第一章 金属切削的基本要素

机械制造技术基础,授课教师：丁志职称：讲师,制造技术基础教学安排,学习方法：理论与实践并重，注重积累。考评方式：卷面（70）实验（10）考勤（20）参考教材：机械制造工程原理冯之敬清华出版社机械制造技术基础于骏一机工出版社,课程设置：课堂教学（50）实验（6）学分：3.5,制造技术基础课程简介,主要内容：金属切削过程及其基本规律机床、刀具、夹具的基本知识机械加工和装配工艺规程的设计机械加工精度和表面质量先进制造技术及其发展趋势是金属切削原理与刀具、机床概论、机床夹具设计、机械制造工艺学、先进制造技术等课程的综合。,课程简介：主要介绍机械产品的生产过程及生产活动的组织、机械加工过程及其系统。,制造技术基础序言,机械产品的生命周期：,设计,制造,装配,销售,机械产品的生产过程：,毛坯,合格零件,产品,工艺过程,装配工艺,制造技术基础序言,工艺过程：,工艺过程,机械加工方法,工艺系统,工艺规程,常用加工方法,特种加工,机床,刀具,夹具,工件,机械加工工艺系统,所谓加工工艺系统就是机床、刀具、夹具和工件的总和。,工件,夹具,夹具,机床,刀具,机床,刀具,工件,加工过程中，通过刀具相对于工件位置的改变，进而获得所要加工的零件表面。,第1章金属切削的基本要素,1.1工件的成形方法1.2零件表面成形原理1.3刀具的基本知识,1.1工件的成形方法,质量M的变化M0、M0和M0三种类型。,1M0的制造过程,特点:主要指传统的切削加工方法；在制造过程中原材料逐渐被切除,最终获得零件的几何形状及表面质量。,制造方法：车削、铣削、刨削、钻削、镗削、磨削等切削加工和特种加工,2M0的制造过程,特点：原材料主要是发生形状变化，其质量不变,制造方法：模具（注塑模、压铸模、银模、冲裁模、拉伸模、吹塑模等等）,3M0的制造过程,特点：材料累加获得，可制造复杂零件,制造方法：快速成型技术,零件表面是由(a)平面、(b)直线成形表面、(c)圆柱面、(d)圆锥面、(e)球面、(f)圆环面、(g)螺旋面等组成。,零件的形状是由各种表面组成的，零件的切削加工就是表面的成形。,1工件的表面形状,1.2零件的表面成形原理,2工件表面的成形方法,各种典型表面都可以看作是一条线(称为母线)沿着另一条线(称为导线)运动的轨迹。,根据这些工件表面的成形原理发明了车、铣、钻、镗、磨等机床。,形成表面发生线的四种方法,1.3刀具的基本知识,刀具与工件之间主要的相对运动，它使工件材料由被切削层转变为切屑，形成工件的新表面。,(1)主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。,(2)切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,1切削运动,1）主运动,进给运动使工件的被切削层不断投入切削，形成已加工表面。(1)进给运动方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。(2)进给速度v：切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,*切削运动中：主运动的速度最高、消耗的功率最大，一般是连续运动，可以是工件或刀具，且只有一个。进给运动可以有一个或几个，可以是刀具或工件,可以是间歇或连续运动。,2）进给运动,主运动和进给运动合成的运动。,（1）合成切削运动方向,图中vc、v和ve之间的关系为ve=vc+vve=vc/cos,3）合成切削运动,（2）合成切削速度ve,（3）合成切削速度角：主运动方同和合成切削运动方向之间的夹角；它在工作进给剖面内度量。,（1）待加工表面加工时即将被切除的表面。,4）切削过程中工件上的加工表面,（2）己加工表面已被切去多余金属而形成符合要求的工件新表面。,（3）过渡表面加工时由主切削刃正在切削的那个表面，它是待加工表面和已加工表面之间的表面。,2切削用量三要素,切削速度vc、进给量和切削深度ap,外圆车削的切削速度vc：,1）切削速度vc（m/s、m/min）,主运动速度，刀刃上速度最高点作为计算依据。,2）进给量f、每齿进给量fz、进给速度vf（mm/s、mm/min、mm/r）,进给量f：刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。主运动是回转运动时；,进给速度vf：单位时间内的进给位移量,进给速度vf、进给量f和每齿进给量fz之间的关系：vfnf=nzfz,多齿旋转刀具每齿进给量fz与进给量f的关系为：f=zfz,主运动是直线运动；,2切削用量三要素,3）背吃刀量（切削深度）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。,示例分析：加工过程三表面、进给量f和背吃刀量ap,工件加工表面分析,示例分析,4刀具的结构要素,刀具是由切削部分和刀柄部分构成。,(1)前刀面A：切屑流过的刀面。,1）刀面,(2)主后面A：与被切削加工的表面(过渡表面)相对的刀面。,(3)副后面A：与已切削加工的表面相对的刀面。,2）刀刃,(1)主切削刃S前面与主后面在空间的交线。,(2)副切削刃S前面与副后面在空间的交线。,3）刀尖,在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。,5刀具角度的参考系,1）刀具角度,2）参考系,3）刀具标注角度参考系,设计、制造、刃磨和测量刀具角度所使用的几何参数，是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。,用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系，可分为:刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。,主剖面（正交平面）参考系；法剖面参考系；进给、切深剖面参考系。,（1）主剖面参考系的构成,(a)基面pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。,(b)切削平面ps通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。,主剖面面参考系由三个相互垂直的平面构成：,(c)主剖面（正交平面）po通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。,（1）主剖面参考系的构成,主剖面（正交平面）参考系的建立,(a)确认刀具的主切削刃和副切削刃；,(b)在切削刃上确定考查点；,(c)确定考查点处主切削运动速度方向；,(d)建立正交平面参考系中的基面；,(e)建立正交平面参考系中的切削平面；,(f)建立正交平面参考系中的主剖面（正交平面）。,4）刀具工作角度参考系,工作主剖面（正交平面）参考系；工作法剖面参考系；工作进给、切深剖面参考系。,（1）工作主剖面（正交平面）参考系,工作基面pre垂直于合成切削速度方向的平面。,工作切削平面pse与切削刃相切并垂直于工作基面的平面。,工作主剖面poe同时与工作基面和工作切削平面垂直的平面。,（2）工作法剖面参考系（参考相关资料）,（3）工作进给、切深剖面参考系（参考相关资料）,6刀具标注角度,1）主剖面参考系内的标注角度（Pr-Ps-Po),(1)基面Pr中测量的刀具角度,主偏角kr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。,副偏角kr副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。,刀尖角r主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。r=180-(kr+kr),刀尖情况,刀尖圆弧半径r改变刀尖的几何形状：r=0时为尖角过渡；r0时为圆角过渡；直线过渡时用k和b参数描述。,(2)切削平面Ps中测量的刀具角度,刃倾角s：主切削刃与基面之间的夹角,注意：刃倾角s有正负之分：当主切削刃与基面平行时，s=0；当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时，s0；否则，s0。,(3)正交平面Po中测量的刀具角度,前角0前刀面与基面之间的夹角。,后角0后刀面与切削平面之间的夹角。,楔角0前面与后面之间的夹角：090-(0+0),(4)副后角0,(3)副后角,上述角度中的六个角度（go、ao、kr、ls、kr、ao）是在主剖面参考系中确定车刀三个刀面（前面Ag、后面Aa、副后面Aa）、两个刀刃（主切削刃S、副切削刃S）的位置所必需的六个独立的刀具角度。,确立刀头结构的六个独立角度,主剖面内的标注角度,7刀具工作角度,1)横向进给运动对工作前、后角的影响2)纵向进给运动对工作前、后角的影响3)刀具安装位置对刀具工作角度的影响4)刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响,1)横向进给运动对工作前、后角的影响,越大大，d越小，增大，不利切削加工。靠近中心时，值急剧增大，工作后角变为负值。,切断刀应选用较大的标注后角，适宜的进给量。,2)纵向进给运动对工作前、后角的影响,越大，dw越小，增大，不利切削加工。,一般外圆车削中，可忽略不计。,主剖面度量：,车削梯形螺纹时，不可忽略。为保证左、右螺纹加工表面质量一致，刀具安装时应调整一个安装角。,（1）刀尖高于工件轴线（不考虑进给运动）,3）刀具安装位置对工作角度影响,基面、切削平面的空间位置发生变化：逆时针旋转角,刀具的工作前角大于标注前角；工作后角小于标注后角,不利于加工应避免。,2)刀尖低于工件轴线（不考虑进给运动）,基面、切削平面的空间位置发生变化：顺时针旋转角,刀具的工作前角小于标注前角；工作后角大于标注后角,不利于加工应避免,加工内表面时，情况与加工外表面相反。,4）刀柄中心线与进给运动方向不垂直,当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小；顺时针相反。,3切削层参数,1）切削层在各种切削加工中，刀具相对于工件每移动(mm/r)或z(mm/z)，刀齿从工件上切下的一层材料。,(1)切削厚度hD,切削层参数动画,2）切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内度量，它影响切削变形及刀具的负荷。,(2)切削宽度bD,(3)切削面积AD,3）切削用量要素与切削层参数的关系,ap、一定：kr越大，hD也越大，但bD越小；kr越小时，切削厚度hD越小越大，切削宽度bD越大。,hD=sinkrbD=ap/sinkrAD=hDbD=aphD、bD均与主偏角kr有关；AD只与hD、bD或ap、有关。,金属切除率：单位时间内从工件上去除材料的体积。衡量金属切削加工效率的指标。金属切除率Zw:,Zw=1000ADVav（mm3/s）,车削：,钻削：,扩孔：,4)金属切除率,8刀具材料,1）刀具材料应具备的性能,（1）高的硬度常温下，一般应该在60HRC以上。,（2）高的耐磨性材料硬度越高，耐磨性越好。,（3）高的耐热性,刀具切削部分的材料是决定刀具切削性能优劣的关键因素之一。材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。,相互矛盾：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。,（5）良好的工艺性,（4）足够的强度和韧性以防脆性断裂和崩刃。,（6）良好的热物理性能和耐热冲击性能不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。,1）刀具材料应具备的性能,2）常用的刀具材料,(1）碳素工具钢与合金工具钢手工工具和低速切削刀具。,（2）高速钢高合金工具钢硬度6267HRC；耐热性500650OC强度高，韧性好可用在有冲击、振动的场合；制造工艺性好，易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具：钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。,高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,2）常用的刀具材料,普通高速钢切削硬度250280HBs的结构钢和铸铁切削速度4060m/min600OC48.5HRC典型牌号有W18Cr4V（W18）和W6Mo5Cr4V2（M2)。,高性能高速钢在普通高速钢中加入一些合金元素，提高耐热和耐磨性630650OC60HRC加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料典型牌号有W2Mo9Cr4VCo8(M42)钴高速钢和W6Mo5Cr4V2Al(501)铝高速钢。,2）常用的刀具材料,ISO分为三类：K类、P类和M类。,K类(相当于YG类)：称钨钴类硬质合金。主要用来加工铸铁、有色金属及其合金：常用牌号YG6、YG8。,（3）硬质合金由硬度很高的难熔金属碳化物（WC、TiC、TaC和NbC等）和金属粘结剂（Co、Ni和Mo）用粉末冶金方法制成的。硬度8993HRA切削温度8001000强度和韧性差，承受切削振动和冲击的能力较差。,P类(相当于YT类)：称钨钛钴类硬质合金。主要用于加工钢料；常用牌号有YT5、YTl5。不宜加工不锈钢和钛合金。,M类(相当于YW类)：钨钛钴碳化钽(或碳化铌)。可加工铸铁、有色金属、钢料、高温合金和不锈钢等难加工材料。常用牌号有YWl和YW2等。,2）常用的刀具材料,（4）陶瓷用于高速切削加工和精加工。,（5）立方氮化硼硬度仅次于金刚石，热稳定性好，可加工淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削。,（6）人造金刚石热稳定性差，不宜加工钢铁件。主要用作模具磨料，高速下精车或镗削非铁金属及非金属材料刀具。加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及高硬度、高耐磨性材料。,2）常用的刀具材料,7）涂层刀具材料,常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3及其复合材料等。,(1)TiC涂层硬度高，耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损，刀片脆性大。(2)TiN涂层硬度较低，导热性好，抗氧化性好，与铁基材料摩擦系数较小，粘结性能差，抗月牙洼磨损性能好。(3)Al2O3涂层高温硬度高，粘结性能差(4)TiCTiN复合涂层第一层涂TiC，第二层涂TiN，减少表面层与工件间的摩擦。(5)TiCAl2O3复合涂层第一层涂TiC，第二层涂Al2O3，可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。目前单涂层刀片已很少应用