机械制造技术基础 1

机械制造技术基础(第3章金属切削过程及其控制),华北电力大学机械工程学院,3.1概述3.2金属切削加工的基本概念3.3金属切削加工用的刀具3.4金属切削过程中的变形3.5金属切削过程中切屑的类型和控制3.6金属切削过程中的切削力和切削功率3.7金属切削过程中的切削热和切削温度3.8刀具磨损和刀具寿命3.9工件材料的切削加工性3.10切削条件的合理选择3.11磨削过程和磨削机理,思考与练习,3.1概述金属切削过程：机械制造中的最基本的方法。是刀具和工件间相互作用，刀具从被加工工件表面上切去多余材料得到预定的尺寸精度和表面质量的过程。金属切削现象：被加工工件的切削层在刀具的挤压下产生塑性变形，形成切屑被切除掉；同时伴随着很多的物理现象：如力、热、刀具的磨损等本章主要研究内容：研究意义：保证和提高加工质量、提高生产率、降低成本、促进刀具和加工工艺技术的进步。,第三章金属切削过程及其控制,3.2金属切削加工的基本概念,3.2.1切削加工利用刀具切去工件毛坯上多余的加工余量，获得具有一定的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。3.2.2切削运动切削运动就是刀具与工件之间的相对运动，即表面成形运动，切削运动可分解为主运动和进给运动。,车削时的切削运动,主运动：切下切屑所需的最基本的运动。在切削运动中,主运动的速度最高、消耗的功率最大，主运动只有一个。2.进给运动：将多余材料不断被投入切削,从而加工出完整表面所需的运动。进给运动可以有一个或几个。,切削运动的方向：切削运动及其方向用切削运动的速度矢量ve来表示。,ve=v+vf,3.2.3加工表面切削加工过程中，在工件上通常会有三种变化着的加工表面。a)待加工表面；b)已加工表面c)过渡表面；,1.切削速度v:单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移（m/s）2.进给量f:工件或刀具每转一周或每往复一次，两者沿进给方向的相对位移（mm/r）,(或mm/双行程，mm/Z)3.背吃刀量ap（切削深度）:刀具切削刃和工件接触长度在同时垂直于主、进给运动方向上的投影值（mm）,hd,bd,3.2.4切削用量（切削三要素）,3.2.5切削层参数:1.切削层公称厚度hd；垂直于过渡表面度量的切削层公称厚度2.切削层公称宽度bd；沿过渡表面度量的切削层尺寸3.切削层公称横截面积Ad：Ad=hdbd=apf,hd,bd,3.3金属切削加工用的刀具,3.3.1刀具的结构及参考系1.刀具切削部分的组成：“三面二刃一尖”,车削运动,1)前刀面（A）：切屑流过的表面。2)主后刀面（A）：与加工表面相对的表面。3)副后刀面（A）：与已加工表面相对的表面。4)主切削刃（S）：前刀面与主后刀面（A与A）的交线5)副切削刃（S）：前刀面与副后刀面（A与A）的交线6)刀尖：主切削刃与副切削刃相交的部分。,其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可看作是车刀的演变和组合。,各种车刀加工的平面图,工件,车刀,f,待加工表面,加工表面,已加工表面,基面,切削平面,正交平面,2.确定刀具角度的参考平面,刀具立体图刀具车削运动,基面Pr：通过主切削刃上一点，并与切削速度方向垂直的平面。,切削平面Ps：通过主切削刃上一点，并与工件加工表面相切的平面。,正交平面Po：通过主切削刃上一点，并与切削刃在基面上的投影相垂直的平面。,刀具立体图刀具车削运动,3.刀具的标注角度,课堂练习,假定：1）运动条件：以v代替Ve。2）安装条件：无安装误差。1前角0：在Po（正交平面）内测量的A（前刀面）与Pr（基面）之间的夹角。2后角0：在Po（正交平面）内测量的A（主后刀面）与Ps（切削平面）之间的夹角。只有正值。3主偏角Kr：在Pr（基面）内测量的主切削刃在基面上的投影与Vf（进给运动方向）之间的夹角，为正值。4副偏角Kr：在Pr（基面）内测量的副切削刃在基面上投影与Vf（进给运动方向）反方向的夹角，为正值。5刃倾角s：在Ps（切削平面）内测量的主切削刃与Pr（基面）之间的夹角。符号判断：刀尖高时，s0；刀尖最低时，s0；刃水平时，s=0。6.副后角o：Po内测量的A与Ps之间的夹角。只有正值,刃倾角的符号,4.刀具的工作角度,产生原因:在实际的切削加工中，切削平面、基面和正交平面位置会发生变化。定义:以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。影响：刀具安装位置对工作角度的影响、进给运动对工作角度的影响。,s,1）车端面或切断时，加工表面是阿基米德螺旋面附加一个螺旋升角,横向进给运动对工作角度的影响,1.进给运动的影响,1.进给运动的影响2）车外圆或车螺纹的加工表面实际上是螺旋面附加一个螺旋升角f,纵向进给运动对工作角度的影响,2.刀具安装位置的影响1）刀尖安装高oeooeo,a)刀尖高于工件轴线,Pre,Pse,2）刀尖安装低：oeooeo,2.刀具安装位置的影响,b)刀尖低于工件轴线,Pre,Pse,3）刀具安装不正：KrekrKreKr,T3-9刀杆中心线与进给方向不垂直,3.3.2常用刀具种类,1.分类,按照切削刃的多少可分为单刃（如车刀）刀具和多刃刀具（如铣刀）；,按照标准化程度不同可分为标准刀具（如麻花钻、丝锥）和非标准刀具（如拉刀、成形刀具）；,按照尺寸的规格的不同可分为定尺寸刀具（如铰刀、扩孔钻）和非定尺寸刀具（如车刀、刨刀）；,按照刀具组成形式可分为整体式刀具、装配式刀具和复合式刀具。,2.车刀,1切断刀；2左偏刀；3右偏刀；4弯头车刀；5直头车刀；6成形车刀；7宽刃精车刀；8外螺纹车刀；9端面车刀；10内螺纹车刀；11内槽车刀；12通孔车刀；13盲孔车刀,返回第17页,车刀是金属切削中使用最广泛的刀具。按其结构可分为：（1）整体式（2）焊接式（3）机械夹固式（4）可转位式（5）成形车刀,2.车刀,（1）钻孔刀具麻花钻、群钻、中心钻、深孔钻、扩孔钻,3.孔加工刀具,（2）铰刀,（3）镗刀,4.铣刀,刀齿分布在圆周表面或端面的多刃回转刀具。加工平面、台阶、沟槽和各种成形表面。,比较复杂的用于加工复杂三维曲面的弧面和球面铣刀,在联动轴数较多的数控加工机床上应用很广。,圆柱平面铣刀,端铣刀,立铣刀,两面刃铣刀,三面刃铣刀,锯片铣刀,T型槽铣刀,角度铣刀,凸半圆铣刀,凹半圆铣刀,铣刀种类,各种成形铣刀,5.拉刀,一般为加工规则复杂内表面的,特别是花键槽等这一类型表面直线运动；齿很多；排齿间有齿升量；加工效率较高,拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具，广泛用于大批量生产中，可加工内外表面。,a)圆孔b)三角形孔c)方孔d)键槽e)花键孔f)内齿轮g)平面h)榫槽i)燕尾槽,6.螺纹刀具,单件：一般车削加工；也有用板牙加工的；成批：采用切削法和滚压法。,（1）螺纹车刀和螺纹梳刀螺纹车刀：是成形车刀的一种。可用于加工任何形状、尺寸和精度的内、外螺纹，生产率较低，适合于单件小批量生产。螺纹梳刀：结构上是多齿的成形车刀，只需一次进给就能加工出所需螺纹，效率高。,（2）板牙和丝锥板牙是用于加工外螺纹的标准刀具。丝锥是广泛应用于加工内螺纹的刀具，有手动和机动两种。,（3）螺纹铣刀图盘形螺纹铣刀用于粗切蜗杆或梯形螺纹。,（4）螺纹滚压图滚压加工是一种无屑加工工艺。适合于加工塑料工件，具有效率高、精度好、螺纹强度高、工具使用寿命长的特点，应用十分广泛。,切削法工作的螺纹刀具,a)平体螺纹梳刀,b)棱体螺纹梳刀,d)板牙,c)圆体螺纹梳刀,6.螺纹刀具,6.螺纹刀具,7.齿轮加工刀具,加工方法有:切削法：成形法齿轮刀具:盘形齿轮铣刀、指状齿轮铣刀展成法齿轮刀具:滚刀、插齿刀、剃齿刀插齿刀:加工同模数、同压力角的任意齿数的齿轮；既可以加工标准齿轮,也可以加工变位齿轮.滚刀:渐开线蜗杆、阿基米德蜗杆、选用原则:基本参数(如模数、压力角、齿顶高系数等)相同；精度等级相当；旋向相同,滚切直齿用左旋滚刀。,（1）成形齿轮铣刀（2）齿轮滚刀（3）插齿刀（4）剃齿刀,7、齿轮加工刀具：,粗加工,（半精加工）,转72页刀具材料,（1）成形齿轮铣刀,主要有盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀等。用于加工直齿、斜齿圆柱齿轮和斜齿齿条等。刀具结构简单、成本低，但是加工精度低、生产效率低，适用于单件小批量生产或者修配场合。,返回,(m8),（2）齿轮滚刀,是应用最为广泛的用于加工直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮的刀具。有渐开线、阿基米得和法向直廓三种。生产中常用阿基米得蜗杆代替渐开线蜗杆。,返回,（3）插齿刀,插齿刀是用于加工直齿轮、内齿轮、多联齿轮、人字齿轮和齿条的刀具。标准的直齿插齿刀分类：盘形、碗形和带锥柄三种。,返回,加工直齿外齿轮和大模数的内齿轮,加工多联齿轮和带凸肩的齿轮,加工内齿轮。,（4）剃齿刀,用于加工未淬硬的直齿、斜齿圆柱齿轮的半精加工。剃齿刀的精度等级为A、B、C三级，分别用于加工6、7、8级齿轮。剃齿刀的使用寿命长、生产率高，但价格高，适于大批量生产中使用。,返回,（1）整体式车刀其材料为高速钢，因耗用刀具材料多，一般只用作切槽、切断刀。（2）焊接式车刀将硬质合金刀片焊接在碳钢或铸铁刀杆的槽上的车刀。它的质量好坏及使用是否合理，与刀片选择、刀具几何参数、刀槽的形状、焊接工艺和刃磨质量有密切关系。其优点是结构简单、紧凑、刚性好、制造方便，缺点是由于焊接产生的应力会降低刀片的使用性能。,返回,简称机夹车刀，是采用普通硬质合金刀片，使用机械夹固的方法将刀片夹持在刀柄上使用的车刀。,机械夹固车刀,上压式夹固机构,压孔式夹固机构,综合式夹固机构,硬质合金可转位刀片,杠杆式夹固机构,（3）机械夹固式车刀：,与焊接式相比，机夹车刀结构复杂，不紧凑。具有以下优点：刀片不经高温焊接，避免了因焊接而引起的刀片硬度下降及热应力所造成的裂纹等缺陷，提高了刀具耐用度及寿命。刀杆使用寿命长，可多次重复使用，节省了制造刀杆的材料和工时。车刀重磨多次后，尺寸变小，可以装在小一号的刀杆上继续使用，从而提高刀片的利用率。刀片的夹紧元件往往同时起到断屑台的作用，有利于断屑此外，车刀磨钝后，不必拆动刀杆，只需卸下刀片重磨或更换即可。这样不仅大大缩短了车刀更换和调整的时间，还减轻了工人的劳动强度。这对于重型车床上用大型车刀来讲，其效果尤为显著。,返回,组成：刀杆、刀片、刀垫和夹紧元件。特点：当全部切削刃用钝后，更换新的刀片。寿命长、节约材料、减少辅助时间、效率高等很多优点。,（4）可转位式车刀,（图231）机夹外圆车刀,（图232）机夹可转位车刀,返回,定义：加工转体成形表面的专用刀具。类型：主要有平体、棱体和圆体三种。特点：具有加工质量稳定、生产率高、刀具使用寿命长的特点。主要应用于大批量生产。,（5）成形车刀,返回,（1）钻孔刀具,麻花钻(特别适合30mm以下的孔的粗加工)类型：按刀具结构不同可分为：麻花钻、中心钻、扁钻和深孔钻等。按材料不同可分为：碳素钢麻花钻、高速钢麻花钻(常用)和硬质合金麻花钻(较脆)等。,组成：柄部；颈部；导向部分；切削部分。,颈部,麻花钻：,麻花钻存在问题,沿主切削刃前角变化大，中心切削条件差；排屑不畅；横刃的切削条件差（轴向力大，定心效果差）；散热条件差主、副切削刃交界处磨损剧烈顶角、后角和横刃不能够或很难分别控制切屑由已加工表面排除，孔表面粗糙度大,改进方法,群钻双重顶角等前角曲线刃S形横刃,返回,三尖七刃锐当先,月牙弧槽分两边,一侧外刃开屑槽,横刃磨得低窄尖.,群钻：,返回,中心钻分成打中心孔用的中心钻和钻孔定中心用的中心钻。其中前者又分三种类型。,中心钻：,返回,按工艺的不同可分为钻孔、扩孔、套料三种；按切削刃的多少可分为单刃和多刃；按排屑方式可分为外排屑和内排屑。,深孔钻：,返回,扩孔钻是孔精加工前的预加工以及毛坯孔的扩大，与钻孔相似，但齿数多，没有横刃，因此加工效率和精度高。,扩孔钻：,高速钢整体式、镶齿套式、镶硬质合金可转位式,返回,（2）铰刀,类型：一般分为手用铰刀和机用铰刀，是孔的精加工刀具。加工质量：IT6-IT7，Ra1.6-0.4m材料：高速钢、硬质合金或金刚石。结构组成：柄部、颈部和工作部分。工作部分由引导锥、切削部分和校准部分组成,铰刀：,a,b）手用c,d）机用e）两把一套的锥度绞刀,返回,（3）镗刀,按切削刃数量可分为单刃、双刃和多刃镗刀；按加工表面可分为内孔和端面镗刀；按刀具结构可分为整体式、装夹式和可调式镗刀。单刃镗刀：只有一个主切削刃，结构与车刀类似。镗孔的尺寸通过调整镗刀头的位置来保证。双刃镗刀：分定装和浮动两种。镗刀主要用于箱体孔的粗、精加工。,双刃浮动镗刀的结构,多刃镗刀：镗孔时每个镗刀头同时参与切削，生产效率高，适合于孔的粗加工。,多刃浮动镗刀：,有精密的刻度盘，刻度盘的螺母同刀头的丝杠组成一个精密的丝杠螺母副（如图所示）。当转动刻度盘时，丝杠带动刀头直线运动实现微调。微调镗刀的安装有直角型和倾斜型，直角型用于镗通孔，倾斜型用于镗盲孔。,返回,微调镗刀：,3.3.3常用刀具材料,1.刀具材料应具备的性能,高硬度:比工件高,HRC60,高耐磨性:,足够的强度和韧性:,高的耐热性(热稳定性):,良好的热物理性能和耐热冲击性能,良好的工艺性能:,刀具工况：高压、高温、强摩擦、冲击和振动,碳素工具钢（T10A）、合金工具钢（9SiCr）：,常用刀具材料：,特点：硬度较高，价格低廉，但耐热性差应用：适于低速、低温下工作，如手工刀具或低速切削的机动刀具。,2.高速钢(风钢或锋钢),含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢特点：较高的硬度(热处理硬度达HRC6267)和耐热性(切削温度可达550600)切削速度比碳素工具钢和合金工具钢高13倍(因此而得名),刀具耐用度高1040倍,甚至更多工件材料：可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料工艺性好：工艺简单,能锻造,容易磨出锋利的刀刃应用:在复杂刀具(钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)的制造中占有重要地位。,分类:按切削性能：普通高速钢高性能高速钢按制造工艺方法熔炼高速钢粉末冶金高速钢涂层高速钢,普通高速钢。切削硬度在250280HBS以下,切削速度不高于4060m/min。普通高速钢应用最广，约占高速钢总量的75%。钨系高速钢（W18Cr4V）：综合性能好，工艺性好。但碳化物含量高，塑性变形抗力大；强度和韧性显得不够；热塑性差。适用于制造复杂刀具。钨钼系高速钢:（W6Mo5Cr4V2）：具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等。工艺性也好，目前各国广为应用。,高性能高速钢（普通高速钢+C、V、Co、Al等）：耐热性好，在630650时仍能保持接近60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等。,高碳高速钢：硬度、耐磨性提高，但强度和韧性有所降低，目前很少使用。高钒高速钢（如W12Cr4V4Mo）：硬度、耐磨性提高，刃磨难度提高。（碳化钒)钴高速钢（如W2Mo9Cr4VCo8）：高温硬度、抗氧化能力提高，适于较高的切削速度，可提高钢的回火硬度和磨削加工性。铝高速钢（如W6Mo5Cr4V2Al）：我国独创，提高了高温硬度、热塑性和韧性。,粉末冶金高速钢：与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢材质均匀、韧性好、硬度高、热处理变形小、质量稳定、刃磨性能好、刀具寿命较高。可用它切削各种难加工材料，特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。涂层高速钢：切削力、切削温度约下降25%，切削速度、进给量和刀具寿命显著提高。适于钻头、丝锥、成形铣刀和切齿刀具上应用。,3.硬质合金,用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(碳化钨,碳化钛,碳化钽,碳化铌等)与金属粘结剂(钴,镍,钼等)在高温下烧结而成的粉末冶金制品。特点：高硬度、高耐磨性:HRA89-93耐热性：能耐850-1000C的高温切速可达100-300m/min抗弯强度低,冲击韧性差较难加工应用：应用广泛，可加工包括淬硬钢在内的多种材料,硬质合金的，不宜做成形状复杂的整体刀具。,K类（YG类）钨钴类硬质合金（WCCo）：强度、韧性好，耐磨性、导热性差。主要用来加工铸铁、有色金属及其合金。典型牌号：YG3、YG8P类（YT类）钨钛钴类硬质合金（WCTiCCo）：主要用于加工钢料。典型牌号：YT15、YT30M类（YW类）通用硬质合金（WCTiCTaCNbCCo)：既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料。典型牌号：YW1、YW2为了克服常用硬质合金强度和韧性低、脆性大、易崩刃的缺点，可以通过调整化学成分、细化合金晶粒以及采用涂层刀片等手段来改善其性能。,常用硬质合金：,4.涂层刀具,常用的涂层材料：TiC、TiN和Al2O3等。TiC的硬度、抗磨损性好。对于会产生剧烈磨损的刀具，TiC的涂层较好。TiN与金属的亲和力较小，润湿性能好。在容易产生黏结的情况下，TiN的涂层较好。氧化铝在高温下有良好的热稳定性。在高速切削产生大量热量的场合，以采用AL2O3涂层为好。特点：外硬内韧，抗氧化性和抗粘接性好，但锋利性差，易剥落、崩刃。,陶瓷刀具是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，添加少量金属在高温下烧结而成的。具有以下主要特点：高硬度和耐磨性：常温硬度达9195HRC，可以切削60HRC以上的硬材料。高的耐热性：高温下强度、韧性降低较少。高的化学稳定性：在高温下有较好的抗氧化、抗黏结性能。低的摩擦因数：切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。强度和韧性低：承受冲击载荷的能力较差。热导率低：抗热冲击性能较差。陶瓷刀具一般适用于高速精细加工硬材料，新型的陶瓷刀具也能半精、粗加工多种难加工材料。,5.陶瓷,特点：其硬度高达8000HV，仅次于金刚石。耐热、热稳定性好：13001500的高温化学稳定性也很好：温度高达12001300时也不与铁产生化学反应。应用：能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。能对淬硬钢、冷硬铸铁进行粗加工与半精加工，同时还能高速切削高温合金、热喷涂材料等难加工材料。,6.立方氮化硼,金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，其显微硬度达10000HV。金刚石刀具有三类：（1）天然单晶金刚石刀具主要用于非铁材料及非金属的精密加工。单晶金刚石结晶界面有一定的方向，不同晶面上硬度与耐磨性有较大的差异，刃磨时须注意选择刃磨平面，价格较高。（2）人造聚晶金刚石人造聚晶金刚石抗冲击强度高，可选用较大的切削用量。结晶面无固定方向，可自由刃磨。工业上多使用人造金刚石。目前主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料时主要用于有色金属的高速精细切削。,7.金刚石,（3）金刚石烧结体在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的聚晶金刚石。强度较好，能进行断续切削，可多次刃磨。金刚石不是碳的稳定状态，遇热易氧化和石墨化，用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力强，刀具寿命低。,切削一般钢与铸铁的常用刀具材料,常用刀具材料可切削的主要工件材料,3.3.4磨料与磨具,磨削：用带有磨粒的工具（砂轮、砂带、油石等）对工件进行加工的方法。工具(砂轮):磨料结合剂制坯、干燥、焙烧、修整。砂轮特性：由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、及形状尺寸等因素决定。,3.3.4磨料与磨具,1.磨料磨料应具有的性质：高硬度、高耐热性和一定的韧性。在磨削过程中受力破碎后还要能形成锋利的几何形状。常用的磨料:氧化物系、碳化物系和超硬磨料系。,硬脆性，导热、导电性韧性,2.粒度,粒度表示磨料颗粒的尺寸大小，按直径大于40m否，分为磨粒和微粉，如60、W20。粗磨加工选用颗粒较粗的砂轮；精磨加工选用颗粒较细的砂轮。砂轮与工件接触面积大时，选用颗粒较粗的砂轮，防止烧伤工件。,常用的粒度及使用范围见3-4。,表34常用粒度及使用尺寸,3.结合剂,常用的结合剂种类有：,强度，弹性，耐热、蚀性,是砂轮的强度、抗冲击性、耐热性的主要决定因素。,4.硬度,砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。反映了磨粒与结合剂的粘固强度和自砺性。砂轮的硬度分七个等级：超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬，见表3-6。工件硬度较高时应选用较软的砂轮；工件硬度较低时，应选用较硬的砂轮；砂轮与工件接触面较大时，选用较软的砂轮；磨薄壁件及导热性差的工件时选用较软的砂轮；砂轮粒度号大时，应选用较软的砂轮。精磨和成形磨时，应选用较硬的砂轮；,5.组织,砂轮的组织是指磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨料在砂轮体积中所占的比例越大，组织越紧密；反之，则组织越疏松。砂轮的组织分为紧密（组织号03）、中等（组织号47）和疏松（组织号812）三个类别。6.砂轮形状砂轮是用结合剂把磨粒黏结起来，经压坯、干燥、焙烧及车整而成。它的特性决定于磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸等。常用砂轮形状、代号及主要用途见表3-7。,13003075A60L5V35m/s表示：该砂轮为平形砂轮