机械制造技术-吉卫喜-编-第一章

第一章金属切削基本知识,金属切削加工的目的：金属切削过程就是刀具从工件上切除多余的金属，使工件获得规定的加工精度与表面质量。金属切削加工要切除工件上多余的金属，形成已加工表面，必须具备两个基本条件：切削运动(造型运动)和刀具(几何形态)。造型运动的复杂程度将影响机床的结构。刀具的复杂程度将影响刀具刃磨制造的难易程度，同时也会促进刀具材料、刀具制造工艺的发展。,一些常见加工方法：,车chexue.rm铣xixue.rm刨longbao.rm磨mokong.rm镗mokong.rm,第一节切削运动与切削要素,由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动,它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑,从而形成工件的新表面。在切削运动中，主运动速度最高、耗功最大，是切下切屑所必须的基本运动。,切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。,切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。,切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,主运动,主运动方向：是指切削刃选定点相对于工件的瞬时主运动方向。主运动速度：也就是切削速度，是指切削刃选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，用vc表示，单位：m/min（或m/s）。外圆车削时，切削速度的计算公式为：,刀具与工件之间附加的相对运动,它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑,从而形成具有所需几何特性的已加工表面。进给运动可由刀具完成(如车削)，也可由工件完成(如铣削)，可以是间歇的（如刨削）,也可以是连续的（如车削）。,切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。,切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。,切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。,切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。,进给运动进给运动方向：是指切削刃选定点相对于工件的瞬时进给运动方向。进给运动速度：指切削刃选定点相对于工件进给运动的瞬时速度，用vf表示，单位常取为(mm/s)或(mm/min),进给运动速度,例：外圆车削时，进给运动速度常常用进给量f来表述，单位：mm/r刨削时，进给运动速度用每一行程多少毫米来表述，单位为mm/str。铣削时，进给运动速度常用每齿进给量f来表述，单位：mm/z进给速度vf、进给量f、每齿进给量fz和刀具齿数Z之间的关系如下：vf=nf=nzfz,切削刃相对于工件的运动过程,就是表面形成过程。在这个过程中,切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表面和已加工表面。,二、切削加工过程中的工件表面,车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。,工件上待切除的表面。,工件上经刀具切削后产生的新表面。,工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。,三、切削要素,切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。,对切削运动定量描述的重要指标之一。外圆车削的切削速度为vc=dwn/1000,是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r；当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程；,在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸,外圆车削:ap(dw-dm)/2,三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min，Qz=1000vcfap,1.切削速度v(m/s或m/min)主运动为旋转运动v=dn/1000,切削用量三要素,2.进给量f(mm/r或mm/双行程)进给速度vf=nf=nfzz（mm/s或mm/min),3.背吃刀量（切削深度）ap车削外圆时ap=(dw-dm)/2钻孔时ap=dm/2,例题：车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm。求v、f、ap,解：v=dn/1000=624/1000=0.779m/s,f=vf/n=2/4=0.5mm/r,ap=(dw-dm)/2=(62-56)/2=3mm,切削层是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层（图12）。,垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。hDfsinKr,平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。bDapsinKr,在切削层参数平面内度量横截面积。ADhDbD=apf,第二节刀具切削部分的几何参数,一刀具的构成,一、刀具切削部分的构成,车刀切削部分的组成要素,1、刀面,前面主后面副后面,一、刀具切削部分的构成,(1)前面：直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其排出的刀面。,主后面：是指与工件上加工表面相对着的刀面；副后面：是与工件上已加工表面相对着的刀面。,2.刀刃,3刀尖,车刀的组成：三面前面A主后面A副后面A两刃主切削刃S副切削刃S一尖过渡刃,刀具角度是为刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）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;参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系两类。,三刀具角度,1刀具静止参考系,刀具的参考平面,2.正交平面参考系,由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。图14,通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。,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。,通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。,图1-4正交平面参考系,刀具的几何角度,（三）正交平面参照系刀具的标注角度,（三）正交平面参照系刀具的标注角度,（三）正交平面参照系刀具的标注角度,（三）正交平面参照系刀具的标注角度,图1-6各种刀尖和过渡刃a)直线过渡刃b)圆弧过渡刃c)修光刃,3.其它刀具标注参考系,图正交平面参考系与法平面参考系,六刀具工作角度,刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。,1刀具工作参考系的建立,刀具工作参考系,通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。,通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。,通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。,2刀具工作角度的分析,图111,图111刀尖安装高低对工作角度的影响,图112车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响,第三节刀具材料,刀具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数,（一）刀具材料必须具备的性能,1.高的硬度和耐磨性常温硬度60HRC以上，耐磨性是硬度、组织结构及化学性能等的综合反映。,2.足够的强度和冲击韧性,3.高耐热性高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等,4.良好的工艺性锻造性能、磨削性能、热处理性能等,5.经济性,1.刀具材料的基本要求,（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）高强度与强韧性,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）较强的耐磨性和耐热性,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。,2.常用刀具材料,包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。,有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。,推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼等。,布氏硬度，洛氏硬度和维氏硬度。,布氏硬度的含意：用一定直径的淬硬钢球，在一定的载荷（p）作用下，压入试件表面，停留一段时间，然后除去载荷，测量压痕的面积，压痕越小表示抵抗塑性变形能力（即硬度）越大，用“HB”来表示。,洛氏硬度的含意：在规定的外加载荷下，将钢球或金刚石压头垂直压入试件表面，产生压痕，测试压痕深度，利用洛氏硬度计算公式HR=（K-H)/C便可计算出洛氏硬度。简单说就是压痕越浅，HR值越大，材料硬度越高。用HRC来表示。比如HRC60，即代表在试验载荷为150kg下，使用顶角为120度的金刚石圆锥压头时，试件的压痕深度为0.08mm。,维氏硬度的含意：是利用顶角为136度的金刚石四方角锥体作压头，在一定的载荷下压入试件表面，留下方形压痕，根据对角线的长度，即可查出硬度值，用“HV”来表示。一般都是用洛氏硬度来衡量刀刃的硬度，也就是HRC值，通常一把好刀的刀刃硬度应在洛氏硬度50s以上，60s以下，简而言之，硬度越高，抗磨损能力越高，但脆性也越大。,常用的刀具材料(工具钢)1.碳素工具钢含c%为0.71.3%。加工性好、刃易磨锋利。淬火后HRC6164，价格低。在200以上失去原有硬度，使刀刃烧损，切削速度不能提高，淬火时易产生裂纹和变形，适应于做锉刀、手用铰刀等。牌号T10、T10A2.合金工具钢在碳素工具钢中加入一定的W、Cr、Mn而成。加入这些元素可提高刀具材料的耐磨性、耐热性、韧性、减少热处理时的变形。淬火后HRC6165，耐250300高温，用于制造铰刀、拉刀等。3.高速钢合金钢中含较多W、Cr耐磨性，耐热性。高速钢约含Cr4%、W1020%、V1%。,高速钢,它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。热处理后硬度可达6266HRC,抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度在500650C时仍能进行切削。,高速钢还具有高的强度和冲击韧性，刃磨时能获得锋利的刃口，故有“锋钢”之称。别称：锋钢、钨钢、白钢由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。,按切削性能不同，高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢。按化学成分不同，可分为钨系、钨钼系、钼系高速钢按制造方法不同，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢,按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。按制造工艺可分为:熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成份可分为:钨系和钼系。,（1）高速钢的分类,等。,高速钢（1）通用型高速钢（含碳量0.70.9%，6266HRC）钨系高速钢W18Cr4VW14Cr4MnRE钼系高速钢W6Mo5Cr4V2高温塑性好主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.,（2）高性能高速钢（增加碳量钒量，添加钴铝等6670HRC）9W18Cr4VW6Mo5Cr4V3W6Mo5Cr4V2Co8W2Mo9Cr4VCo8W6Mo5Cr4V2AlW10Mo4Cr4V3Al主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达90m/min.,粉末冶金化，表面处理及涂层等,（2）常用高速钢的牌号与性能,硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造；硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。硬质合金刀具常温硬度为8993HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达8001000C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高510倍。,2硬质合金,2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硬质合金优点：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。硬质合金缺点：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。硬质合金力学性能：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。,钨钴类（WC+Co）；钨钛钴类（WC+TiC+Co）；添加稀有金属碳化物类（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co）；碳化钛基类（TiC+WC+Ni+Mo）。,（1）硬质合金的分类,普通硬质合金的种类、牌号及适用范围按其化学成分的不同可分为：、钨钴类（WC+Co）（合金代号为YG，对应于国标K类）合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工。,、钨钛钴类,钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为YT，对应于国标P类）此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。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。,、钨钛钽（铌）钴类,钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代号为YW，对应于国标M类）适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。,金属碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)金属粘接剂(Co、Ni等)高压成形后，高温烧结而成。,硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差,分类,YG(K)类YT(P)类YW(M)类短切屑黑色金属加工长切屑的钢材、铸铁等有色金属非金属黑色金属有色金属非金属WC+CoWC+TiC+CoWC+TiC+TaC+Co,常用硬质合金的牌号及其性能,超细晶粒硬质合金,超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢。适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。,3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。,刀具材料的韧性和硬度一般不能兼顾，故一般刀具材料的寿命主要是受磨损的影响，可采用表面涂层处理的方法解决这一问题。刀具材料的表面涂层是在高速钢和韧性较好的硬质合金等材料制成的刀具上，通过一定方法，在刀具表面上沉积极薄一层高硬度、高耐磨性和难熔的金属化合物碳化钛（TiC）或氮化钛（TiN），形成金黄色的表面涂层。由于涂层的硬度高，摩擦系数小，使刀具的耐磨性提高。涂层还具有抗氧化和抗粘结的特点，延迟了刀具的磨损。因此，切削速度可提高30%50%，刀具寿命可提高数倍。,4其它刀具材料,以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。,碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，