机械制造技术基础第二章精ppt课件

,2-1金属切削刀具基础,2-2金属切削过程中的变形,第二章金属切削过程,2-3切屑的类型及控制,2-4切削力,2-5切削热和切削温度,2-6刀具磨损、刀具寿命和切削用量的选择,2-7刀具几何参数的选择,2-8磨削原理,基本定义介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、主剖面参考系、刀具标注角度、切削层参数等。,刀具材料介绍刀具材料应具备的基本性能；两种常用的刀具材料(高速钢、硬质合金)和其它刀具材料(涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼)。,内容提要,金属切削加工：是利用刀具从工件毛坯上切去一层多余的金属，从而使工件达到规定的几何形状、尺寸精度和表面质量的加工方法。,切削加工必须具备三个条件：,2-1金属切削刀具基础,特点：,速度低、消耗的功率小。有一个或多个。,使金属层不断投入切削，加工出完整表面所需的运动。,2.进给运动：,特点：,在整个运动系统中速度最高、消耗的功率最大。主运动只有一个。,1.主运动：,切下切屑最主要的运动。,为了形成零件表面形状，刀具与工件之间的相对运动。,一、切削运动与切削中的工件表面,2-1金属切削刀具基础,主运动和进给运动合成后的运动称为合成切削运动。,3.工件上的三个表面,已加工表面,过渡表面,待加工表面,n,f,2-1金属切削刀具基础,2-1金属切削刀具基础,2-1金属切削刀具基础,二、切削要素,（一）切削用量三要素,1、切削速度（V）,m/s,单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。,旋转运动,（m/s）,往复直线运动,（m/s）,2-1金属切削刀具基础,2、进给量（f）（mm）,工件或刀具转一周(或往复一次)，两者沿进给运动方向的相对位移。,进给速度(Vf)：单位时间的进给量。,（mm/s）,3、背吃刀量（ap）,（mm）,1,2,f,ap,Kr,为每齿进给量,2-1金属切削刀具基础,（二）切削层参数,切削层:切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料。,即两个相邻加工表面之间的那一层金属。,1,2,f,ap,Kr,f,ap,Kr,2-1金属切削刀具基础,两相邻加工表面之间的垂直距离。,hD,（mm）,沿过渡表面度量的切削层的长度。,bD,（mm）,（mm2）,2-1金属切削刀具基础,1)切削厚度（）（mm）,2)切削宽度（）（mm）,3)切削面积（）（mm2）,刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分。,三、刀具角度,2-1金属切削刀具基础,（一）刀具切削部分的结构要素：,车刀的组成,三面,前刀面A,后刀面A,副后刀面A,两刃,主切削刃S,副切削刃S,一尖,过渡刃,：切屑沿其流出的表面。,：与过渡表面相对的面。,：与已加工表面相对的面。,2-1金属切削刀具基础,一尖二刃三刀面,自由切削：只有一条直线刀刃参加切削。非自由切削：曲线刃或主副切削刃同时参加切削。,2-1金属切削刀具基础,（二）刀具标注角度的参考系刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，必须引入一个由三个参考平面组成的空间坐标参考系。组成刀具标注角度参考系的各参考平面定义如下：,2-1金属切削刀具基础,基面Pr切削平面Ps正交剖面Po,2-1金属切削刀具基础,基面Pr：过切削刃某选定点x，与主运动速度方向相垂直的平面。切削平面Ps：过切削刃某选定点x，与刀刃相切且垂直于基面Pr的平面。正交剖面Po：过切削刃某选定点x，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。,Pr、Ps和Po组成标注刀具角度的正交平面参考系。,2-1金属切削刀具基础,2-1金属切削刀具基础,正交平面参考系,2-1金属切削刀具基础,（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。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。,在切削刃是曲线或前、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。,2-1金属切削刀具基础,外圆车刀正交剖面参考系的标注角度,在正交剖面参考系中的标注角度：,（1）主偏角r（2）刃倾角s（3）前角o（4）后角o,“一刃四角”,（5）副偏角r（6）副后角o,派生角度：楔角o、刀尖角r,2-1金属切削刀具基础,（1）主偏角（Kr）,（2）副偏角（Kr）,1、在基面Pr内标注的角度:,主切削刃在基面上的投影与进给方向间夹角。,副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间夹角。,（3）刀尖角（r）,r,2-1金属切削刀具基础,主偏角Kr、副偏角Kr越大，残留面积越大，表面粗糙度越大。,主、副偏角的作用及选用,2-1金属切削刀具基础,主偏角Kr越小，进给抗力越小，切深抗力越大，加大工件的变形挠度，容易引起系统振动。,主、副偏角的作用及选用,2-1金属切削刀具基础,选用,系统刚性好：取较小的kr，1030、45。,系统刚性差：取较大的kr，60、75、90。,主、副偏角的作用及选用,2-1金属切削刀具基础,po,0,0,pr,ps,2、在正交平面Po标注的角度:,（1）前角（o）：前刀面与基面间夹角。,（2）后角(o)：主后刀面与主切削平面间夹角。,（3）楔角(o)：前刀面与主后刀面间夹角。,0,正交平面,2-1金属切削刀具基础,作用,影响切削力大小；,影响刀头强度和散热条件。,0,前角的作用及选用,前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分。,2-1金属切削刀具基础,前角的作用及选用,前角越大，刀越锋利、切削轻快，强度下降、不利散热。,选择,2-1金属切削刀具基础,0,后角的作用及选用,后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。,减小主后刀面与加工表面的摩擦。,选用,2-1金属切削刀具基础,刃倾角（S）,3、在切削平面PS标注的角度:,n,f,kr,0,0,pr,ps,A,A向,主切削刃与基面之间的夹角。（-5+5）。,2-1金属切削刀具基础,刃倾角的作用及选用,作用：,影响切屑流出方向。,选用：,粗加工：可取零或负（S=0、-S）,精加工：取正（+S）,当主切削刃与基面平行时，s=0；刀尖为主切削刃最低点时，s0；刀尖为主切削刃上最高点是，s0。,2-1金属切削刀具基础,直角切削：s0的切削，主切削刃与切削速度方向垂直斜角切削：s0的切削，主切削刃与切削速度方向不垂直,2-1金属切削刀具基础,外圆车刀正交剖面参考系的标注角度,在正交剖面参考系中的标注角度：,（1）主偏角r（2）刃倾角s（3）前角o（4）后角o,“一刃四角”,（5）副偏角r（6）副后角o,派生角度：楔角o、刀尖角r,2-1金属切削刀具基础,刀具安装高低的影响,（四）刀具的工作角度,2-1金属切削刀具基础,刀杆中心线与进给方向不垂直的影响,2-1金属切削刀具基础,切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：,刀具材料通常指刀具切削部分的材料。,刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。,（一）刀具材料的性能要求,四、刀具材料,2-1金属切削刀具基础,较高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性较高的耐热性良好的导热性和耐冲击性能良好的工艺性,2-1金属切削刀具基础,刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。,（二）常用刀具材料,2-1金属切削刀具基础,2-1金属切削刀具基础,碳素钢刀具,2-1金属切削刀具基础,高速钢刀具,2-1金属切削刀具基础,硬质合金刀块,2-1金属切削刀具基础,1、高速钢,（1）高速钢有较高的硬度（热处理后可HRC6267）和较高的热稳定性(在500-650时仍能切削)，与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢刀具可提高切削速度13倍；,高速钢是高速工具钢的简称，又称锋钢、白钢。是含有较多的W、Mo、Cr、V的高合金工具钢。,特点：,2-1金属切削刀具基础,（4）高速钢刀具可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的工件材料。,（2）较高的强度和韧性，其抗弯强度是硬质合金的23倍，韧性是硬质合金的910倍；,（3）高速钢刀具制造工艺简单，刃磨易获得锋利的切削刃，能锻造，特别适合制造复杂及大型成形刀具(钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)；,2-1金属切削刀具基础,高速钢的分类及使用范围：,按制造工艺，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,按用途，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。,按化学成分，可分为钨系、钨钼系、钼系高速钢。,2-1金属切削刀具基础,2、硬质合金,硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC、MoC、TaC等)粉末和熔点较低的金属(Co或Ni等)粉末作粘结剂，经粉末冶金方法制成的。,1）硬质合金的特点,硬质合金的抗弯强度比高速钢要低得多，冲击韧性也很差。硬质合金刀具刃口不锋利，不宜制造形状较复杂的整体刀具。硬质合金的硬度（HRA8993）、耐磨性、耐热性（8501000）都很高。在相同的刀具耐用度下，硬质合金的切削速度高于高速钢410倍。,2-1金属切削刀具基础,2）硬质合金的分类,常用硬质合金有:钨钴类（YG类）钨钛钴类（YT）钨钛钽(铌)钴（YW）类其主要成分都是碳化钨。,2-1金属切削刀具基础,3涂层刀具材料,涂层刀具是为提高刀具耐磨性，同时不降低其韧性，在刀具基体上涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属(或非金属)化合物而获得的。,涂层刀具较好的解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾。因而具有良好的切削性能和较好的通用性。,涂层有单涂层，也有双涂层或多涂层,常用的涂层材料由TiC、TiN、Al2O3等。,2-1金属切削刀具基础,4陶瓷刀具材料,陶瓷材料以氧化铝、氧化硅为主要成分，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。,主要用于半精加工和精加工高硬度、高强度和冷硬铁等材料。,陶瓷刀具材料具有很高的硬度及耐磨性。,有很好的化学稳定性，刀具耐用度高。,2-1金属切削刀具基础,5人造金刚石,金刚石是已知的最硬的材料，其硬度可达HV10000，具有很高的耐磨性及很低的摩擦系数。金刚石脆，热稳定性低，切削温度在700-800时，其表面就会碳化。金刚石刀具大多用于精度及粗糙度要求很高的有色金属及其合金硬材料以及非金属材料的切削加工。金刚石刀具不适合加工铁族黑色金属。,2-1金属切削刀具基础,6立方氮化硼,立方氮化硼是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而来。硬度很高，仅次于金刚石，达HV8000-9000。耐磨性好，导热性良好且摩擦系数较低。立方氮化硼刀具适合加工高硬钢铁材料(如淬火钢)、高温合金、硬质合金、铸铁及有色金属合金等。,2-1金属切削刀具基础,1.切刀2.孔加工刀具4.拉刀3.铣刀5.螺纹刀具6.齿轮刀具7、磨具,(三)常用刀具种类,2-1金属切削刀具基础,2-1金属切削刀具基础,切屑的形成，是切削层金属受到刀具前刀面的挤压而产生以剪切滑移为主的塑性变形过程。,2-2切屑和积屑瘤,第变形区剪切滑移区,第变形区挤压摩擦区,第变形区挤压摩擦回弹区,2-2切屑和积屑瘤,切塑性材料,切脆性材料,2-2切屑和积屑瘤,它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。,1、带状切屑：,2、节状切屑：,又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。,2-2切屑和积屑瘤,又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。,3、粒状切屑：,加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。,4、崩碎切屑：,2-2切屑和积屑瘤,切屑的形状大体有带状屑、C型屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状屑、宝塔状屑等。,2-2切屑和积屑瘤,2-2切屑和积屑瘤,（1）采用断屑槽,2-2切屑和积屑瘤,（2）改变刀具角度增大刀具主偏角或减小刀具前角可使切屑变形程度加大，切屑易于折断；改变刃倾角可以控制切屑的流向。,（3）调整切削用量提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度也有利于断屑，但会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。,2-2切屑和积屑瘤,定义：中速切削塑性材料并能形成带状切屑时，在刀具前刀面刃口附近粘附的楔状金属物。,成因：一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接，粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化。,2-2切屑和积屑瘤,（1）保护刀具（2）增大前角（3）增大切削厚度（4）使加工表面粗糙度增加（5）加速刀具磨损,2-2切屑和积屑瘤,控制切削速度，尽量采用很低或很高的速度，避开中速区；使用润滑性能好的切削液，以减小摩擦；增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力；提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向。,2-2切屑和积屑瘤,一、切削力的来源,来源：l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。,切削力：切削时，使被加工材料发生变形而成为切屑所需的力。,2-3切削力,将F沿速度方向、轴向和径向三个相互垂直的方向分解为Fc、Ff、Fp。,二、切削合力及分解,2-3切削力,主切削力（切向分力）Fc,是F在切削速度方向上的分力。,主切削力消耗的功率占总功率的95%以上。是计算机床动力及主要传动零件强度和刚度的依据。,进给力（轴向分力）Ff,是F在进给方向上的分力。,消耗的功率仅占总功率的15%。是设计和计算进给机构零件强度和刚度的依据。,背向力（径向分力）Fp,是F在切削深度方向上的分力。,2-3切削力,式中Fc主切削力（N）；Vc主运动速度（m/s）。,式中机床传动效率，通常=0.750.85,三切削功率,2-3切削力,例：用o=15o、Kr=75o的硬质合金刀切削热轧结构钢外圆,三切削力经验公式,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,2-3切削力,四、影响切削力的因素,1、工件材料的影响,工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。,2-3切削力,2、切削用量的影响,（1）切削深度ap和进给量f,由此可见，从减小切削力和节省动力消耗的观点出发，在切除相同余量的条件下，增大f比增大ap更为有利。,2-3切削力,（2）切削速度,切削塑性材料时，切削速度是通过影响切削变形程度来影响切削力，切削变形大，则切削力大。,切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。c对切削力没有显著影响。,2-3切削力,主偏角r对主切削力影响不大，对背向力和进给力影响显著（rFp，Ff）。,前角0增大，切削力减小。,3、刀具几何参数的影响,2-3切削力,与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对背向力和进给力影响显著（sFp，Ff）刀尖圆弧半径r对主切削力影响不大，对背向力和进给力影响显著（rFp，Ff）。,3、刀具几何参数的影响,2-3切削力,4、其他因素影响,刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；切削液：有润滑作用，使切削力降低；后刀面磨损：使切削力增大，对背向力Fp的影响最为显著。,2-3切削力,一、切削热的产生与传导,二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。,切削过程中消耗的功将绝大部分转化成（约99%）转换为热量，即切削热。切削热,切削热来源于两个方面：一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量；,2-4切削热和切削温度,切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质（空气，切削液）向外传导。影响散热的主要因素是：,（3）周围介质,（1）工件材料的导热系数,（2）刀具材料的导热系数,（4）切屑与刀具的接触时间,2-4切削热和切削温度,二、影响切削温度的主要因素,切削用量的影响,两方面的影响：切削热的产生与传出。,切削温度是指刀具前刀面刀屑接触区的平均温度。,式中前刀面接触区的平均温度(C)；C与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、Xvc、f、ap的指数。,2-4切削热和切削温度,2-4切削热和切削温度,为有效控制切削温度以提高刀具耐用度，选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度有利。,切削用量中，V对影响最大，f次之，ap最小。,2-4切削热和切削温度,刀具几何参数的影响,1.前角0,0变形程度F，Q,2.主偏角Kr,Kr，切削刃的工作长度，且刀尖角减小，使散热面积,3.负倒棱和刀尖圆弧半径,2-4切削热和切削温度,工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度工件材料导热性切削温度,刀具磨损的影响,冷却液的影响,切削液对切削温度、刀具磨损、加工质量有明显效果。,2-4切削热和切削温度,2-5刀具磨损及刀具寿命,刀具失效形式：磨损（正常工作时逐渐产生的损耗）破损（突发的破坏，随机的）,一、刀具的磨损形式,（一）前刀面磨损切塑性材料，v和ac（0.1mm)较大时，在前刀面上形成月牙洼磨损，以最大深度KT表示。,（二）后刀面磨损切脆性材料或V和ap（0.1mm)较小切塑性材料时,主要发生这种磨损。,（三）前后刀面同时磨损,后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；边界处磨损严重，以VN表示。,2-5刀具磨损及刀具寿命,二、刀具磨损机制,刀具磨损是机械的、热的和化学的三种作用的综合结果。,（一）硬质点磨损（磨粒磨损）,切屑或工件表面上的硬质点对刀具表面刻划作用造成的机械磨损。低速切削时，磨粒磨损是刀具磨损的主要原因。,刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘结点破裂而被工件材料带走，造成冷焊粘结磨损。,（二）冷焊磨损,2-5刀具磨损及刀具寿命,刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,（三）扩散磨损,一定温度下，刀具材料与空气、切削液中的化学成分起作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。化学磨损主要发生在较高速切削条件下。,（四）化学磨损,（五）相变磨损,2-5刀具磨损及刀具寿命,三、刀具磨损过程及磨钝标准,1.初期磨损阶段刀具磨损很快。,（一）刀具磨损过程,2.正常磨损阶段VB与切削时间近似正比，斜率表示磨损强度。,3.急剧磨损阶段刀具已经钝化，若继续切削，则切削力、温度急升，刀具磨损加剧，刀具的切削能力很快就会完全丧失。,2-5刀具磨损及刀具寿命,1.小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝；2.ISO标准规定以1/2ap处的VB值作为刀具的磨钝标准；在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。粗车碳素钢0.60.8粗车铸铁0.81.2粗车合金钢0.40.5精车碳钢0.10.3系统刚性大、高速钢，VB值较大；系统刚性小、Y合金，VB值较小。3.自动化精加工刀具，以径向磨损量NB作为磨钝标准。,（二）刀具磨钝标准,刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。,2-5刀具磨损及刀具寿命,四、刀具寿命及其与切削用量的关系,刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间。单位用min或s。,（一）刀具寿命T,刀具总寿命刀具寿命刃磨次数,刀具总寿命：新刀具从开始使用经多次重磨到报废为止的总切削时间。,2-5刀具磨损及刀具寿命,（二）刀具耐用度与切削速度的关系,图各种切削速度下的刀具磨损曲线,1切削速度与刀具耐用度的关系用试验法得到。,刀具Tv关系直线方程为：,LgVc=-mlgT+lgC0,VC=C0/Tm,进给量与刀具耐用度的关系f=C