或dw 时 f 均 车削右螺纹时左侧刃应 o 左8 右2 右刃应 o 车右螺纹时左侧刃 fe f f fe f ftan f f dw 2 1 2刀具几何角度 pe p p pe p ptan p h oe o oe o tan tan pcos r 假定车刀 s 0 刀尖高于工件中心 若刀尖低于工件中心 角度变化与上述相反 四 刀具的工作角度 刀具安装位置对工作角度的影响 1 刀具安装高低的影响 2 1 2刀具几何角度 四 刀具的工作角度 刀具安装位置对工作角度的影响 2 刀杆中心线与进给方向不垂直的影响 G G G G 2 1 2刀具几何角度 思考 基面Pr与工作基面Pre的不同 基面Pr是通过切削刃上选定点且垂直于假定主运动方向的平面 工作基面Pre是通过切削刃上选定点 垂直于合成切削运动方向的平面 二者的不同点在于前者的主运动方向是假定的 而后者的合成切削运动方向是实际存在的 2 1 2刀具几何角度 思考 前角 o与工作前角 oe的不同 前角 o是在正交平面Po上测量的前面A 与基面Pr之间的夹角 工作前角 oe是在工作正交平面Poe中测量的前面A 与工作基面Pre之间的夹角 二者的差异在于定义刀具角度参考系的三个基准平面都不同 原因还在于静止参考系的基准轴线是假定的 而工作参考系的基准是实际存在的合成切削运动与进给运动 2 1 3刀具材料 刀具的切削性能决定于刀具结构 切削部分的材料和几何参数 一 刀具材料必须具备的性能 高的硬度和耐磨性常温硬度60HRC以上 耐磨性是硬度 组织结构及化学性能等的综合反映 足够的强度和冲击韧性 高耐热性高温硬度 强度 耐磨性 抗氧化性 抗扩散粘结性等 良好的工艺性锻造性能 磨削性能 热处理性能等 经济性 2 1 3刀具材料 上述性能中有些是相互矛盾的 如硬度越高 耐磨性越好的材料的韧性和抗破损能力就越差 耐热性好的材料韧性也较差 实际工作中 应根据具体的切削对象和条件 选择最合适的刀具材料 2 1 3刀具材料 二 常用刀具材料的种类及特性 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 金刚石 立方氮化硼等 2 1 3刀具材料 二 常用刀具材料的种类及特性 高速钢 具有较高的热稳定性 具有高的强度和韧性 具有一定的硬度和耐磨性 广泛用于制造中速切削及形状复杂的刀具 如麻花钻 铣刀 拉刀 各种齿轮加工工具 1 通用型高速钢 含碳量0 7 0 9 62 66HRC 主要用于一般材料的常规加工 速度不高于50m min 2 高性能高速钢 增加碳量钒量 添加钴铝等66 70HRC 主要用于难加工材料的加工 加工普通材料可达90m min 为了提高高速钢的硬度和耐磨性 常用如下措施来提高其性能 在高速钢中增添新的元素 用粉末冶金法消除碳化物的偏析并细化晶粒 2 1 3刀具材料 二 常用刀具材料的种类及特性 高速钢 2 1 3刀具材料 二 常用刀具材料的种类及特性 硬质合金 强度和韧性小于高速钢 工艺性差 但耐热性好 适于制造高速切削刀具 为了克服常用硬质合金强度和韧性低 脆性大 易崩刃的缺点 常采用如下措施改善其性能 调整化学成分可以使硬质合金既有高的硬度又有好的韧性细化合金的晶粒采用涂层刀片 2 1 3刀具材料 二 常用刀具材料的种类及特性材料 硬质合金分类 YG K 类YT P 类YW M 类短切屑黑色金属加工长切屑的钢材 铸铁等有色金属 非金属黑色金属有色金属 非金属WC CoWC TiC CoWC TiC TaC Co 常用硬质合金牌号及应用范围 2 1 3刀具材料 二 常用刀具材料的种类及特性 各类硬质合金钢刀具 2 1 3刀具材料 三 新型刀具材料1 陶瓷材料 硬度高 化学性能稳定 耐氧化 但强度低 韧性差 广泛用于高速切削加工的精加工阶段 2 立方氮化硼 属于超硬材料 硬