第02章 金属切削过程及其控制

1、2021-7-11 第02章 金属切削过程及其控制 讲述与切削有关的概念和定义讲述与切削有关的概念和定义 本章概述 金属切削基本知识 金属切削过程中的变形 切削力 切削热和切削温度 刀具失效和刀具寿命 刀具几何参数和切削用量的合理选择 磨削原理 2.1 金属切削基本知识 金属切削过程中的基本要素： 工件与刀具之间要有相对运动，即成形运动 刀具材料必须具有一定的切削性能 刀具必须有适当的几何参数，即切削角度 具备良好的切削环境 2.1.1 工件表面的形成方法和成形运动 工件表面：平面、圆柱面、圆锥面、成形表面 工件表面的形成方法： 发生线：母线、导线 工件表面均可以看作母线沿着导线运动的轨迹 可

2、逆表面与不可逆表面 3 形成发生线的方法及所需运动 形成发生线的方法及所需运动 轨迹法：利用刀具做一定规律的轨迹运动对工件进行加 工； 成形法：利用成形刀具对工件进行加工； 相切法：利用刀具边 旋转边做轨迹运动对 工件进行加工； 展成法：利用工件和 刀具作展成运动对工 件进行加工； 4 表面成形运动 简单成形运动 旋转运动(用B表示) 、直线运动(用A表示) 以主轴旋转、刀架或工作台的直线运动的形式出现 复合成形运动 举例 用成形车刀车削成形回转表面 用螺纹车刀车削螺纹 用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮 用螺纹车刀加工锥螺纹 例2.1 用成形车刀车削成形回转表面 成形表面 母线：曲线 不需要成形运动

3、 导线：圆 工件的旋转运动B1 例2.2 用螺纹车刀车削螺纹 螺纹面 母线：螺纹轮廓线 不需要成形运动 导线：螺旋线 工件的旋转运动B11 车刀的直线运动A12 工件每转1转，刀具移动一 个导程 例2.3 用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮 齿面 母线：渐开线展成法 滚刀的旋转B11 工件的旋转B12 导线：直线相切法 滚刀的上下 进给运动A2 例2.4 用螺纹车刀加工锥螺纹 锥形螺纹面 母线：螺纹轮廓线 不需要成形运动 导线：圆锥螺旋线轨迹 法 工件的旋转运动B11 刀具纵向直线运动A12 刀具横向直线运动A13 4 表面成形运动 主运动：使刀具切入工件材料，被切削部分变成切 屑，从而形成工件的新表

4、面； 特点：速度高、消耗功率大、只有一个； 如：车削外圆时工件的旋转运动 刨削时刀具直线往复运动 钻孔时钻头的旋转运动 磨削加工时砂轮的旋转运动 铣削加工时铣刀的旋转运动 方向：不考虑进给运动时，切削刃上选定点相对于工件 的瞬时运动方向； 切削速度切削速度vc：切削刃上选定点相对工件沿主运动方向的瞬时 速度； min)/( 1000 msm dn vc或 min)/( 1000 2 m Ln v r c 进给运动 进给运动：配合主运动依次或连续不断地切除多余 材料，同时形成一定要求的已加工表面； 特点：一个或多个 间歇或连续 如：外圆车削时车刀的连续纵向直线运动 刨削时工件的间歇直线运动 方向

5、：不考虑主运动时，切削刃选定点相对于工件的瞬 时运动方向； 进给量进给量f：刀具或工件每回转一周或往返一个行程两者沿进 给运动方向的相对位移；(mm/r或mm/min) 进给速度进给速度vf：切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速 度； min)/(mmsmmnzfnfv zf 或 合成切削运动 方向：主运动与进给运动 的合成方向 合成切削速度ve 2.1.2 加工表面和切削用量 1.2.1 切削过程中工件上的加工表面 待加工表面：工件上有待切削的表面； 已加工表面：工件上经刀具切削后形成的表面 过渡表面：工件上由切削刃正在切削的表面； 1.2 .2 切削用量三要素 切削速度vc 进给量f

6、切削深度ap 工件已加工表面与待加工表面之间的垂直距离 ；（车削、刨削） dw 待加工表面直径，mm dm 已加工表面直径，mm2 mw p dd a 2.1.3 刀具角度 1 刀具切削部分的组成 前刀面(Ar)：直接作用于被切削金属层，是控制切屑沿其 流出的表面。 主后刀面(Aa) ： 与工件上过渡表面相对并相互作用的表 面。 副后刀面(Aa) ： 与已加工表面相对并相互作用的表面。 主切削刃(S) ：前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的 切削工作。 副切削刃(S) ：前刀面与主后刀面的交线。它配合主切削 刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。 过渡刃（刀尖）： 主、副切削刃连接处的一段切削

7、刃。 2 刀具角度的参考系 区分两种刀具角度 标注角度：是设计、制造、刃磨和测量刀具的基准； 假定运动状态：不考虑进给运动 假定安装状态： 假定刀尖与工件回转轴线等高 假定刀杆纵向轴线垂直于进给方向 工作角度：是刀具在切削工作时角度的基准； 考虑包括进给运动在内的合成切削运动 考虑刀具的实际安装情况 参考平面 1)刀具标注角度的参考平面 ：过主切削刃上选定点，垂直于该点假定主运动 方向的平面； 过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂 直于基面的平面； 2)刀具工作角度的参考平面 ：过主切削刃上选定点，垂直于该点合成切削运 动方向的平面； 过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂 直于基面的平面； 2

8、 刀具标注角度参考系 主剖面参考系：Pr、Ps、正交平面Po 正交平面Po：过主切削刃上选定点垂直于切削平面和基面的平面； 法剖面参考系： Pr、Ps、法平面Pn 法平面Pn：过主切削刃上选定点并垂直于主切削刃或其切线的平面 进给、切深剖面参考系： Pr、进给剖面Pf 、切深剖面Pp 进给剖面Pf：过主切削刃上选定点平行于进给方向q且垂直于基面的 平面 切深剖面Pp：过主切削刃上选定点垂直于进给方向且垂直于基面的 平面 3 刀具的标注角度(以外圆车刀为例) 1)主剖面参考系中的标注角度： 主剖面Po 内测量的角度 前角o 在主剖面内测量的前刀面与基面之间的夹角； 后角o 在主剖面内测量的后刀面

9、与切削平面间的夹角； 楔角o 在主剖面内测量的前刀面与后刀面之间的夹角； o= 90-（ o + o） 基面Pr内测量的角度 主偏角r 主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角； 副偏角r副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角 ； 刀尖角 r 主切削刃与副切削刃在基面上投影的夹角； r = 180-（r + r ） 切削平面Ps内测量的的角度 刃倾角s 在切削平面内测量的主切削刃与基面的夹角； 1)主剖面参考系中的标注角度 与副切削刃有关的独立角度 副偏角r、副前角o 、副后角o 、副刃倾角s 主偏角r 、副偏角r 、前角o 、后角o 、刃倾角s 楔角o 、刀尖角 r 45度弯头刀车外

10、圆的角度分析 切断刀纵向切断时的角度分析 90度弯头刀车外圆的角度分析 45度弯刀车端面角度分析 2)其它参考系的标注角度 在法剖面参考系的标注角度： r 、 r 、 s和 r相同； n 、 n 、 n 改在Pn内测量即可 进给、切深剖面参考系的标注角度： 、 、 改在P内测量即可 p、 p、 p改在Pp内测量即可 车刀标注角度参考系 4 刀具标注角度的换算 主剖面与法剖面内的角度换算 主剖面与其他剖面内的角度换算 5 刀具工作角度 刀具工作角度的参考平面 ：过主切削刃上选定点，垂直于该点合成切削运 动方向的平面； 过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂 直于基面的平面； 进给运动对刀具工作角度

11、的影响 横向进给运动的影响 纵向进给运动的影响 刀具安装位置对工作角度的影响 安装高低的影响 刀杆中心线与进给方向不垂直的影响 2.1.4 切削层参数和切削方式 刀具相对于工件沿进给方向每移动f 或 fz后，一 个刀齿正在切削的金属层称为切削层。 切削层参数 切削厚度 切削宽度 切削层面积 DDD bhA p fa rD fhsin r p D a b sin 2.1.4 切削层参数和切削方式 金属切除率 刀具在单位时间内从工件上切除的金属的体积 切削方式 正切削：切削刃垂直于合成切削运动方向的切削方式 斜切削：切削刃不垂直于合成切削运动方向的切削方式 自由切削：只有直线形主切削刃参加切削工作

12、 非自由切削：曲线形主切削刃或主副切削刃均参加切削 avDv AZ1000 w 2.1.5 刀具材料 1 刀具材料应具备的基本性能 硬度：刀具硬度应高于工件材料 耐磨性：刀具抵抗磨损的能力； 强度和韧性：抵抗冲击和振动，避免崩刃和折断； 耐热性：即高温下保持高的硬度、耐磨性、强度和韧度 ；化学稳定性； 减摩性：摩擦系数小，减小切削力和降低切削温度； 导热性和热膨胀系数：降低切削温度、减小热变形 工艺性和经济性：锻造性、热处理性、可磨削性，以便 于刀具的制造； 2 刀具材料的发展历史 公元前28-20世纪 黄铜丝锥和板牙 1783年，法国勒内制出铣刀 1822年，出现麻花钻 1868年，英国穆舍

13、制成含钨合金工具钢 1898年，美国泰勒和怀特发明高速钢 1923年，德国施勒特尔发明硬质合金 1938年，德国德古萨取得陶瓷刀具 1949-1950年，美国可转位车刀 1969年，瑞典山特维克生产碳化钛涂层硬质合金刀 1972年，美国的邦沙和拉古兰发展涂层刀片、立方氮化硼刀片 常用刀具材料的种类与特性 工具钢 碳素工具钢（T10A、T12A等）、合金工具钢（ 9SiCr、CrWMn等） 耐热性较差，用于手工工具及切削速度较低的刀具 高速钢 硬质合金 陶瓷、金刚石、立方氮化硼等 性质脆、工艺性差、价格昂贵 用于特殊场合 *最常用 3 高速钢 定义： 在碳素工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金

14、元素 所构成的高合金工具钢； 特点： 具有一定的硬度和耐磨性； 有较高的耐热性（600-700）； 强度和冲击韧性较好； 工艺性好且价格便宜，易磨成锋利的切削刃，可锻造； 应用： 用于加工复杂刀具和小型刀具，如钻头、成形刀具、拉 刀、齿轮刀具 高速钢分类及改善途径 普通高速钢：含碳量为0.7-0.9% 钨系W18Cr4V ：具有一定的硬度和强度，可磨性好，主要制造复 杂刀具； W14Cr4MnRE (钨)钼系W6Mo5Cr4V2：韧性、强度、高温塑性均较前者好，可磨 性稍差，主要用于热轧刀具； W9Mo3Cr4V 高性能高速钢：调整基本化学成分（增加含碳量、含钒量 ）或 添加合金元素（钴、铝等

15、）以提高机械性能和切削性能 较高的热稳定性、高温硬度和耐用度，适合加工难加工材料，如 9W18Cr4V 、W6Mo5Cr4V3、 W6Mo5Cr4V2Co8、 W6Mo5Cr4V2Al 熔炼高速钢：一般电炉炼钢法，碳化物偏析严重，晶粒粗 大 高速钢分类及改善途径 粉末冶金高速钢 用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，急冷得到细小的高速钢粉 末，高温高压下制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状。 完全消除偏析，晶粒2-3um，抗弯强度、韧性提高；(高温)硬度提高 ；可磨削性能好；热处理变形小。 适合于各种精密刀具和复杂刀具（如滚刀、插齿刀） 涂层高速钢 在真空条件下，将TiC、TiN等耐磨、耐高温

16、、抗粘结的材料薄膜涂 覆在高速钢刀具表面，成为PVD法。 用于制造形状复杂的刀具，如钻头、丝锥、铣刀和齿轮刀具等 4 硬质合金 定义： 用高硬度、高熔点的金属碳化物粉末和金属粘结剂在高 压下成形后经高温烧结而成的粉末冶金材料； 特点 硬度高HRA89-93 耐磨性好，刀具耐用度高 耐热性高（800-1000，取决于碳化物(如TiC)的硬度）， 但：抗弯强度低（0.9-1.5GPa）、韧性低、承受振动和 冲击能力差 TiC、WC、 NbC、TaC Co、Ni 硬质合金的种类 WC-Co (YG或K)类：由WC、Co组成 硬度HRA89-91.5 耐热度800-900度 抗弯强度1.1-1.5MP

17、a； 加工脆性金属、有色金属及非金属，如铸铁、青铜等； WC-TiC -Co (YT或P)类：添加5-30%的TiC 硬度和耐磨性较高，耐热性好，强度、冲击韧性和导热性差； 适合加工塑性大的材料，不适合加工含钛金属材料； WC-TiC -TaC(NbC) -Co (YW或M)类：添加TaC、NbC 加入TaC（NbC）可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬 度、强度和抗氧能力、耐磨性等； 既可以加工有色金属也可加工钢的通用型硬质合金； 硬质合金的种类 YN类硬质合金：以TiC为基体，Ni和Mo为黏结剂 比WC基合金有高的耐磨性、耐热性和硬度，但抗弯强度和冲击韧 性差 用于精加工、半精加工钢

18、和铸铁 涂层硬质合金 在韧性、强度好的YG类硬质合金表面涂覆TiC、TiN 或Al2O3，使得 刀具既有高硬度和耐磨性的表面，又有强韧的基体，提高切削速度 而不降低刀具耐用度 可用于半精加工、精加工、粗加工钢料和铸铁 硬质合金的应用 应用： 绝大多数车刀、端铣刀、深孔钻、铰刀等 部分拉刀、齿轮刀具等复杂刀具 切削淬硬钢等硬材料的刀具 各种硬质合金应用范围 参照表2.5 5 超硬刀具材料 陶瓷 很高的硬度、耐磨性和耐热性；切削速度比硬质合金高25 倍；化学稳定性高、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的 能力好； 脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀; 金刚石 硬度高，耐磨性好，用于加工高硬度、高

19、耐磨的材料； 热稳定性差；强度低、脆性大、对振动敏感，宜微量切削； 立方氮化硼 硬度、热稳定性及耐磨性高，导热性好，摩擦系数低，化学 惰性大，用于加工淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等; 本 章 结 束 哈工大98年研究生入学试题 以外圆车刀为例，试述刀具切削刃上选定点的切 削平面、基面、正交平面、前角、后角、刃倾角 、主偏角的定义及符号 画图表示o=15、o=6、r =75、r = 15、s = -6的外圆车刀。 画图说明外圆车刀刀尖高于机床中心，其工作角 度oe和后角oe是否发生变化？如何变化？ 哈工大99年研究生入学试题 什么叫材料可加工性？解释k=V60/(V60)j含义 什么是积屑瘤？分析

20、其产生的原因？ 什么是刀具耐用度？与切削用量的关系？在保证 刀具耐用度的条件下，如何选择切削用量能最大 限度地提高生产率？为什么？ 制造刃形复杂刀具常用何种刀具材料？为什么？ 形成发生线的方法 发生线的形成方法 成形法：刀具的切削刃与所需要形成的发生线完全重合 展成法：利用工件和刀具作展成切削运动进行加工 轨迹法：利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件加工 相切法：利用刀具边旋转 边作轨迹运动对 工件进行加工 主运动 进给运动 外圆车刀切削部分组成要素 三个平面参考系 车 刀 标 注 角 度 的 参 考 系 (Pp ) (Pr ) (Ps ) (Po ) (Pn ) (Pf ) Pr O O O

21、O O -O 向 O-O向 正交平面视图 基面视图 切削平面视图 副正交平面视图 外圆车刀正交平面参考系的标注角度 Pr Pr Ps Pr Ps 外圆车刀法平面参考系的标注角度 外圆车刀Pf-Pp参 考系的标注角度 Pp 直角切削与斜角切削 横向进给运动的影响 其中 ooe ooe d f arctg 正交平面 se P 纵向进给运动的影响 其中 ooe ooe fffe fffe w r d f arctg sin w f d f arctg 刀具安装高度的影响 刀尖高于工件中心时： 其中 pppe pppe 22 ) 2 (h d h tg w p Pfe Pr Pre Pf 刀杆中心线与

22、进给方向不垂直 习题1答案 1、如图所示为45 度弯刀车端面时的 工作图，试标出以 下刀具角度：r 、 r 、o 、o 、s以 及o 、r 。 D h D b p a r f r r r 各类高速钢刀具 各类硬质合金刀具 常用高速钢牌号的选用 常用硬质合金牌号的选用 刃倾角对切屑流向的影响 图3-3 刃倾角对切屑流向的影响 切屑流向与vf方向一致，刀 头强度差，精加工 切屑流向与vf方向相反， 易缠绕、擦伤已加工表 面，粗加工 补充：金相组织 铁素体：软而韧的组织，冷焊严重，加工性 不好，需正火或冷作变形提高硬度 渗碳体：硬度高塑性和强度低，刀具擦伤和 磨损严重，需球化退火 珠光体：硬度、强度和塑性适中，加工性好 索氏体： 托氏体： 奥氏体： 马氏体： 作业题1：尖头刀车外圆的角度分析 o 1.4 切削层