金属工艺学-第一章 金属切削的基础知识#

金属切削加工是用刀具切去被加工零件上的多余金属层，从而获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的加工过程。,第一章 金属切削的基础知识,切削加工分为钳工和机械加工(简称机加工)两部分。 钳工一般是通过工人手持工具来进行切削加工。 机加工是通过工人操作机床进行切削加工。如，车削、钻削、镗削、铣削、刨削、磨削等。,第一章 金属切削的基础知识,第一节 切削运动及切削要素,一 零件表面的形成及切削运动,第一章 金属切削的基础知识,1. 零件表面的形成 平面 回转面（圆柱面、圆锥面） 成形面（如球面、螺旋面等）,2. 切削运动 在加工这些面时，刀具与工件之间必须有一定的相对运动，即切削运动。根据它们在切削过程中所起的作用不同，可分为主运动和进给运动。 主运动 :主运动是刀具与工件之间的相对运动。 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。,第一节 切削运动及切削要素,二、切削用量,第二章 金属切削的基础知识,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。,第一节 切削运动及切削要素,二、切削用量,第一章 金属切削的基础知识,2.切削用量,1)切削速度,切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度,第一节 切削运动及切削要素,二、切削用量,第一章 金属切削的基础知识,2.切削用量,2)进给量,进给量f刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量。 单齿刀具一般用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，mm/r或mm/st.。 多齿刀具：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.。每齿进给量fz,Vf=fn= fz zn,第一节 切削运动及切削要素,二、切削用量,第一章 金属切削的基础知识,2.切削用量,3)背吃刀量,在通过主切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进及运动方向测量的切削层尺寸，称为背吃刀量，单位mm。 对于车削和刨削加工来说，背吃刀量是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上度量的已加工表面与待加工表面之间的距离。,第一节 切削运动及切削要素,二、切削层参数,第一章 金属切削的基础知识,切削层公称厚度：hD,切削层公称宽度：bD,切削层公称横截面积：AD,第二节 刀具材料及刀具结构,一、刀具的组成,二、刀具材料,1、对刀具材料的基本要求,（1)较高的硬度。 HRC60以上,（2）足够的强度和韧性，以承受切削力、冲击和振动。,（3）较好的耐磨性，抵抗切削过程中的磨损。,（4）较高的耐热性，在较高温度下仍能保持较高硬度。,（5）较好的工艺性，以便于加工成各种刀具。,2.常用刀具材料,三、刀具角度,第二节 刀具材料及刀具构造,各种刀具的切削部分形状,二、刀具角度,1、车刀切削部分的组成,第二节 刀具材料及刀具构造,前刀面：切屑流出所经过的刀具表面,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,主后刀面,副切削刃,主切削刃,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 刀尖：主切削刃与副切削刃的连接部分,刀尖,二、刀具角度,2、车刀切削部分的主要角度,第二节 刀具材料及刀具构造,（1）刀具静止参考系 三个辅助平面： 基 面 切削平面 正交平面,基面通过主切削刃上的某一点，与主运动 方向相垂直的平面。,切削平面通过主切削刃上的某一点，与加工表面 相切并垂直于基面的平面,正交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。,二、刀具角度,第二节 刀具材料及刀具构造,返回,(2)刀具的主要标注角度 在基面pr内标注的角度 .主偏角kr:主切削平面与假定工作平面间夹角，即主切削刃在基面上的投影与进给方向间夹角（4090）。 .副偏角kr:副切削平面与假定工作平面间夹角，即副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间夹角。,二、刀具角度,2、车刀切削部分的主要角度,第二节 刀具材料及刀具构造,主偏角kr、副偏角kr越大，残留面积越大,主偏角kr越大，进给抗力越大，切深抗力越小,(2).标注角度 在正交平面po标注的角度,.前角o:前刀面与基面间夹角（015）。,.后角o :主后刀面 与主切削平面间夹角（612）,前角的作用,前角越大，刀越锋利、切削轻快， 强度下降、不利散热,后角的作用,减小主后刀面与加工表面的摩擦,(2) 标注角度,在主切削平面ps标注的角度,刃倾角s:主切削刃与 基面间夹角（-5+5）。,刃倾角的作用,刃倾角对切屑排出方向的影响,第二节 刀具材料及刀具构造,（3）刀具的工作角度, 刀具装夹位置的影响,刀尖高低对刀具工作角度的影响,车刀刀杆安装偏斜对刀具角度的影响, 进给运动的影响,三、刀具结构,刀具的结构形式很多，有整体式、焊接式、机夹不重磨式等。 目前一般整体式的多为高速钢车刀，其结构简单，制造、使用都方便。而对于贵重刀具材料，如硬质合金等，可采用焊接式或机夹不重磨式。焊接式车刀结构简单、紧凑、刚性好，可磨出各种所需角度，应用广泛。 机夹不重磨刀具不需焊接和刃磨，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。,第二节 刀具材料及刀具构造,一、切屑形成过程及切屑种类,1、切屑的形成过程,第三节 金属切削过程,弹性变形,塑性变形,挤裂,切离,切屑,一、切屑形成过程及切屑种类,2、切屑的种类,第三节 金属切削过程,(1)带状切屑,(2)节状切屑,(3)崩碎切屑,带状切屑,崩碎切屑,二、积屑瘤,1、形成,第三节 金属切削过程,摩擦阻力切屑滞流层切屑粘在刀具上积屑瘤,二、积屑瘤,2、积屑瘤的影响,第三节 金属切削过程,积屑瘤对粗加工有利，对精加工不利。,特点：时大时小、时有时无。对加工的影响如下： （1） 保护刀具 （2） 增大前角 （3）工件尺寸变化 （4）增大表面粗糙度 （5）引起振动,二、积屑瘤,3、积屑瘤的控制,第三节 金属切削过程,主要的影响因素,切削速度（切中碳钢）100 m/min不形成,冷却润滑条件300500oC最易产生500oC趋于消失,降低塑性(正火、调质),选用低速或高速,选用切削液,控制措施,工件材料的性能,塑性越大，越易产生,三、切削力与切削功率,1、切削力的构成与分解,第三节 金属切削过程,主切削力 Fc,进给力Ff,总切削力F,背向力Fp,占F 的8090%, 消耗功率 95% 以上,三、切削力与切削功率,1、切削力的构成与分解,第三节 金属切削过程,三、切削力与切削功率,2、切削力的估算,第三节 金属切削过程,（1）用经验公式估算,例：用o=15o、Kr=75o的硬质合金刀切削热轧结构钢外圆，计算公式为,N,可见对切削力的影响：工件、刀具材料影响最大；背吃刀量影响进给量,三、切削力与切削功率,2、切削功率,第三节 金属切削过程,（1）切削功率,（2）机床电动机功率,四、切削热,1、切削热产生、传出及对加工的影响,第三节 金属切削过程,传散：Q变形+Q前摩+Q后摩=Q屑+Q工+Q刀+Q介切削热的50%-86%由切屑带走。,四、切削热,2、切削温度,第三节 金属切削过程,切削温度的高低取决于切削热的产生与传导情况，它受切削用量、工件材料、刀具材料及几何形状等因素的影响。,3.切削液,（1）种类,（2）作用,冷却润滑,水基切削液油基切削液,第三节 金属切削过程,五、刀具磨损和刀具耐用度,1、刀具磨损形式,第三节 金属切削过程,（1）前刀面磨损（2）后刀面磨损（3）前后刀面同时磨损,(通常以后刀面磨损值VB表示刀具磨损程度),2、刀具磨损过程： 前面磨损、后面磨损、前后面同时磨损 。 刀具磨损过程： 初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段,3、刀具耐用度,第三节 金属切削过程,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，从而引入刀具耐用度的概念。,粗车：VB=0.41.2mm精车：VB=0.10.3mm,刀具耐用度：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。,刀具寿命：新刀从第一次切削开始，经多次刃磨切削到不 能再刃磨使用，实际切削工作时间的总和。,3、刀具耐用度,第三节 金属切削过程,（1）刀具耐用度T、刀具寿命,（2）影响刀具耐用度的因素例：硬质合金车削b=735MPa碳素结构钢,切削用量对刀具耐用度的影响：vc f ap,CT-与工件材料和刀具材料有关的常数,一、零件的加工质量,第四节 切削加工技术经济分析,1.加工精度,尺寸精度,形状精度,位置精度,2.表面质量,表面粗糙度,加工硬化,残余应力,加工质量,一、零件的加工质量,1、加工精度,第四节 切削加工技术经济分析,指零件在加工之后，其尺寸、形状和各部位间相互位置等参数的实际值与理想数值相符合的程度。符合程度越高，加工误差越小，加工精度就越高。,（）尺寸精度：指表面本身和表面间的尺寸精度。尺寸精度的高低用标准公差表示，国家标准将标准公差分为个等级，即IT01、IT0、IT1至IT18。其中IT是International Tolerance表示标准公差，其后数字表示公差等级，数字越大，精度越低。 IT01一ITl3用于配合尺寸，其余用于非配合尺寸。 选择公差等级时，既要满足设计要求，也要考虑到工艺的可能性和经济性。,第四节 切削加工技术经济分析,（）形位精度：包括形状精度和位置精度，是指零件加工后的实际形状、各部位间的实际位置与其理想形状、理想位置相接近的程度。其精度高低，用形位公差表示。 位置公差与形状公差有相似之处，常被合称为形位公差，但是它们有明显的区别。形状公差控制单一几何要素的误差，位置公差则控制多个几何要素的相互位置关系，其中以某一要素为基准。 选择公差等级的总的原则是：在满足零件使用功能的前提下，尽量采用较低的等级，以利于加工和降低成本。,一、零件的加工质量,2、表面质量,第四节 切削加工技术经济分析,（）表面粗造度：是指加工表面的微观几何误差，一般是由于切削过程中，刀具相当于零件的运动轨迹、刀具和零件表面的摩擦、切削层金属的撕裂以及工业系统的振动等原因所致。,一、零件的加工质量,2、表面质量,第四节 切削加工技术经济分析,（）加工硬化：工件表层金属在形成已加工表面的过程中经过强烈的塑性变形，使其晶粒伸长、扭曲和破碎而被强化的现象。切削过程中的变形越大，加工硬化程度越严重，硬化层的深度也越大。加工硬化可提高工件表层的耐磨性，脆性增加，并常伴随有表面裂纹，从而降低了零件的疲劳强度，还给后续的切削加工带来困难，加速刀具磨损。一般要避免或减轻这种现象。,一、零件的加工质量,2、表面质量,第四节 切削加工技术经济分析,（）加工硬化：工件表层金属在形成已加工表面的过程中经过强烈的塑性变形，使其晶粒伸长、扭曲和破碎而被强化的现象。切削过程中的变形越大，加工硬化程度越严重，硬化层的深度也越大。 加工硬化可提高工件表层的耐磨性，脆性增加，并常伴随有表面裂纹，从而降低了零件的疲劳强度，还给后续的切削加工带来困难，加速刀具磨损。一般要避免或减轻这种现象。,一、零件的加工质量,2、表面质量,第四节 切削加工技术经济分析,（）残余应力：是在没有外力作用的情况下，零件内部残存的应力。残余应力可分为残余拉应力和残余压应力，残余拉应力使零件表面产生微裂纹，降低了零件的疲劳强度，残余压应力可提高零件的疲劳强度。凡能减小切削变形、切削力和切削热的措施，均可减小残余应力。,二、生产率及其提高的途径,1、生产率：,第四节 切削加工技术经济分析,单位时间内所生产零件数来表示。,在机床上加工一个零件所用的时间包括三部分： 基本工艺时间：即加工一个零件所需的总切削时间； 辅助时间：与切削加工直接有关的时间（装卸、调整等）； 其它时间：与切削加工无直接关系的时间；,二、生产率及其提高的途径,2、提高生产率的途径,第四节 切削加工技术经济分析,（） 缩短基本工艺时间,提高切削用量：在切削用量三要素中，切削深度主要取决于加工余量的大小；进给量的选择受表面粗造度等条件的限制；因此提高切削速度可大大提高单位时间内的金属切除量。 减少切削行程长度：可采用多刀加工，几把刀具同时加工几处表面，可减少切削行程长度，使各工步和进给的基本时间重合或部分重合，提高了生产率。,二、生产率及其提高的途径,2、提高生产率的途径,第四节 切削加工技术经济分析,（2） 缩短辅助时间：,采用多工位加工或相同夹具交替工作，均可提高生产率。采用多件、多刀、成形刀具及高效机床加工；采用先进夹具及快换刀夹和自动换刀装置；,（3） 缩短其它时间：,改进车间管理、生产调度、改善劳动条件、做好各项技术准备和组织准备工作等，均可减少其它时间的消耗。,三、经济性,第四节 切削加工技术经济分析,某方案的技术经济效果：E=V/C 经济性是指所制定的切削加工方案在保证加工精度和表面质量的前提下，生产成本最低。 生产成本包括工时成本和刀具成本。,工时成本 刀具成本 切削加工最优的技术经济总目标应是在可能的条件下，以最低的成本高效地加工出质量合格的零件或产品。 与该目标密切相关的问题：切削用量、切削液及材料的切削加工性。,四、 切削用量的合理选择,1、切削用量的选择原则：,第四节 切削加工技术经济分析,（）切削用量对加工质量的影响 背吃刀量增大时，切削力和工件变形增大，还可能引起振动，使零件的加工精度和表面质量下降。当进给量增加，使工件残留面积的高度显著增大，表面更粗糙。当切削速度增大时，切削力减小，可减小或避免积屑瘤，有利于提高加工质量；,（）切削用量对刀具耐用度的影响 在切削用量中，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。,四、 切削用量的合理选择,1、切削用量的选择原则,第四节 切削加工技术经济分析,（）选择切削用量的原则 粗加工：以提高生产率和保持刀具耐用度为目的，一般应取较大的背吃刀量和进给量，切削速度并不太高。 精加工：以保证加工质量为目的，一般取较大的切削速度，较小的背吃刀量和进给量。,四、 切削用量的合理选择,2、切削用量的合理选择,第四节 切削加工技术经济分析,（1）背吃刀量的选择 粗加工时尽可能一次去除加工余量；精加工时应一次切除精加工工序余量；若加工余量较大，可分两次或多次切除，第一刀的背吃刀量应尽可能大些，其后的可相应的小些。,（2） 进给量的选择 切削深度确定后， 粗加工时的进给量应根据机床系统的强度和刀具强度选择，因为进给量数值直接影响切削力的大小。精加工时，一般切削深度不大，切削力较小，主要受工件表面粗糙度的限制。,四、 切削用量的合理选择,2、切削用量的合理选择,第四节 切削加工技术经济分析,（3）切削速度的选择 在切削深度、进给量选定后，可按查表法或按合理刀具耐用度法确定最佳的切削速度。粗加工时切削速度受机床功率限制；而精加工时，主要受刀具耐用度的限制。,五、 切削液的选用,1、切削液的作用与种类,第四节 切削加工技术经济分析,（1）作用 切削液主要通过冷却和润滑作用来改善切削过程。,（2）种类 水基切削液 油基切削液,五、 切削液的选用,2、切削液的选用,第四节 切削加工技术经济分析,粗加工时，主要要求冷却，一般应选用冷却作用较好的切削液。精加工时，应选用润滑作用较好的切削液。 加工钢件时，通常选用乳化液和硫化切削液；加工铜合金和有色金属时，不宜采用含硫化油的切削液；加工脆性材料时，一般不用切削液。 高速钢刀具可选用切削液，硬质合金刀具一般不选用切削液。,六、工件材料的可加工性,1、工件材料的可加工性的概念,第四节 切削加工技术经济分析,指材料在一定的加工条件下被加工的难易程度。,2、可加工性的衡量指标,一定刀具