21制造工艺装备

1、第二章 制造工艺装备Manufacturing Process Equipment内容提要：内容提要： 金属切削刀具（与砂轮）金属切削刀具（与砂轮） 机床机床 机床夹具机床夹具2.1 2.1 金属切削刀具金属切削刀具 Metal cutting tools一.金属切削加工的基本概念1. 切削运动与切削用量切削运动与切削用量 为了切除多余的金属，刀具和工为了切除多余的金属，刀具和工件之间必须有相对运动，即件之间必须有相对运动，即切削切削运动。运动。切削运动可分为切削运动可分为主运动主运动和和进给运动进给运动, 如如P6图图21和和图图22。 切削用量切削用量 : 是指切削速度是指切削速度Vc，进

2、给进给量量f(或进给速度或进给速度Vf)和背吃刀量和背吃刀量ap三三者的总称。者的总称。 切削运动切削运动 主运动主运动 进给运动进给运动 合成切削运动合成切削运动 工件表面工件表面 待加工表面待加工表面 已加工表面已加工表面 过渡表面过渡表面主运动主运动:使使工件工件与与刀具刀具产生相对运动以产生相对运动以进行切削进行切削的的最基本最基本运动。运动。 主运动通常是切削运动中主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率速度最高、消耗功率最多最多的运动，且主运动的运动，且主运动只有一个只有一个。 主运动的速度以主运动的速度以Vc表示，称作切削速度。表示，称作切削速度。 当主运动为旋转运动时，刀具或工

3、件以最大直径处当主运动为旋转运动时，刀具或工件以最大直径处的切削速度来计算，如下式：的切削速度来计算，如下式： 式中式中 n - 主运动转速（主运动转速（r/min）；）； d - 刀具或工件的最大直径（刀具或工件的最大直径（mm）。）。min)/(1000mdnvc 式中 nr - 主运动每秒钟往复次数（str/s）；l - 往复运动行程长度（mm）。)/(10002smnlvrc进给运动进给运动：是指不断地把切削层投入切削的运动。是指不断地把切削层投入切削的运动。 它的速度较低。它的速度较低。 进给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。进给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。 进

4、给运动有时仅有一个，但也可能有几个。进给运动有时仅有一个，但也可能有几个。 进给运动的速度用进给量进给运动的速度用进给量f或进给速度或进给速度vf表示。表示。进给速度进给速度vf的单位是的单位是mm/s或或mm/min。进给量进给量f分为：分为： 每转或每行程进给量每转或每行程进给量f单位是单位是mm/r或或mm/st。 每齿进给量每齿进给量fz单位是单位是mm/z。切削用量三要素切削用量三要素three essential factors of machining data 切削速度切削速度v 进给量进给量f 背吃刀量背吃刀量ap切削速度切削速度Vc(主运动速度）：主运动速度）：刀具切削刃上

5、选定点相对于工件主运动的速度，单位为m/min或m/s。 由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。min)/(1000mdnvc进给量：进给量：计算方法：计算方法： 背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）p：在垂直于主运动方向和进给方向的工作平面内测量的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度。 计算方法：计算方法： 对于外圆车削，背吃刀量为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 ap=(dw-dm)/2 其中： dw工件待加工表面的直径，(mm)； dm工件已加工表面的直径，(mm)。 在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。

6、即：工件上即将被切除的表面工件上已切去切削层而形成的新表面加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。切削层参数切削层参数Cut parameter 切削层公称厚度切削层公称厚度hD 切削层公称宽度切削层公称宽度bd 切削层公称横截面切削层公称横截面积积AD=hDbD=fap在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀(feed)中从工件待加工表面切下的金属层。切削层公称厚度切削层公称厚度a ac c（h hD D） 在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。 ac反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图得： ac=fsinkr 其中：ac切削层公称厚度

7、，(mm)； f进给量，(mm/r）； kr车刀主偏角，(。)。切削层公称宽度切削层公称宽度aw (bD) 沿过渡表面测量的切削层尺寸。 aw反映了切削刃参加切削的工作长度。由图得：aw=ap/sinkr 其中：aw切削层公称宽度，(mm)。切削层公称横截面积切削层公称横截面积Ac (AD) 切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。 由图得： Ac=acaw=fsinkrap/sinkr=fap 其中: Ac切削层公称横截面积，(mm2)。 二、刀具角度二、刀具角度 （一）刀具切削部分（一）刀具切削部分的组成的组成 前刀面前刀面 主后刀面主后刀面 副后刀面副后刀面 主切削刃主切削刃 副切削刃副切

8、削刃 刀尖刀尖 （1）前刀面）前刀面 :切屑流过的表面。（2）主后刀面）主后刀面 :与工件上过渡表面相对的表面。（3）副后刀面）副后刀面:与工件上已加工表面相对的表面。（4）主切削刃）主切削刃:前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。 （5）副切削刃）副切削刃: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。（6）刀尖）刀尖:主切削刃和副切削刃连接处的一段刀 刃。它可以是小的直线段或圆弧。车刀演变车刀演变其他刀具其他刀具 刀具标注角度参考刀具标注角度参考系系: :基面基面P Pr r切削平面切削平面P Ps s正交平面正交平面P P0 0组成标注刀具角组成标注

9、刀具角度的度的正交平面参考系正交平面参考系。（1 1）基面）基面P Pr r: :通通过主切削刃过主切削刃上上某一选定点并与该点某一选定点并与该点切削速切削速度方向相垂直的度方向相垂直的平面。平面。（2 2）切削平面）切削平面P Ps s: :通过主切削通过主切削刃刃上某一选定点，上某一选定点，与主切削与主切削刃相切刃相切，且，且垂直于该点基面垂直于该点基面的平面。的平面。（3 3）正交平面）正交平面P Po o : :通过主切削通过主切削刃刃上某一点并上某一点并与主切削刃与主切削刃在在基面上的投影相基面上的投影相垂直垂直的平面。的平面。 刀具的标注角度：是制造和刃磨刀具所需要的，并在刀具设计

10、图上予以标注的角度。 刀具的标注角度主要有五个，以车刀为例，表示了几个角度的定义。 前角前角:在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度有正、负和零值之分，其符号规定如图所示。 后角后角:在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度后角一般为正值。 主偏角主偏角 ：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。 主偏角一般为正值。 副偏角副偏角 ：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。 副偏角一般为正值。 刃倾角刃倾角s：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。 当主切削刃呈水平时，s=0；刀尖为主切削

11、刃最低点时，s0；刀尖为主切削刃上最高点是，s0，如图示。刀具标注角度归纳刀具标注角度归纳 前角前角o ：前刀面前刀面基面（正交平面内）基面（正交平面内） 后角后角o ：主后刀面主后刀面切削平面（正交平切削平面（正交平面内）面内） 主偏角主偏角r ：主刃投影主刃投影假定进给方向（基假定进给方向（基面内）面内） 副偏角副偏角r ：副刃投影进给反方向（基副刃投影进给反方向（基面内）面内） 刃倾角刃倾角s ：主刃主刃基面（切削平面内）基面（切削平面内） 提出背景：在实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，上述标注角度会发生一定的变化。角度变化的根本原因：根本原因：是切削平面、基面和正交平

12、面位置的改变位置的改变。定义：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。1.1.横向进给运动对工作角度的影响横向进给运动对工作角度的影响0000eePre和Pse均相对于Pr和Ps转动了一个角。使刀具的工作前角、工作后角变为：是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。wdffddf2tan2式中：f 进给量，即工件每转一周，车刀沿进给方向移动的距 离（mm/r）； dw 工件瞬时加工直径（mm）。切断刀加工切断刀加工分析：（1）值随着切削刃趋近工件中心而增大。（2）当直径很小时，值会急剧变大，可能使工作后角变为负值，此时工件常常被

13、挤断。 切削平面Ps垂直于刀柄底面、基面Pr平行于刀柄底面，正交平面Po中标注角度有o及o ，在进给剖面中分别为0及0e。 2纵向进给运动对工作角度的影响向进给运动对工作角度的影响切 外圆车刀的工作角度(假设s = 0) 考虑进给运动后，在进给剖面内，合成切削运动速度ve方向相对于主运动v方向转动了一个角；因而，工作基面Pre 、工作切削平面Pse 也相对于Pr 、Ps 面转过了同样的角。于是Pre、Pse 和Poe 构成了工作坐标系，则正交平面内的工作角度为: 0000ee 而在进给剖面（平行于进给方向且垂直于基面的平面）中，根据螺旋线展开后的关系，可得： 将其换算到正交平面内得到： rwr

14、fdfsinsintantanwfdftan 分析：（1）值不仅与进给量f有关，也与加工直径dw有关。（2）在车削螺纹或蜗杆，尤其是导程大的多头螺纹时，f值很大。为此，对于右旋工件应将螺纹刀左切削刃的后角磨得大一些；而右切削刃的后角磨得小一些。 以车刀车外圆为例，若不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，将引起工作前角oe和工作后角oe的变化,如下图示。3、刀具安装高度对工作角度的影响、刀具安装高度对工作角度的影响 rweehdhtgcos2220000工作角度为：刀尖高于或低于工件轴线的距离（）4、车刀安装偏斜对工作角度的影响车刀安装偏斜对工作角度的影响当车刀刀杆的纵向轴线与进给方

15、向不垂直时，将会引起工作主偏角re和工作副偏角re，的变化,如下图示。 ,rrerre工作角度为：刀杆中心线间的夹角进给方向的垂线与三、刀具材料三、刀具材料 material of cutting tool 与刀具切削性能的好坏有关与刀具切削性能的好坏有关 加工时要承受高温高压、强烈的摩擦，冲击和振动。加工时要承受高温高压、强烈的摩擦，冲击和振动。 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能 (1) (1)高的硬度高的硬度 ：比工件高，：比工件高， HRC60HRC60 (2)(2)高的耐磨性高的耐磨性：耐用度：耐用度 (3) (3)足够的强度和韧性足够的强度和韧性：不崩刃，不断：不崩刃，不断

16、(4) (4)高的耐热性（热稳定性）高的耐热性（热稳定性）：高温时可以加工：高温时可以加工 (5) (5)良好的热物理性能和耐热冲击性能良好的热物理性能和耐热冲击性能 (6) (6)良好的工艺性能良好的工艺性能：刀具制造成本低：刀具制造成本低常用刀具材料常用刀具材料typical materials of cutting tools 刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方炭化硼等、金刚石、立方炭化硼等高速钢高速钢 - - 含有较多钨、钼、烙、钒等元素的高合金工具钢含有较多钨、钼、烙、钒等元素的高合金工具钢

17、较高的硬度（热处理硬度达较高的硬度（热处理硬度达HRC6267HRC6267）和耐热性（切削温度可达和耐热性（切削温度可达550550600600） 切速比碳素工具钢和合金工具钢高切速比碳素工具钢和合金工具钢高1313倍（因此而得名），刀具耐用度高倍（因此而得名），刀具耐用度高10401040倍，甚至更多倍，甚至更多 可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料 制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃 在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中占有在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮

18、刀具等）的制造中占有重要地位。重要地位。 用途分：用途分：通用型高速钢通用型高速钢和和高性能高速钢高性能高速钢 制造工艺分：熔炼高速钢和制造工艺分：熔炼高速钢和粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢硬质合金hard alloy/hard metal/carbide 用高耐热性和高耐磨性的用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物（金属碳化物（碳化钨，碳化钛，碳化钨，碳化钛，碳化钽，碳化铌等）与碳化钽，碳化铌等）与金属粘结剂金属粘结剂（钴，镍，钼等）在（钴，镍，钼等）在高温下烧结高温下烧结而成的粉末冶金制品。而成的粉末冶金制品。 硬度：硬度：HRA89-93，能耐能耐850-1000C的高温，良好的耐的高温，良好的

19、耐磨性，切速可达磨性，切速可达100300m/min，可加工包括淬硬钢在可加工包括淬硬钢在内的多种材料，内的多种材料， 广泛应用广泛应用 硬质合金的抗弯强度低，冲击韧性差，不锋利，较难加硬质合金的抗弯强度低，冲击韧性差，不锋利，较难加工，不易做成形状复杂的整体刀具工，不易做成形状复杂的整体刀具 常用的硬质合金有钨钴类（常用的硬质合金有钨钴类（YG类），钨钛钴类（类），钨钛钴类（YT类）类）和通用硬质合金（和通用硬质合金（YW类）类）3类。类。涂层刀具和其它刀具材料涂层刀具和其它刀具材料coated cutting tools and other materials 涂层刀具涂层刀具：耐磨性高的

20、难熔金属化合物：炭化钛、氮化钛、耐磨性高的难熔金属化合物：炭化钛、氮化钛、氧化铝氧化铝 耐用度至少可提高耐用度至少可提高13倍（刀片），或倍（刀片），或210倍（高速钢）。加工倍（高速钢）。加工材料的硬度愈高，效果愈好。材料的硬度愈高，效果愈好。 陶瓷材料陶瓷材料：以氧化铝为主要成分，经压制而成以氧化铝为主要成分，经压制而成 在在1200C时可保持时可保持HRA80的硬度的硬度 可以用于高速切削的场合可以用于高速切削的场合; 不足不足:强度差强度差,对工艺系统的刚性要求比较高对工艺系统的刚性要求比较高.涂层刀具和其它刀具材料涂层刀具和其它刀具材料coated cutting tools and

21、 other materialscoated cutting tools and other materials 人造金刚石人造金刚石：在高温高压下由石墨转化而成在高温高压下由石墨转化而成 极高的硬度（显微硬度可达极高的硬度（显微硬度可达HV10000）和耐磨性，和耐磨性，摩擦系数小，切削刃非常锋利。很高的加工表面质摩擦系数小，切削刃非常锋利。很高的加工表面质量量 热稳定性较差（不得超过热稳定性较差（不得超过700800），与铁元素），与铁元素的化学亲和力很强，不宜加工钢铁件。加工硬质合的化学亲和力很强，不宜加工钢铁件。加工硬质合金金 硬度热稳定性很高（可达硬度热稳定性很高（可达1300140

22、0C） 立方氮化硼立方氮化硼：由六方氮化硼在高温高压下转变而由六方氮化硼在高温高压下转变而成成 最大的优点：在高温（最大的优点：在高温（12001300C）时也不易时也不易与铁族金属起反应。与铁族金属起反应。 最大的不足最大的不足:贵贵四、刀具角度的选择四、刀具角度的选择selection of cutting tool angle1.选择前角O2.选择后角o3.选择主偏角r和副偏角r4.选择刃倾角ls Note:刀具各角度之间是相互联系，相互影响的，孤立刀具各角度之间是相互联系，相互影响的，孤立地选择某一角度并不能得到所希望的合理值。地选择某一角度并不能得到所希望的合理值。选择前角选择前角s

23、election of rake angel 影响影响 对切削的难易程度影响很大。对切削的难易程度影响很大。 前角，使刀刃变得锋利，使切前角，使刀刃变得锋利，使切削更轻快，切屑变形削更轻快，切屑变形 ，切削力和切削功率，切削力和切削功率前角，刀刃和刀尖强度前角，刀刃和刀尖强度 ，散热体积，散热体积 ，影响刀具寿命。，影响刀具寿命。对表面粗糙度，排、断屑等有一定的影响。对表面粗糙度，排、断屑等有一定的影响。 选择依据：工件材料、刀具材料、加工要求选择依据：工件材料、刀具材料、加工要求 工件强度、硬度较低时，取较大的前角，反之取较小的前角；工件强度、硬度较低时，取较大的前角，反之取较小的前角；加工塑性材料（如钢）选较大的前角，脆性材料（如铸铁）加工塑性材料（如钢）选较大的前角，脆性材料（如铸铁）选较小的前角。选较小的前角。 刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之（如刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之（如硬质合金）则前角应选得小一些。硬质合金）则前角应选得小一些。 粗加工时，特别是断续切削时，应选用较小的前角，精加工粗加工时，特别是断续切削时，应选用较小的前角，精加工时应选用较大前角。时应选用较大前角。 经验值：经验值： 硬质合金车刀的前角硬质合金车刀的前角0在在520范围内选，范围内选，高速钢刀具的前角应比硬质合金刀具大高速钢刀具的前角应比硬质合金刀具大51