金属切削加工基本知识

.,模块一金属切削加工基本知识,项目一金属切削基础任务一切削运动和切削用量1.切削运动在切削加工中刀具与工件的相对运动，使刀具和工件之间产生相对运动，称为切削运动。1)主运动由机床或人力提供的主要运动。特点：切削速度最高，消耗功率最大。如车削时工件的旋转运动，刨削时工件或刀具的往复运动，铣削时铣刀的旋转运动等。,.,2)进给运动由机床或人力提供的运动，它使刀具和工件之间产生附加的相对运动。3）合成切削运动由主运动和进给运动合成的运动，称为合成切削运动。,.,.,2.工件上的加工表面切削加工时在工件上产生的表面。待加工表面工件上有待切除的表面。已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面。过渡表面工件上由刀具切削刃形成的正在切削的那一部分表面。,.,.,3.切削用量切削用量是切削速度、进给量(或进给速度)和背吃刀量的总称。1）切削速度（Vc）是指在切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。Vc=Dn/1000,.,2）进给量（f）是指工件（或刀具）每回转一周时，刀具（或工件）在进给运动方向上的相对位移量。3）背吃刀量（ap）指待加工表面和已加工表面之间的垂直距离。,.,4.切削层参数切削层是指在切削过程中，刀具的切削部分沿进给方向在一次走刀中切除的工件材料层。切削层参数包括切削层公称宽度bD、切削层公称厚度hD和切削层公称横截面积AD，它的形状和尺寸规定在刀具的基面中度量。,.,任务二刀具角度一、刀具切削部分的组成前刀面A、后刀面A、副后面A、主切削刃S、副切削刃S、刀尖。安装车刀时，规定刀尖与工件中心等高，刀杆中心线垂直于进给运动方向。,.,几个平面,.,刀具静止角度1）主偏角Kr2）副偏角Kr3）刃倾角s4）前角o5）后角o6）副后角o,.,.,.,.,（3）较强的耐磨性和耐热性,（2）高强度与强韧性,刀具材料,3.1.1刀具材料的基本要求刀具材料需满足一些基本要求：,刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性,（1）高硬度,（5）良好的工艺性与经济性,（4）优良导热性,.,（1）高硬度,刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度应在60HRC以上。对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC93HRC。,.,（2）足够强度和韧性,刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。如车削45钢，在背吃刀量ap4，进给量f0.5/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。,.,（3）高的耐磨性和耐热性,A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。B、刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。,.,（4）优良导热性,刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。,.,（5）良好的工艺性与经济性,刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。,.,3.1.2刀具材料的种类和用途,1.碳素工具钢：（C=0.65%1.35%）常用的牌号有T8A、T10A、T12A等。切削温度200，切削速度8m/min，硬度6065HRC主要用于手用工具，如锉刀锯条等。2.合金工具钢：（锰、铬、钨、硅）常用的牌号有9SiCr、GCr15、CrWMn等。切削温度600，硬度6366HRC主要用于制造低速手用工具，如丝锥绞刀等。,.,3.高速钢（1）概念：高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢（2）性质：高速钢具有良好的热稳定性高速钢具有较高强度和韧性高速钢具有一定的硬度(6370HRC)和耐磨性,.,（3）高速钢的分类普通高速钢A、钨系高速钢（简称W18）优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。B、钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢）优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性。缺点：高温切削性能和W18相比稍差。,.,高性能高速钢优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.53倍。缺点：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。,.,粉末冶金高速钢,优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达6970HRC；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高23倍；耐磨性好。适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。,.,4硬质合金（1）硬质合金组成硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。（2）硬质合金的性能特点优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高。缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/31/2，冲击韧性只有高速钢的1/41/35。力学性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。,.,（3）普通硬质合金的种类、牌号及应用按其化学成分的不同可分为：钨钴类（WC+Co）（代号YG）硬度8991.5HRA，耐热性800900，常用牌号YT3、YT6、YT8等。用于铸铁有色金属合和非金属材料。金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工。,.,钨钛钴类（WC+TiC+Co）（代号YT）硬度89.592.5HRA，耐热性9001000常用牌号YT5、YT14、YT15，数值表示TiC的百分含量。用于加工塑性材料，不适合加工含TiC不锈钢。合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。,.,钨钽（铌）钴类（WC+TaC（Nb）+Co）（代号YA）常温有高硬度、耐磨性、高温强度和抗氧化性。常用的牌号：YA6用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢等材料的半精加工和精加工。钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（代号YW）性能高于钨钛钴类，通用性好等。常用的牌号：YW1、YW2用于加工钢材、铸铁、有色金属及合金。,.,碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）（代号YN）具有很高硬度、耐磨性，较高耐热性和抗氧化性，摩擦系数较小，抗黏结能力较强，耐用度高于WC基硬质合金，抗弯强度和冲击韧性低于WC基硬质合金。常用的牌号：YN05、YN10用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。,.,5.特殊刀具材料1）陶瓷刀具（1）材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3Si3N4等氧化物、氮化物和少量的金属碳化物、氧化物等添加剂组成。通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。（2）常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（3）优点：硬度9195HRA，耐热性为1200，耐磨性很高，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，切削速度高于硬质合金35倍，刀具寿命比硬质合金高。（4）缺点：强度和韧性差，热导率低；陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。（5）适用范围：高速精细加工硬材料。,.,2）金刚石刀具（1）分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。（2）优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的6080倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。（3）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。（4）适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。,.,3）立方氮化硼刀具（1）概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温、高压下合成。（2）优点：硬度高80009000HV，耐热性为1200热稳定性好，导热性较高，摩擦系数较小（3）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/51/2。（4）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。不宜加工塑性大的钢件、镍基合金、铝合金和铜合金。,.,6.涂层刀具1）概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层(512m)耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。2）常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al2O3等3）涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层4）优点：涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性5）适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。,.,.,.,.,.,第一章金属切削及机床的基本知识,基本内容：主要介绍刀具几何角度及工作角度、切削变形与积屑瘤、切削力、切削热、切削温度、刀具磨损与刀具耐用度、切削液及刀具几何参数的合理选择、机床的基本知识等。2.基本要求：刀具几何角度和积屑瘤的成因、作用及控制措施影响切削力、切削热、切削温度、刀具磨损的因素；合理选择刀具材料、几何参数、切削液等。,.,3.2金属切削加工基本知识,一、切削运动和切削用量1.切削运动:1)主运动2)进给运动3)合成切削运动2.工件上的加工表面:待加工表面、已加工表面、过渡表面。3.切削用量1)切削速度Vc2)进给量f3)背吃刀量ap,.,二、刀具角度参考系和刀具角度,1.车刀的组成：前刀面A、后刀面A、副后面A、主切削刃S、副切削刃S、刀尖。2.刀具静止角度参考系及其坐标平面1)刀具静止角度参考系假定运动条件:假定安装条件:,.,2)刀具静止参考系的坐标平面基面Pr基面是通过切削刃上选定点，垂直于假定主运动方向的平面。切削平面Ps切削平面是指切削刃上选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。正交平面Po(也称主剖面)正交平面是通过切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。,.,3.刀具静止角度的标注（正交平面参考系Pr、Ps、Po）1）主偏角Kr2）副偏角Kr3）刃倾角s4）前角o5）后角o6）副后角o,.,三、刀具的工作角度,1.刀具工作参考系及工作角度1）刀具工作参考系工作基面Pre、工作切削平面Pse、工作正交平面Poe、工作平面Pfe、工作法子面Pne2）刀具工作角度工作前角oe工作后角oe工作侧前角fe工作侧后角fe,.,2.进给运动对刀具工作角度的影响1）横车外圆对工作角度的影响以Kr=90的切断刀为例(见图113)，由于受进给运动速度f的影响，刀具工作角度发生了变化，它与标注角度的关系为oe=o+oe=o-,.,2)纵向进给运动对工作角度的影响图315所示由于受进给运动速度f的影响，刀具工作角度发生了变化，它与标注角度的关系为在主剖面内：oe=o+ooe=o-o在进给剖面内：fe=f+ffe=f-f,.,3)刀尖安装高低对工作角度的图115所示为车外圆时，刀尖安装位置高低对工作角度的影响情况由图可知:当刀尖高时见图115apep+pPeP-p当刀尖低时见图115bpep-pPeP+psinph/2d,.,4)刀杆轴线不垂直与进给运动方向刀具的标注主偏角、副偏角和工作主偏角、工作副偏角的关系如图向右倾斜时：Kr=Kre-GKr=Kre+G向左倾斜时：Kr=Kre+GKr=Kre-G,.,3.3金属切削过程,一、切削变形及其主要影响因素1切屑的形成过程及切屑形态1)切屑的形成2)切屑的形态带状切屑、节状切屑、粒状切屑、崩碎切屑3)三个变形区第一变形区在切削刃前面的切削层内的区域；第二变形区在切屑底层与前刀面的接触区域；第三变形区发生在后刀面与工件已加工表面接触的区域。,.,2影响切削变形的主要因素1)工件材料在切削条件相同的情况下，材料的强度愈大，材料切削变形减小；材料的塑性愈大，切削变形愈大。2)切削用量切削速度：切削塑性材料时，切削速度对切削变形的影响呈波浪形变化。进给量：当主偏角Kr一定时，增大进给量，切削变形通常是减小的。3)刀具几何角度前角愈大，切削变形愈小。,.,3积屑瘤1)积屑瘤定义在一定的条件下切削塑性金属时，由于前刀面挤压及摩擦的作用，使切屑底层中的一部分金属停滞和堆积在切削刃口附近，形成硬块，能代替切削刃进行切削，这个硬块称为切屑瘤。如图3.21所示。2）积屑瘤产生的原因切屑底面对前刀面强烈的摩擦，当接触面达到一定温度和压力时，刀具表面易产生粘结现象。这时切屑从粘结在刀面上的金属层上流过(剪切滑移)，因内摩擦变形而产生加工硬化，使金属粘结在底层上。这样，一层一层的堆积并粘结在一起，形成积屑瘤，直至该处的温度和压力不足以造成粘结为止。,.,3)积屑瘤的特点积屑瘤有利的一面是它代替切削刃工作，起到保护切削刃的作用，使刀具实际前角增大，切削变形程度降低切削力减小；积屑瘤不利的一面是它的前端伸出切削刃之外，影响尺寸精度和表面质量。因此在粗加工时，允许有积屑瘤存在，但在精加工时，一定要设法避免。4)积屑瘤的控制措施A、提高工件材料的硬度，减少塑性和加工硬化倾向。B、控制切削速度，选择低速或高速切削。C、采用润滑性能良好的切削液，减小摩擦。D、增大前角，减小切削厚度，都可使刀具屑接触长度减小，积屑瘤高度减小。,.,二、切削力及其主要影响因素,l.切削力的来源、切削分力切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力F。主切削力Fc(Fz)：总切削力F在主运动方向上的分力；背向力Fp(Fy)：总切削力F在垂直于假定工作平面方向上的分力；进给力Ff(Fx)：总切削力在进给运动方向上的分力。,.,2影响切削力的主要因素1)工件材料的影响工件材料的硬度高，则切削力大。工件材料硬度、强度较低，但塑性、韧性大，切削力也较大。切削脆性材料(如铸铁)时，切削力也较小。2)切削用量的影响切削用量三要素对切削力的影响规律是：背吃刀量ap最大；其次是进给量f；最小是切削速度Vc。,.,3)刀具几何参数的影响a.前角的影响o前角大，切削变形小，切削力下降。b.主偏角的影响Kr主偏角Kr的增加，进给力Ff增加，背向力FP减小c.刃倾角的影响s刃倾角s对主切削力Fc的影响很小。刃倾角s对进给力Ff和背向力FP的影响较大。当s从正值变为负值，将FP增加，Ff将减小。d.刀尖圆弧半径r增大刀尖圆弧半径r，Fp明显增加，Ff降低。,.,三、切削温度及其主要影响因素,1切削热和切削温度1)切削热的产生和传出变形和摩擦所做的功绝大部分都转化成热能。热能通过切屑、工件、刀具和周围介质传出。2)切削温度:切削温度一般指切削区域的平均温度2切削温度的主要影响因素1)工件材料的影响材料的强度、硬度高，切削温度Q升高。切削脆性材料，因变形小，切削温度较低。2)切削用量的影响切削速度最大；其次进给量；最小背吃刀量。,.,3)刀具几何参数的影响a、前角oo增大，产生的热量减小。b、主偏角KrKr减小，在ap不变的条件下主切削刃工作长度增加，散热面积增加，因此切削温度下降。c、刀尖圆弧半径rr增大，平均主偏角减小，切削宽度bD增加，散热面积增加，切削温度降低。4)其它影响因素选择合适的冷却液能降低切削温度。,.,四、刀具磨损、刀具耐用度及影响因素,1刀具磨损形式和磨损原因1)刀具磨损形式：前刀面磨损、后刀面磨损、前后刀面同时磨损。2)刀具磨损过程及原因：硬质点磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损等。2刀具耐用度及其主要影响因素1)刀具磨损限度2）刀具耐用度指一把新刃磨的刀具，从开始切削至达到磨损限度所经过的切削时间，用T表示。3)刀具寿命:是一把新刀具从使用到报废的切削时间。,.,3.4提高切削效益的途径,一、切削液的合理选择：切削掖的种类和选用见表3-4。1.切削液的作用(1)润滑作用:在切屑、工件与刀具之间形成油膜。(2)冷却作用:(3)清洗与防锈作用2.切削液的种类(1)水溶液以水为主要成分并加人防锈添加剂的切削液。主要起冷却作用，用于粗加工和普通镗削加工。(2)切削油以矿物油为主加入一定的添加剂构成的.起润滑作用(3)乳化液乳化油加95-98水稀释成的一种切削液。乳化油由矿物抽、乳化剂配制而成，,.,3切削液的合理选用和使用方法1)切削液的合理选用硬质合金刀具，一般不用切削液。若要用切削液，必需连续、充分地供给，否则刀片产生裂纹。高速钢刀具耐热性差，需采用切削液。粗加工采用35的乳化液，主要冷却；精加工时，可以采用15-20的乳化液，目的改善加工质量，降低刀具磨损，减少积屑瘤。铸铁一般不用切削液。钢合金和有色金属，一般不用含硫的切削液，避免腐蚀工件表面。切削铝合金时不用切削液。2)切削液的使用方法切削液应浇注在切削变形区，不应该浇注在刀具或零件上。切削液浇注的方法如图3-29所示。,.,二、几何参效的合理选择合理的刀具几何参数，可以保证工件加工质量，获得较高的刀具寿命，提高生产效率，降低生产成本。1.前角及前刀面的选择1)前角的功用前角影响切削变形和摩擦，从而影响了切削力、切削热和切削功率。前角影响刀具的锋利性，同时影响切削刃和刀头的强度及刀头散热条件。刀具前角大，可以减小切削变形，但不易断屑。刀具前角减小或采用负前角，将会使刀具在切削时振动加大，加工表面粗糙。,.,2)前角选择的原则工件材料的强度、硬度低，用较大的前角；反之，采用较小的前角。加工塑性材料选较大的前角，加工脆性材料选较小的前角。粗加工、断续切削和承受冲击载荷时，选较小的前角，甚至负前角。成形刀具和展成法刀具，选用较小的前角。高速钢刀比硬质合金刀具前角大5C10C。,.,2倒棱及前刀面形式1）倒棱的含义及作用含义：指沿着切削刃在前刀面上磨出负前角的小棱面，如图3-30(b)所示。作用：提高刀刃强度、增强散热能力和刀具耐用度。倒棱参数：倒梭前角和倒棱宽度。倒梭前角：高速钢刀具一般取0C，硬质合金刀具一般取-15-5C。倒棱宽度：粗加工时，取较大值；精加工时，一般0.21mm。,.,2）前刀面形式(1)正前角平面型（如图3-30）特点：刃口锋利，制造简单，但强度低，传热能力差。用途：用于精加工刀具、成形刀具、铣刀和脆性材料的加工。(2)正前角平面带倒棱型倒棱宽度很窄，切削塑性材料时，前角取-15-5C，一般用于粗切铸、锻件或断续表面的加工。(3)正前角曲面带倒棱型一般用于粗加工或精加工塑性材料的刀具。(4)负前角单面型用于切削高硬度(强度)材料和淬火钢材料。(5)负前角双面型,.,3后角及后刀面的选择1)后角的功用减小后刀面与加工表面间的摩擦。配合前角工作。改善切削刃和刀头的强度及散热体积。2)后角选择的原则粗加工选小的后角；精加工选大的后角。工件材料的硬度、强度高时，取较小的后角；工件材料的硬度、强度低，塑性大时，选大的后角；加工脆性材料时，选较小的后角；采用负前角时，取较大的后角；定尺寸刀具取较小的后角；,.,3)后刀面选择双重后刀面如图3-31(a)所示。刃带:在后刀面上磨出后角为零度的小棱面，如图3-31(b)所示。刃带起到稳定、导向、消振、强化切削刃的作用。消振棱：指沿着切削刃在后刀面上磨出负后角的小棱面，如图3-31(b)所示。作用：强化切削刃、减小刀具磨损、消振等。消振棱参数：消振棱后角和消振梭宽度。4)副后角的功用及选择功用：减少副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦，与后角选择相同。,.,4主偏角、副偏角的选择1)主偏角和副偏角的功用改善表面粗糙度、断屑能力和工艺系统的刚性。2)主偏角选择的原则当工艺系统刚性不足时，选较大主偏角，见表3-5。工件材料强度大、硬度高时，选较小主偏角。加工阶梯轴时，一般主偏角Kr=90C；车外圆、端面、倒角时，通常主偏角Kr=45C。3)副偏角的选择副偏角Kr主要影响表面粗糙度和刀具强度。一般情况Kr=1015C；切断刀选Kr=12C。,.,5刃倾角的选择：1)刃倾角的作用影响排屑方向，如图3-32所示。控制切削刃切人时与工件接触的位置如图3-33所示。影响切削刃锋利性控制背向力与进