机械制造基础概论第2章切削原理与刀具演示幻灯片

机械制造基础,主讲：袁军堂联系方式公室：机械楼220,1,机,2,2,机,2,课程安排,机械制造基础（上）2.5学分（2012秋季）机械制造基础（下）2.0学分（2013春季）课程总学时：72（其中实验8学时）,2,机,3,教学参考书:,机械制造技术基础，袁军堂等编,清华大学出版社,2012机械制造技术基础(第二版),张世昌等编,高等教育出版社,2007机械制造技术基础,李凯岭等编,清华大学出版社,2010课程网址:,课程介绍,课程性质：是机械工程及自动化、武器系统与工程、车辆工程等专业的一门主干专业技术基础课程，是机械制造基础知识的概括与总结。课程特点：综合性、实践性、灵活性。综合性：涉及到多学科的理论和方法。实践性：课程内容是生产实践的总结。除课堂教学中力求理论联系实际，尽可能多引用典型生产实例进行分析外，与课程相配合的还有实验、生产实习及课程设计等教学环节。灵活性：应用于生产实际，要考虑企业的实际情况，具体问题具体分析。,4,机械制造基础,2020/5/5,2,机,5,课程介绍,课程内容：“机械制造基础”课程以介绍有关机械制造技术的基础知识、基本理论和基本方法为主线，以培养学生分析和解决有关机械制造问题的基本能力为目标，力求使学生通过课程学习能够对机械制造技术有一个基本的把握。主要章节：机械制造技术概论、切削与磨削加工基本原理、金属切削机床与加工方法、机械加工工艺规程的制订、机床夹具设计原理、机械加工质量、先进制造技术概述等。,课程学习总要求：掌握机械制造的基础理论知识和基本技能，初步具备分析和解决机械加工过程中一般工艺技术问题的能力。具体要求：1）掌握切削加工原理和刀具的基本知识；2）掌握常用加工方法，了解其加工设备。能根据零件的加工要求选择加工方法与机床、刀具、夹具和加工工艺参数；3）掌握机械加工质量分析的基本理论、基本知识和基本方法；4）掌握机械加工、装配工艺规程的制订方法；5）掌握工件定位原理及夹具设计方法；6）了解现代制造技术及其发展。,课程介绍,6,机械制造基础,2020/5/5,2,机,7,第1章机械制造技术概论,1-1产业、制造业与机械制造业第一产业：是指农、林、牧、渔业。第二产业：是指采矿业，制造业，电力、燃气及水的生产和供应业，建筑业。第三产业：是指除第一、二产业以外的其他行业。制造业属于第二产业，是指对制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等），按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业品与生活消费品的行业，包括农副食品加工业、金属制品业、通用设备制造业、专用设备制造业、通信设备、计算机及其他电子设备制造业等30个大类。,2,机,8,制造业,13农副食品加工业14食品制造业15饮料制造业16烟草制品业17纺织业18纺织服装、鞋、帽制造业19皮革、毛皮、羽毛(绒)及其制品业20木材加工及木、竹、藤、棕、草制品业21家具制造业22造纸及纸制品业23印刷业和记录媒介的复制24文教体育用品制造业25石油加工、炼焦及核燃料加工业26化学原料及化学制品制造业27医药制造业28化学纤维制造业29橡胶制品业30塑料制品业31非金属矿物制品业32黑色金属冶炼及压延加工业33有色金属冶炼及压延加工业34金属制品业35通用设备制造业36专用设备制造业37交通运输设备制造业39电气机械及器材制造业40通信设备、计算机及其他电子设备制造业41仪器仪表及文化、办公用机械制造业42工艺品及其他制造业43废弃资源和废旧材料回收加工业,2,机,9,制造业的社会功能,2,机,10,第1章机械制造技术概论,当今制造业不仅是科学发现和技术发明转换为现实规模生产力的关键环节，并已成为为人类提供生活所需物质财富和精神财富的重要基础。良好的人居环境，充分的能源供给，便捷的交通和通信设施，丰富多彩的印刷出版、广播影视和网络媒体，优良的医疗保健手段，可靠的国家和社区安全以及抵抗自然灾害的能力等，均需要制造业的支持。,2,机,11,第1章机械制造技术概论,美国68%的财富来源于制造业；日本国民经济总产值约49%由制造业提供。中国制造业对GDP贡献度50%以上。在先进的工业化国家中，约有1/4的人口从业于制造业，而在非制造业部门中，又有约半数人员的工作性质与制造业密切相关。在整个制造业中，机械制造业占有特别重要的地位。因为机械制造业是国民经济的装备部，国民经济各部门的生产水平和经济效益在很大程度上取决于机械制造业所提供装备的技术性能、质量和可靠性。,2,机,12,第1章机械制造技术概论,机械制造业是制造业的重要组成部分，是指从事各种动力机械、起重运输机械、农业机械、冶金矿山机械、化工机械、纺织机械、机床、工具、仪器、仪表及其他机械设备等生产的行业。机械制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，其发展水平是国家工业化程度的主要标志之一，其生产活动和人民生活息息相关。强大的机械制造业为国民经济的发展提供了物质基础。,2,机,13,第1章机械制造技术概论,机械制造业的发展历程人类文明的发展与制造业的进步密切相关。早在石器时代，人类就开始利用天然石料制作工具，以其猎取自然资源为生。到了青铜器和铁器时代，人们开始采矿、冶炼、铸锻工具，并开始制作纺织机械、水利机械、运输车辆等，以满足以农业为主的自然经济的需要。此时，采用的是作坊式的以手工劳动为主的生产方式。直至18世纪70年代，以瓦特改进蒸汽机为代表，引发了第一次工业革命，产生了近代工业化的生产方式，手工劳动逐渐被机器生产所代替，机械制造业逐渐形成规模。,2,机,14,第1章机械制造技术概论,到19世纪中叶，电磁场理论的建立为发电机和电动机的产生奠定了基础，从而迎来了电气化时代。以电力作为动力源，使机械结构发生了重大的变化。与此同时，互换性原理和公差制度应运而生。以上技术使机械制造业发生了重大变革，并进入了快速发展时期。20世纪初，内燃机的发明，使汽车开始进入欧美家庭，引发了机械制造业的又一次革命。流水生产线的出现，标志机械制造业进入了大批量生产的时代。以汽车工业为代表的大批量自动化生产方式使得生产率获得极大的提高，从而使机械制造业有了更迅速的发展，并开始成为国民经济的支柱产业。,2,机,15,第1章机械制造技术概论,第二次世界大战后，电子计算机和集成电路的出现，以及运筹学、现代控制论、系统工程等科学理论的产生和发展，使机械制造业产生了一次新的飞跃。传统的自动化生产方式只有在大批量生产的条件下才能实现。科学技术的高速发展，促进了生产力的极大提高。数控机床的出现则使中小批量生产自动化成为可能。传统的大批量生产方式已难以满足市场多变的需要，多品种、中小批量生产日渐成为制造业的主流生产方式。20世纪80年代以来，信息产业的崛起和通信技术的发展加速了市场的全球化进程，市场竞争更加激烈。为了适应新的形势，在机械制造领域提出了许多新的制造理论和生产模式，如计算机集成制造(CIM)、精良生产(LP)、并行工程(CE)、敏捷制造(AM)等。,2,机,16,第1章机械制造技术概论,中国机械制造业的发展我国是一个文明古国，早在远古时代，就已开始使用石器和钻木取火的工具。公元前16-公元前11世纪的商代，已出现可转动的琢玉工具。车削加工和车床雏形在我国出现早于欧洲近千年。到了明代，在古天文仪器加工中，已采用铣削和磨削加工方法，并出现了铣床、磨床和刀刃磨机床的雏形。近代，由于封建制度的束缚，严重阻碍了中国工业化的进程。新中国成立前，中国的机械制造业几乎为零。新中国成立以来的60多年间，我国机械制造业有了很大的发展，开始拥有了自己独立的汽车工业、航天航空工业等技术难度较大的机械制造业。,2,机,17,第1章机械制造技术概论,特别是改革开放以来，我国机械制造业充分利用国内外的资金和技术，进行了较大规模的技术改造，使制造技术、产品质量和水平及经济效益有了很大的提高，为推动国民经济发展起了重要作用。中国已跻身于制造大国行列，初步具备了由世界机械制造大国向机械制造强国冲刺的基础和条件。面对越来越激烈的国际市场竞争，我国机械制造业仍然面临着严峻的挑战。大而不强的矛盾困扰着行业的科学发展。主要表现在：制造技术基础薄弱，创新能力不强；产品以低端为主；制造过程资源、能源消耗大，污染严重。我国机械制造业拥有300多万台机床，2000多万职工，规模堪称世界之最，但与工业发达的国家相比，我国机械制造业的水平还存在阶段性的差距，主要表现在产品质量和水平不高，技术开发能力不强，基础元器件和基础工艺不过关，生产率低下，科技投人不足等。,2,机,18,进口设备/国产设备使用情况对比,2,机,19,第1章机械制造技术概论,一般加工能力和中、低档产品大量富余，高技术装备受制于人。多数出口产品是贴牌生产，拥有自主品牌的不足，机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一，附加值低。由于产品结构和生产技术相对落后，致使我国许多高精尖设备和成套设备仍需大量进口。如：在高端装备领域，70%的高档数控机床，85%的大功率航空发动机、船舰发动机、集成电路芯片制造装备，100%的光纤制造装备，的汽车制造关键设备及先进集约化农业装备、的大型石化装备都要依赖进口。,2,机,20,第1章机械制造技术概论,但另一方面，随着我国改革的不断深入，对外开放的不断扩大，为我国机械制造业的振兴和发展提供了前所未有的良好条件。当今，制造业的世界格局已经在发生重大的变化，欧、亚、美三分天下的局面已经形成，世界经济重心向亚洲转移已出现征兆，制造业的产品结构、生产模式也在迅速变革之中。所有这些又给我们带来了难得的机遇。由于挑战与机遇并存，我们应该正视现实，面对挑战，抓住机遇，深化改革，以振兴和发展中国的机械制造业为己任，励精图治、奋发图强，以使我国的机械制造业在不太长的时间内，赶上世界先进水平。,2,机,21,第1章机械制造技术概论,1-2机械制造业的发展及其在国民经济中地位和作用机械制造业是国民经济的装备部，国民经济各部门的生产水平、产品质量和经济效益等在很大程度上取决于机械制造业所提供的装备的技术性能、质量和可靠性。新中国成立以来，特别是近30年来，中国装备制造业取得了令人瞩目的成就。从总量规模看，中国现已位居世界领先位置，跻身世界装备制造业大国行列。,2,机,22,第1章机械制造技术概论,国家中长期科学和技术发展纲要（2006-2020年）中指出，我国制造业的发展思路：()提高装备设计、制造和集成能力。以促进企业技术创新为突破口，通过技术攻关，基本实现高档数控机床、工作母机、重大成套技术装备、关键材料与关键零部件的自主设计制造。(2)积极发展绿色制造。加快相关技术在材料与产品开发设计、加工制造、销售服务及回收利用等产品全生命周期中的应用，形成高效、节能、环保和可循环的新型制造工艺。制造业资源消耗、环境负荷水平进入国际先进行列。(3)用高新技术改造和提升制造业。大力推进制造业信息化，积极发展基础原材料，大幅度提高产品档次、技术含量和附加值，全面提升制造业整体技术水平。,2,机,23,第1章机械制造技术概论,未来中国装备制造业应重点发展高端装备，要掌握主导产品的核心技术，拥有一批具有自主知识产权的关键产品和知名品牌，发展战略性新兴产业装备，高端装备产量的占比提高到以上，基本保障国民经济和国防建设的需要，使中国尽早跻身世界装备强国之列。,2,机,24,从制造大国到制造强国的发展之路,2,机,25,第1章机械制造技术概论,1-3机械制造系统、生产过程与工艺过程机械制造系统是指从机械产品的市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、生产指挥到售后服务等一系列过程的总和。广义地理解机械制造系统，体现的是“大制造”的概念，它涉及到从产品概念到形成最终产品的各个方面和生产的全过程。由于本课程的内容和性质所决定，主要是从“小制造”的概念出发，重点主要放在零件的机械加工和装配工艺上，即从原材料或半成品经加工和装配后形成最终产品的过程。,2,机,26,第1章机械制造技术概论,生产过程是机械制造系统的一个子系统，一般是指从原材料（或半成品）进厂，一直到把产品制造出来的各有关过程的总和，它包括从原材料毛坯零件加工(外购件采购)部件装配整机装配检验试车油漆包装等环节。企业的生产过程又可按产品的生产阶段分为若干车间（分厂）的生产过程，如铸造车间或锻造车间的成品是机械加工车间的原材料（或半成品），而机械加工车间的成品又是装配车间的原材料等等。,2,机,27,第1章机械制造技术概论,工艺过程是生产过程的一部分，凡是直接改变生产对象的尺寸、形状、物理化学性能以及相对位置关系的过程，统称为工艺过程。其他过程称为辅助过程，如动力供应、原材料采购、运输、保管、工具制造、修理等。把工艺过程从生产过程划分出来是有条件的、不是绝对的，通常把与加工过程密切相关的、很难分割的工作，如在机床上加工一个零件，工件的装夹、测量等虽然不直接改变加工件的尺寸、形状、物理化学性能以及相对位置关系，也列入工艺过程的范畴。,2,机,28,第1章机械制造技术概论,工艺过程又可分为铸造、锻压、冲压、焊接、机械加工、热处理、装配等工艺过程。“机械制造基础”课程主要涉及机械加工工艺和装配工艺过程，其他工艺过程在“工程材料及成型工艺”和“金工实习”等课程中学习。,2,机,29,第1章机械制造技术概论,生产类型与工艺特点,表1-1加工零件的生产纲领和生产类型,加工零件的年生产纲领N可按下式计算N=Qn(1+a%)(1+b%)式中：Q产品的年产量（台/年）；n每台产品中该零件的数量（件/台）；a%备品率；b%废品率。,2,机,30,第1章机械制造技术概论,生产类型与工艺特点,表1-2不同机械产品各种类型零件的质量范围,2,机,31,第1章机械制造技术概论,表1-3各种生产类型的工艺特点,2,机,32,思考题,本课程的性质、特点、主要内容及学习目标。如何从广义和狭义上理解制造？机械制造系统、生产过程与工艺过程的概念。各种生产类型的工艺特点。机械制造业在国民经济中的地位和作用？了解我国装备制造业的发展现状及中长期发展规划。,2,机,33,第2章切削原理与刀具,2.1切削加工的运动分析及切削要素2.2金属切削刀具2.3切削过程中的物理现象2.4工件材料的切削加工性2.5切削液2.6磨具与磨削原理2.7非金属材料的切削加工,机械制造基础,2,机,34,本章的学习要求,(1)掌握切削运动、加工表面、切削用量及切削层参数概念和分析方法；(2)掌握刀具刀具角度和工作角度的概念、合理选择刀具角度，常用刀具材料的性质与选用；(3)掌握切削过程中的物理现象及其对加工过程的影响；(4)了解切削液的作用，合理选用切削液。(5)了解磨削工艺的特点与磨具。(6)了解非金属材料的加工机理和加工方法。重点和难点：切削运动及切削用量的概念与分析;刀具角度标注;切削过程中的物理现象。,切削加工基础知识,2,机,35,成型方法：铣削、刨削、平面磨削等。,成型方法：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等。,切削运动及切削要素,2.1切削加工的运动分析及切削要素,回转体表面：是以直线为母线作旋转运动所形成的表面；,2.1.1零件表面的形成,平面：是以直线为母线作直线运动形成的表面；,曲面：是以曲线为母线作旋转或平移所形成的表面；,成型方法：成形车削、成形磨削、铣削、数控铣削、电火花加工、激光加工等。,2,机,36,2.1.2切削运动,分类：1）主运动：切除切屑所需的基本运动。3个特点：速度最快；消耗功率最大；唯一性。,概念：刀具与工件间的相对运动，以切除多余的金属,2）进给运动：使金属层不断投入被切削的运动。3个特点：速度较慢；消耗功率较小；可以为一个或多个。,3）其它运动：吃刀运动分度运动,切削运动及切削要素,2,机,37,常见机床的切削运动,切削运动及切削要素,2,机,38,正在加工的工件表面，根据其所处的状态分为：已加工表面：已经加工完成的表面。加工表面（过渡表面）：切削刀具正在进行切削加工的表面。待加工表面：即将进入切削加工的表面。,加工表面,切削运动及切削要素,2,机,39,切削运动及切削要素,2,机,40,2.1.3切削要素,切削用量三要素：切削速度vc:主运动的线速度(mm/min)圆周运动：Vc=Dnw直线往复：Vc=2Lnr,进给量：刀具相对工件沿进给方向移动的距离。1）进给量f(mm/r)：主运动一个循环2）进给速度vf(mm/min)：单位时间内3）每齿进给量af(mm/z)：刀具每个刀齿,切削运动及切削要素,背吃刀量（切削深度）ap(mm):已加工表面与待加工表面间的距离。补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度。,2,机,41,切削层：主运动一个周期，相邻两加工表面（切削刃）之间的材料截面。,切削层尺寸平面要素,切削层公称厚度hD：hD=fsinKr切削层公称宽度bD:bD=ap/sinKr切削层公称截面积AD：AD=apf=bDhD残留面积AD残留面积高度：H=f/(ctgKr+ctgKr)r=0H=f2/8rr0,切削运动及切削要素,2,机,42,切削运动及切削要素,r=0时，在ABD和ACD中BD=HctgKrDC=HctgKrBD+DC=fH(ctgKr+ctgKr)=f残留面积高度：H=f/(ctgKr+ctgKr),2,机,43,切削运动及切削要素,r0时H=BD=BE-DE,移项后两边平方,并忽略H2(Hr)：,残留面积高度：H=f2/8r,2,机,44,思考题,试分析车削、铣削、刨削、钻削、镗削及磨削加工的主运动和进给运动。简述切削用量三要素及其定义。在钻床上钻削直径为20mm的孔，主轴转速为1000r/min。如果采用同样的切削速度钻削0.2mm的小孔，主轴转速应为多少？,2,机,45,l切削部分组成,金属切削刀具,l刀具结构及其几何形状,2.2切削加工刀具2.2.1刀具切削部分的基本定义,刀具分类：按工种：车刀、铣刀、镗刀、刨刀、拉刀、滚刀、钻头等；按切削部分材料分：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具等；按结构形式分：整体式、焊接式、机械安装式（压板压紧）；按刀刃数量分：单刃刀具、多刃刀具；按是否标准化分：标准刀具，非标准刀具。,2,机,46,车刀结构,(a)整体式车刀;(b)焊接式车刀;(c)机夹重磨车刀;(d)可转位车刀,2,机,47,车刀的组成,1-主切削刀;2-主后刀面;3-刀尖;4-副后刀面;5-副切削刀;6-前刀面;7-切削部分;8-夹持部分,2,机,48,l刀具的静止参考系（PrPsPo系正交平面参照系）,（1）静止参照系的假设条件：假定运动条件：进给量f=0假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高；刀杆方向与进给方向垂直。,（2）辅助平面：切削平面Ps：过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。基面Pr：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。正交平面Po（主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平面和基面相垂直的平面。,金属切削刀具,2,机,49,前角的作用：前角切屑变形切削力刃口强度前刀面磨损导热体积刀具前角的选用：1)加工塑性材料选大前角2)加工脆性材料、断续切削选小前角3)加工硬材料选用负前角,刀具的标注角度是指静止状态下，在工程图上标注的刀具角度。（下面以车刀为例介绍刀具的标注角度）1）刀具标注前角0：在正交平面内测量的，前刀面与基面的夹角。前角的标注：（注意前角有正负）,刀具标注角度的定义,金属切削刀具,2,机,50,在正交平面内测量的，后刀面与切削面的夹角。后角的标注：,后角的作用：后角后刀面与加工表面间的摩擦后刀面磨损刃口强度导热体积刀具后角的选用：1)粗加工选小后角2)精加工选大后角3)选大前角时选小后角以增大刃口强度,2）刀具标注后角0：,金属切削刀具,2,机,51,主偏角的作用：主偏角切削刃工作长度刀尖强度导热体积径向分力刀具主偏角的选用：一般为3075,加工细长工件采用9093,副偏角的作用：副偏角副后面与工件已加工表面摩擦刀尖强度表面粗糙度刀具副偏角的选用：一般为520,特殊要求可采用Kr=0的修光刃,3）主偏角Kr：在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。4）副偏角Kr：在基面内测量的，副切削刃与进给反方向的夹角。,金属切削刀具,2,机,52,刀具刃倾角的选用：精加工取S0粗加工取S0加工细长工件采用S0,刃倾角的作用：（1）影响排屑方向：S0排向待加工表面；S0排向已加工表面；S=0前刀面上卷曲,在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。刃倾角的标注：（注意刃倾角有正负。）,5）刃倾角S：,（2）影响切入切出的稳定性（3）影响背向分力大小,金属切削刀具,2,机,53,车刀标注角度,2,机,54,1）粗加工塑性材料时，选择大前角0，小后角0，小主偏角Kr，较小或负的刃倾角s；加工脆性材料时可适当减小前角0；加工高硬度难加工材料时，采用负前角(00)。2）精加工时，一般选择较大后角0，较小的前角0，非负的刃倾角（s0），加工细长轴时选择大主偏角r。,刀具角度的选择原则,金属切削刀具,2,机,55,例题：,下图为外圆车削示意图，在图上标注：（1）主运动、进给运动和背吃刀量；（2）已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；（3）基面、主剖面和切削平面；（4）刀具角度015、06、Kr55、Kr45、s10。,金属切削刀具,2,机,56,金属切削刀具,2,机,57,金属切削刀具,2,机,58,金属切削刀具,2,机,59,刀具工作角度,通常情况下工作角与标注角近似相等。如普通车削、镗孔、铣削等。当较大时或安装误差较大时必须考虑其影响。如：车螺纹、铲背、钻孔等。刀具的安装条件变化也会引起了参考系的变化。,1.刀具工作参考系（PrePsePoe）刀具工作角度又称刀具切削角度：刀具实际切削条件下的实际角度。,工作参考系与静止参考系的差别：工作条件下，合成切削速度为主运动与进给运动的合成速度；而静止条件下合成速度与切削速度是一致的。,金属切削刀具,2,机,60,（3）刀杆中心线与进给方向不垂直时工作角度变化,（2）刀尖安装高低对工作角度的影响车外圆刀尖安装偏高（低）：工作前角增大（小），工作后角减小（大）；镗内孔刀尖安装偏高（低）：工作前角减小（大），工作后角增大（小）。,对工作角度的影响,（1）进给对工作角度的影响横向进给：纵向进给：0e=0+0e=0-工作前角增大，工作后角减小。,金属切削刀具,2,机,61,2.2.2刀具材料,刀具材料的基本性能高硬度高耐热性足够的强度和韧性高耐磨性良好的工艺性五个基本性能相互联系，又相互制约，应根据具体加工条件，抓主要性能，兼顾其它。,金属切削刀具,2,机,62,2.2.2刀具材料,常用刀具材料的种类刀具切削部分材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料。目前，生产中最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。碳素工具钢(如T10,T12A)、合金工具钢(如CrWMn,9SiCr)因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。各种常用刀具材料的主要物理力学性能如表表1-1所示。刀具柄部是刀具的夹持部位，承受着弯矩和扭矩的作用，因此应具备足够的强度和刚度。常选用优质结构钢或优质合金结构钢，如45钢或40Cr。,2,机,63,表2-1常用刀具材料的物理力学性能,2,机,64,2.2.2刀具材料,高速钢高速钢又称锋钢，是在合金工具钢中加入了较多的钨、钥、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢的抗弯强度、韧性较好，常温硬度在6366HRC，耐热性为500650,切削中碳钢时切削速度vc30m/min，其制造工艺性较好，刃磨时易磨出锋利的切削刃，可以制造刃形复杂的刀具，如钻头、丝锥、铰刀、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等。高速钢按用途分为普通高速钢和高性能高速钢;按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,2,机,65,2.2.2刀具材料,硬质合金硬质合金是用硬度和熔点很高的金属碳化物(WC、TiC等)的微粉和钻结剂(Co、Mo、Ni等)，经高压成形，并在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的主要性能硬质合金的硬度为8993HRA，耐磨性好，耐热可达8001000，因此允许的切削速度为高速钢的410倍，切削速度可达100300m/min。但其抗弯强度低、韧性差，怕冲击和振动，工艺性差，刃口不及高速钢锋利，很少用于制造形状复杂的整体刀具。,2,机,66,2.2.2刀具材料,一般将其制成各种形状的刀片，焊接或用机械夹固的方式将其固定在刀体上使用。硬质合金是切削加工中的主要刀具材料之一。硬质合金刀具能切削包括淬火钢在内的多种材料，广泛应用于切削速度较高的各种刀具，如车刀、铣刀、钻头等。硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、数量、颗粒粗细和黏结剂的种类、数量。在硬质合金中碳化物所占比例多，则硬度高，耐磨性好;若黏结剂多，则抗弯强度高。一般细晶粒硬质合金的强度低于相同成分的粗晶粒硬质合金，而硬度高于粗晶粒硬质合金。,2,机,67,2.2.2刀具材料,硬质合金的分类、牌号、主要性能及选用硬质合金可分为两大类，一类是碳化钨基硬质合金，另一类是碳化钛基硬质合金。目前常用的是前一类，以下主要介绍碳化钨基硬质合金。按国际标准(ISO)将硬质合金分为K、P、M三大类，如表1-2所示。,2,机,68,表2-2常用硬质合金分类、牌号、用途,2,机,69,2.2.2刀具材料,其他刀具材料陶瓷材料：硬度高、耐磨性好、化学稳定性高、耐热温度达1200以上，切削速度可比硬质合金高35倍。强度低、韧性低、脆性大，主要用于连续切削精加工。人造金刚石：硬度可达10000HV，耐磨性好。可加工硬质合金、陶瓷、玻璃、有色金属及合金。热稳定性较差。立方氮化硼（CBN）：硬度可达80009000HV，耐热温度1400以上，可以加工高温合金、淬硬钢等。脆性大，主要用于连续切削的半精加工、精加工。涂层刀具：在韧性较好的硬质合金基体或高速钢刀具基体上涂覆一层或多层硬度和耐磨性很高的难熔金属化合物（TiC、TiN等）而制成。较好的解决了硬度及耐磨性与韧性之间的矛盾。涂层大大提高了刀具耐用度。涂层刀具比未涂层刀具寿命可提高310倍，得到了广泛应用。,2,机,70,常用刀具材料的种类及应用,金属切削刀具,2,机,71,思考题,刀具标注角度与工作角度有什么区别？简述刀具前角、后角的作用及选择原则。简述刀具主偏角、副偏角的作用和选择原则。刃倾角有何作用？应如何选择？粗加工、精加工时应如何选择切削用量？刀具材料应具备哪些基本性能？简述高速钢的种类、性能特点及应用范围。硬质合金刀具的分类、主要性能，如何选用？金刚石、立方氮化硼、陶瓷和涂层刀具各有什么特点？各适用于什么场合？,2,机,72,作业题,右图为外圆车削示意图，在图上标注：（1）主运动、进给运动和背吃刀量；（2）已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；（3）基面、主剖面和切削平面；（4）刀具角度012、06、r45、r10、s5。,2,机,73,2.3切削过程中的物理现象2.3.1切削过程,切削过程：切削层材料在刀具切削刃及前刀面的作用下，经挤压、剪切滑移变形而成为切屑的过程。,崩碎切屑：切削层通常在弹性变形后未经塑性变形，突然崩碎。较低vc，较大ap，f，加工铸铁、青铜等脆性金属时产生。,切屑的种类（不考虑刀具断屑等因素的影响）带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大0，高vc，小ap，f加工低碳钢、铜、铝等塑性金属时产生。,节状（挤裂）切屑：上表面锯齿状，下表面光滑连续切屑，较低vc，较大ap，f加工中等硬度塑性金属时产生。,粒状（单元）切屑：整个剪切面上的切应力超过材料的断裂强度，产生的裂纹贯穿切屑断面时。较低vc，较大ap，f加工硬度较高塑性较差金属时产生。,金属切削过程,2,机,74,影晌切屑形态的因素及其对切削力的影响(切削塑性材料),2,机,75,切屑变形,（1）第I变形区：从OA线开始金属发生剪切变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。AOM区域称为第变性区（剪切区、塑性变形区）。金属切削层的变形系数：变形系数越大，切削变形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量越差。,金属切削过程,变形系数：=hch/hD=lD/lch,切削时的三个变形区,2,机,76,（2）第II变形区：该区是刀具-切屑接触区（摩擦区），切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切滑移。,滞流现象:切削塑性金属时，由于切屑底层与刀具的挤压和摩擦，切屑底层金属流速减缓的现象。积屑瘤：在一定温度、压力条件下，滞流层与前刀面之间的摩擦力大于切屑底层内部晶粒间的亲和力，滞流层部分金属粘结在前刀面切屑刃附近，形成的一块硬的金属层（由于塑性变形，硬度比工件材料高2-3倍）,金属切削过程,2,机,77,形成条件：中低速切削塑性金属冷焊现象：挤压与摩擦产生高温高压，同时摩擦带走杂质，刀具表面与切屑表面新鲜金属粒子间的亲合力和摩擦力之和大于切屑材料内部粒子间的亲合力，就会从切屑上撕下一小块金属粘接在前刀面上，形成积屑瘤。特性：无有小大脱落具有周期性对切削过程的影响：保护刀刃；使工作前角增大，切削刀减小；切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度。,积屑瘤的形成及对加工的影响,金属切削过程,2,机,78,切削速度对积屑瘤的影响,积屑瘤对加工的影响,2,机,79,变形强化（加工硬化）成因：1）挤压塑性变形2）表面相变对加工过程的影响：影响后续加工影响加工表面质量产生残余应力消除变形强化的措施：通过热处理降低材料塑性；采用切削液；加工后通过热处理消除变形强化。,（3）第变形区：该区域是刀具-工件接触区（挤压区），已加工表面受到刀刃钝圆部分及后刀面的挤压和摩擦，产生加工硬化和回弹现象。,金属切削过程,2,机,80,2.3.2切削力和切削功率,切削力的来源与分解（1）切削力的来源：弹性、塑性变形抗力；刀-屑、刀-工接触面间的摩擦阻力。切削力是所有切削分力的合力，为空间交变力。（2）切削力的分解（车削外圆为例）主切削力Fc（主运动方向上的正投影（分力），消耗机床电机功率90%以上。进给力Ff（进给方向上的正投影（分力），是设计或校核机床进给系统零件强度和刚度的依据。背向力Fp（垂直于工作平面上的分力）,金属切削过程,2,机,81,2.3.2切削力和切削功率,切削力的估算方法通过测量机床主电机、进给电机的功率求切削力。利用测力仪测量切削力。利用经验公式计算切削力。指数公式：以上系数、指数及修正系数均可以由切削加工的有关手册查得。,2,机,82,2.3.2切削力和切削功率,利用单位切削力计算Fc=kcAD=kcapf其中；kc为单位切削力，同一材料，在一定切削条件下kc是不变的，可测定,计算时可以查表。切削功率Pc=FcVc电机功率PE=PC/C,金属切削过程,2,机,83,影响切削力的因素：,（1）工件材料：材料成分、组织和力学性能是影响切削力的主要因素。强度、硬度、塑性、韧性越大切削力越大；（2）切削用量：影响最大的是ap，其次是f，切削速度c最小。ap对Fc的影响是1：1，f的影响70-80%，c影响积屑瘤的存在，有积屑瘤时F明显减小。（3）刀具几何角度：0增大，刃口锋利、切削变形小，摩擦小，切削力减小；o增大、摩擦减小，切削力减小；r增大Fp减小；正s，Fp减小Ff增大。（4）其它因素：切削液使用润滑条件好，切削力减小，刀具磨损后切削力剧增。,金属切削过程,2,机,84,2.3.3切削热和切削温度,切削热的来源与传散（1）切削热来源于：切削层材料弹、塑性变形变形热刀具前、后刀面的摩擦摩擦热三个切削变形区是三个主要热源区（2）切削热的传散：通过刀具、切屑、工件和周围介质（如：空气、切削液等）散热。,金属切削过程,2,机,85,2.3.3切削热和切削温度,切削热的来源与传散,车削时：切屑5086%刀具4010%工件9%3%周围介质1%,钻削时：切屑28%刀具14.5%工件52.5%周围介质5%,切削热来源：切削区弹性、塑性变形热切屑与前刀面摩擦热刀具后刀面与工件摩擦热,切削热的传散,2,机,86,2.3.3切削热和切削温度,金属切削过程,切削温度及其影响因素切削温度取决于切削热的产生与传热的综合因素，切削温度太高，工件产生热变形，加工精度下降，刀具寿命降低；影响切削温度的因素：切削用量、工件材料、刀具几何角度、其它条件；切削用量中影响最大的是切削速度c，其次是f，ap影响最小。,2,机,87,2.3.3切削热和切削温度,刀具、切屑和工件上的温度分布,2,机,88,2.3.4刀具磨损与刀具寿命,刀具磨损过程初期磨损阶段：刀具表面粗糙度大、单位面积压力高，磨损快。正常磨损阶段急剧磨损阶段：磨损后切削温度升高，磨损量急剧增加。,金属切削过程,2,机,89,2.3.4刀具磨损与刀具寿命,刀具磨损形式:（1）后面磨损：切削脆性材料，或切削塑性材料hD0.5mm时易发生这种磨损，用月牙洼最大深度KT表示。（3）前后面同时磨损：切削塑性材料hD在0.10.5mm之间，大多数情况下前、后刀具都有磨损，后刀面磨损对加工质量影响最大，测量方便，通常以VB来表示刀具磨损程度。,金属切削过程,刀具的磨损形态,2,机,90,2,机,91,刀具磨损的原因：,1)机械摩擦磨损：磨粒磨损、粘结磨损2)热效应磨损：相变磨损高速钢刀具氧化磨损、扩散磨损硬质合金刀具热电磨损,刀具寿命及其影响因素磨钝标准：通常指刀具后刀面允许的最大磨损量VB。刀具寿命T：刀具开始切削到达到磨钝标准的切削时间。影响刀具寿命的因素：切削用量；工件材料；刀具材料及几何角度；其它因素。切削量中影响最大的是切削速度c，其次是f，ap影响最小。,金属切削过程,2,机,92,硬质合金与高速钢车刀磨损限度,2,机,93,刀具合理耐用度的选择原则,最高生产率耐用度（TP）:是以单位时间生产最多数量产品或加工每个零件所消耗的生产时间最少来衡量的。最低成本耐用度（TC)：是以每件产品（或工序）的加工费用最低为原则来制订的。最高生产率耐用度比最低成本耐用度要低一些。一般情况下，多采用最低成本耐用度。只有当生产任务紧迫或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才选用最高生产率耐用度。,2,机,94,提高刀具寿命的切削用量选择原则：,1）粗加工时:为提高机械加工效率，首先选择较大的切削深度，其次是较大的进给量，最后选择中低切削速度，以保证刀具寿命。2）精加工时:为保证加工质量，首先选择较小的切削深度（保证加工尺寸精度），其次选择较小的进给量（保证表面粗糙度要求），最后选择低速（高速钢刀具）或高速（硬质合金刀具）切削，以保证刀具寿命。,金属切削过程,2,机,95,思考题,简述切屑的形成过程。积屑瘤是如何形成的？它对切削加工有何影响？切削力是如何形成的？它可分为哪几个分力？各分力有何实际意义？简述刀具角度对切削力有何影响。切削热是如何产生和传出的？切削用量三要素对切削力、切削温度的影响有何不同？刀具磨损的形式有哪些？试分析刀具磨损的原因？刀具磨损过程分为哪几个阶段？各阶段有何特点？什么是刀具耐用度？确定刀具耐用度有哪几种方法？,2,机,96,2.4工件材料的切削加工性,2.4.1切削加工性的概念和标志方法,材料切削加工性,切削加工性：指工件材料被切削加工的难易程度，是相对的，由加工要求和切削条件来定。,切削加工性的衡量通常从刀具寿命、许用切削速度、达到磨钝标准前切屑体积、加工质量、安全性等方面衡量。（如纯铁、不锈钢加工）,相对切削加工性：Kr=v60/（v60）jv60的含义：刀具寿命为60min切削材料的允许切削速度。（v60）j的含义：刀具寿命为60min切削基准材料的允许切削速度。（正火45钢b=735MPa）,2,机,97,2.4工件材料的切削加工性,2.4.1切削加工性的概念和标志方法,材料切削加工性,2,机,98,影响因素材料硬度；材料塑性和韧性；材料强度；弹性模量E；导热系数；其它因素。改善措施（1）选用切削性好的材料及表面状态好的材料；（2）热处理改善切削加工性，中、低碳钢正火处理；高碳钢球化退火；（中碳及中碳合金钢）调质钢调质处理；（3）选用合理的刀具材料及刀具角度；（4）特种切削加工：振动切削；加热切削；低温切削。,2.4.2影响切削加工性的因素及其改善措施,材料切削加工性,2,机,99,思考题,什么是相对切削加工性？如何判别材料切削加工性？可从哪几个方面衡量？改善材料切削加工性的措施有哪些？,2,机,100,2.5切削液,合理地选用冷却润滑液切削速度可提高5%-20%，刀具寿命明显提高，加工表面粗糙度值减小，节能5%-20%，生产效率提高。,2.5.1切削液的作用冷却作用；润滑作用；清洗作用；防锈作用,2.5.2切削液的种类水溶液冷却为主切削油润滑为主乳化液兼顾冷却与润滑,切削液,2,机,101,2,机,102,2.5切削液,2.5.3切削液的添加剂油性添加剂：油性添加剂含有极性分子，它与金属表面形成牢固的吸附膜，以减少摩擦。主要用于低速精加工。极压添加剂：常用的添加剂是含有硫、磷、氯、碘的有机化合物。它在高温下与金属表面发生化学反应形成化学润滑膜，能在高温下保持润滑作用。乳化稳定剂：其作用是使