机械制造技术基础 课件 第1章 切削加工基础知识

第1章切削加工基础知识机械制造技术基础虽然零件成形方法众多，但是，切削加工仍是目前效率高、质量好且无法替代的表面成形方法，因此，研究切削过程的本质，掌握切削加工过程中发生的现象和基本规律，才能更好的对切削过程进行控制，以满足优质、高效、低成本的基本要求。通过本章的学习，应能以掌握金属切削加工基本原理和基本概念为基础，理解金属切削过程中材料去除的本质以及伴随出现的各种现象和规律，学会控制切削过程顺利进行的方法和途径。学习目标一零件的成型方法1.1切削加工概述1.2切削过程及其控制1.3目录1.1零件的成形方法第1章切削加工基础知识1.1.1 减材制造技术（Δm<0）减材制造是通过从毛坯上去除材料使零件成形的方法。

减材制造技术主要指切削加工,是通过刀具和工件之间的相对运动及相互力的作用实现的。工件往往通过夹具安装在机床上,机床带动刀具或工件或两者同时进行运动。切削过程中,有力、热、变形、振动、磨损等现象发生,这些运动的综合决定了零件最终获得的几何形状及表面质量。

特种加工是指利用电能、光能或化学能等方法完成材料的去除成形方法,这些方法主要适合于加工超硬、易碎等常规机械加工方法难以加工的场合。如当前发展比较快的三束加工,包括激光束、电子束、离子束的加工,在微细加工中有广泛的应用。另外近几年发展的高压水射流等加工方法,也有其显著的优点。1.1零件的成形方法第1章切削加工基础知识1.1.2 等材制造技术(Δm=0)

等材制造技术主要是指用模具成形的方法，成形前后，材料质量基本不变，只是形状的改变。值得注意的是，统计数据表明,机电产品40%~50%的零件是由模具成形的,因此模具的作用是显而易见的。模具可分为注塑模、压铸模、锻模、冲压模、吹塑模等。在我国模具的设计与制造是一个薄弱环节。模具制造精度一般要求较高,其生产方式往往是单件生产。模具的设计要用到CAD、CAE等一系列技术,是一个技术密集型的产业。1.1零件的成形方法第1章切削加工基础知识1.1.3 增材制造技术(Δm>0)

增材制造是依据三维CAD数据连接材料制作物体的过程,相对于减材制造技术它通常是逐层累加的过程。这一工艺方法的长处是可以成形任意复杂形状的零件，而无需刀、夹具等专用装备。这一工艺由于成形速度快,但技术发展之初只能成形原型,所以被称为快速原形技术，即RP技术(RapidPrototyping)。RP技术与快速精铸技术(QuickCasting)及快速模具制造技术(RapidTooling)等相结合，可以为小批量或大批量生产服务，因而RP技术成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术。一些工业发达国家(如美、日等)已经全面应用这一技术来提高制造业的竞争能力。谢谢！第1章切削加工基础知识机械制造技术基础切削加工概述1.2零件的成型方法1.1切削过程及其控制1.3目录1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.1 切削加工基本概念切削加工就是利用切削刀具从工件上切除多余材料，并使零件成形的方法。切削加工一般分为钳工和机械加工（简称机工）。钳工主要是以手持工具为主，在工作台上对工件进行加工的方法，主要包括划线、錾削、锯、锉、刮、铰孔、攻丝和套扣等。机械加工一般是指在机床上用各种刀具去除工件材料的方法，主要包括车、铣、钻、镗、拉、磨以及精密和特种加工等方法。目前，切削加工正朝着高精度、高效率、自动化、柔性化、绿色无污染等方向发展。1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.2 切削运动和切削要素1.切削运动从几何学来看，零件上每个表面都是由一条母线沿一条导线运动的轨迹形成的。1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.2 切削运动和切削要素1.切削运动主运动进给运动1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.2 切削运动和切削要素1.切削运动已加工表面待加工表面过渡表面（加工表面）1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.2 切削运动和切削要素1.切削要素切削用量要素切削速度进给量背吃刀量1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.2 切削运动和切削要素1.切削要素切削层几何参数切削厚度切削宽度切削面积ac=fsinkr（mm）

aw=ap/sinkr

（mm）Ac=ac

·aw=f·ap（mm2）1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.3 刀具结构和刀具材料1.车刀的组成三个刀面两个刀刃刀尖1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.3 刀具结构和刀具材料2.刀具角度参考坐标系基面切削平面主剖面1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.3 刀具结构和刀具材料2.刀具角度车刀几何角度前角后角主偏角副偏角刃倾角副后角1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.3 刀具结构和刀具材料2.刀具角度刀具的工作角度刀尖安装高低对工作角度的影响主偏角刀杆中心安装的是否与工件轴线垂直对工作角度的影响刃倾角进给运动对工作角度的影响1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.3 刀具结构和刀具材料2.刀具角度其他典型车刀角度实际生产中，除普通的外圆车刀外，常用的还有端面车刀、切断刀、镗孔车刀等。1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.3 刀具结构和刀具材料2.刀具材料刀具材料应具备的性能高的硬度。高的耐磨性足够的强度和韧性化学稳定性或相对于工件材料的惰性良好的工艺性1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.3 刀具结构和刀具材料2.刀具材料刀具材料种类及应用工具钢高速钢硬质合金涂层材料陶瓷立方氮化硼（CBN）金刚石1.2切削加工概述第1章切削加工基础知识1.2.3 刀具结构和刀具材料2.刀具材料刀具材料种类及应用随着工业上新型工程材料的不断出现，特别是针对一些新型以及复合材料加工，出现了使用晶须（例如SiC晶须）作为增强纤维的复合刀具材料。与传统的刀具材料比较，这种刀具具有更好的韧性、抗热冲击能力、高温硬度以及刃口强度等。谢谢！第1章切削加工基础知识机械制造技术基础一切削过程及其控制1.3切削加工概述1.2零件的成型方法1.1目录1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形1.切削过程任何刀具对被切材料的作用都包含两个方面：一是刀刃的作用，一是刀面的作用。刀刃依靠它与被切物体接触部位产生很大的应力，使被切物体分离，刀面则同时撑挤被切物。这是一般刀具作用的普遍规律。虽然刀具切削金属与日常所用的刀具切削其它材料作用方式相同，但是金属的强度、硬度高，为了保证刃口有足够的强度，金属切削刀具前、后刀面之间的夹角（楔角）应该比较大。另外，为了减少刀具和被切工件材料之间的摩擦，金属切削刀具只用前刀面推挤金属材料。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形2.切削变形当S点移动到1的位置时，由于OA面上剪切应力达到材料的屈服极限，1点在向前移动的同时，也沿OA面移动，其合成运动将使点1流动到点2，2ˊ2就是它沿滑移面的滑移量。之后按同理继续滑移到3、4、5处。从始滑移面OA开始，由于金属塑性变形的缘故，OB至OE滑移面上的剪切应力将依次升高，OE达到最大值，此时剪切应力达到材料的强度极限，被切金属层与工件基体分离，从而形成切屑沿前刀面流出，OE称为终滑移面。点5之后S点的金属沿与前刀面平行方向继续流动。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形2.切削变形

OA滑移面的左侧金属处于弹性变形状态，OE右侧的切削层金属变成切屑流走，OA和OE所包围的区域，称为基本变形区或第I变形区。 在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02~0.2mm，因此可以把看成一个剪切面OM，如图1-19所示。剪切面OM与切削速度方向的夹角称作剪切角，以ϕ表示。第I变形区是切削过程中力现象和热现象的主要根源，机床提供的大部分能量主要消耗在这个区域。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形2.切削变形变形系数ξ。ξ可以直观地反映了切屑的变形程度，ξ越大，切削过程中金属变形越严重。ξ值可较容易通过实验测得。相对滑移系数ɛ。既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移系数（剪应变）ɛ来衡量切削过程的变形程度。金属切削中的相对滑移系数定义为切削层金属沿剪切面的滑移量Δs与切削厚度Δy的比值‌，直接反映变形大小‌，。如图1-20，平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，则其相对滑移系数ɛ：

ɛ=cotϕ+tan（ϕ-γ0）相对滑移系数ɛ越大，则切削变形越严重。剪切角ϕ。剪切角与切削变形有密切关系，也可以用剪切角ϕ来衡量切削变形的程度。它和变形系数ξ之间的关系为：ξ=ac/a=(OMcos（∅-γ_0）)/(OMsin∅)=(cos（∅-γ_0）)/(sin∅）变形系数ξ和剪切角ϕ是从不同的角度描述切削变形的大小。剪切角ϕ越大，切削变形越小1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形3.影响切削变形的因素工件材料。工件材料的性能决定了工件材料的变形能力。一般材料的强度越低、塑性越大，加工时切削层金属的变形就越大。另外，选择合适成分的材料和改善材料的组织状态，能够从根本上控制变形的程度，例如，在钢中加入S、Pb等元素制成易切钢，加工时容易断屑。刀具角度。刀具的结构对切削变形有直接的影响。例如，较大的前角有利于减少切削层金属的变形，锋利的刃口和较大的后角有利于减少已加工表面的变形程度，从而改善表面质量。切削用量。调整切削用量是控制切削变形的重要手段。例如，精加工时常采用高速或低速切削，就是为了控制切屑底层金属的摩擦变形程度，避免积屑瘤的形成；选用进给量时，之所以要考虑背吃刀量，并配合一定的卷斜槽，就是为了控制变形程度，以获得满意的断屑效果。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形4.切屑类型及其控制1）带状切屑。底面光滑，顶面呈毛茸状，如用显微镜观察，在外表面上也可看到剪切面的条纹，但每个单元很薄，肉眼看来大体上是平整的。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形4.切屑类型及其控制2）挤裂切屑。这类切屑与带状切屑不同之处在于外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。3）单元切屑。如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑。4）崩碎切屑。切削灰口铸铁、铸造黄铜等脆性材料时，由于材料的塑性很小，切削层在刀具的作用下产生弹性变形，剪切应力很快达到强度极限，使切屑往往不产生塑性变形而瞬间发生崩裂，形成崩碎切屑。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形4.切屑类型及其控制加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。从切屑控制的角度出发，国家标准（GB/T16461-2016）制定了切屑分类标准（此标准源于IS0O3685-1993)1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形5.切削过程中的积屑瘤现象在一定条件下切削塑性材料时，由于切屑底层金属和刀具前刀面之间的挤压和摩擦，会产生切屑底层金属的“滞留现象”，当前刀面与切屑底层金属的摩擦力超过切屑材料分子之间的结合力时，滞留层的部分金属就会“撕离”切屑，粘附到刀具的前刀面上靠近刀刃处，逐渐累积便会形成一块很硬的楔状金属瘤，通常称为积屑瘤，也叫刀瘤。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.1 切削变形6.已加工表面的加工硬化在切削塑性材料时，往往会发现工件已加工表面金属的硬度比工件加工前表面的硬度有明显地提高，而塑性降低，这种现象称为加工硬化。一般硬化层的硬度可达工件基体材料硬度的1.2～2倍，深度可达0.01～0.05mm。切削加工中所造成的加工硬化层还常常伴随着残余应力和表面裂纹，使材料的疲劳强度下降，并且造成下道工序加工困难，还会引起零件的变形。因此，切削加工时应设法避免或减轻加工硬化现象，如增大刀具前角、减小刃口圆弧半径、限制后刀面磨损以及采用合适的切削液等。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.2 切削力1.切削力的来源和分解切削力（或切向力）Fz。它消耗的功率最多，约占消耗机床功率的95%以上。进给力（或轴向力）Fx。又称轴向力。进给力一般只消耗机床功率的1～5%，它是设计和校核进给传动系统零件强度和刚度的依据。背向力（或切深抗力）Fy。背向力是总切削力在基面内与进给运动方向相垂直方向的分力，又称为径向力。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.2 切削力2.切削功率切削功率Pc是指在切削过程中消耗的功率，它是各分力所消耗的功率的总和。由于主运动方向的功率消耗最多，通常用主运动消耗的功率表示切削功率。根据切削功率选择机床电机功率时，还要考虑机床传动系统的传动效率，所以机床电机的功率可用下式计算：1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.2 切削力3.影响切削力的主要因素工件材料切削用量刀具几何参数1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.2 切削力4.切削力和切削功率的估算例：用主偏角kr=75°的硬质合金车刀车削直径为84mm的灰铸铁（HT200）工件外圆，切削用量为ap=8mm，f＝0.5mm/r，n=304r/min，求主切削力和切削功率的大小。解：金属切除率1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.3 切削热和切削温度1.切削热的来源和传散2.切削温度3.切削温度的测量热电偶法光/热辐射发金相结构法1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.3 切削热和切削温度4.影响切削温度的因素切削用量。增大切削用量，单位时间被切除的金属量成比例增加，消耗的功率也相应增大，产生的切削热也会相应增多，切削温度升高。刀具几何角度。实验证明，γ0从10°增大到18°，切削温度下降15%，这是因为被切金属在基本变形区变形程度和刀具与切屑底层摩擦减小的缘故。但如果γ0过大，会使刀头的热容量和散热体积减小，反而会使切削温度升高。减小主偏角Κr，可增加切削刃的工作长度，增大刀头的散热体积，有利于切削温度降低。工件材料。工件材料的强度和硬度越高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热越多，切削温度就越高。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.4 刀具磨损和刀具寿命1.刀具磨损形式前刀面磨损后刀面磨损工件材料1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.4 刀具磨损和刀具寿命

2.刀具磨损过程和磨钝标准初期磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段磨钝标准1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.4 刀具磨损和刀具寿命

2.刀具耐用度定义。刀具刃磨或转位后，自开始切削到后刀面磨损量达到磨钝标准所经过的切削时间，称为刀具耐用度，单位为分钟（min），用符号T表示。影响刀具耐用度的因素切削用量。切削速度对刀具耐用度的影响最大，其次是进给量，背吃刀量影响最小。工件材料刀具材料和几何形状1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.4 刀具磨损和刀具寿命

2.刀具耐用度刀具耐用度的确定原则。根据单件平均生产时间最短计算出的最高生产率耐用度；根据单件平均加工成本最低计算出来的最低成本耐用度。生产中一般按照加工成本最低的原则来确定刀具耐用度，但在生产任务紧急或提高生产率对成本影响不大的情况下，也可以根据最高生产率原则来确定刀具耐用度。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.5刀具角度和切削用量的选择刀具角度的选择前角的选择后角的选择主偏角的选择副偏角的选择刃倾角的选择前刀面形状的选择刀尖与过渡刃1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.5刀具角度和切削用量的选择刀具角度的选择车刀几何参数选择的综合分析实例。图1-44所示是一把用于粗车大、中型铸钢件或锻件用的大切深强力车刀，这种车刀采用P30硬质合金刀片，试分析这把车刀几何参数的选用特点。(1)保证锋利。取大前角γo=18°～20°。同时为了减小背向力，防止系统发生振动，采用了大主偏角Κr=75°。(2)兼顾强固。①强化刃口。措施有三：一是磨出“负倒棱”，宽0.8～1，前角γ01=-10°；二是减小后角，刀片后角αo=4°，刀杆后角6°；三是采用负刃倾角λs=-4°～-6°。②强化刀尖。由于主偏角较大，刀尖强度受到影响，采取的补偿措施包括：磨出直线过渡刃（长2～4mm，偏角45°）；采用较大的刃口圆弧半径，rε=1.5～2mm。(3)断屑措施。为了使切削过程顺利，切屑清理运送方便，前刀面上磨出前宽后窄的圆弧形卷屑槽（与主切削刃夹角为10°），以保证可靠断屑。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.5刀具角度和切削用量的选择切削用量的选择背吃刀量ap的确定。粗加工时ap确定的原则是尽可能一次走刀切除全部加工余量。精加工时，以保证零件的加工精度和表面质量为主，同时要兼顾刀具耐用度和生产率。进给量f的确定。粗加工时，进给量的确定主要是受切削力的限制，在刀杆和工件刚度以及机床进给机构强度允许的情况下，同时考虑工件材料和断屑等问题，应尽量选择较大值。精加工时，一般切削力不大，进给量主要是受表面粗糙粗限制，一般根据表面粗糙度的要求来选取。切削速度v的确定。粗加工时，切削速度v主要受刀具耐用度的限制，由于ap、f的值都比较大，必要时还要核算一下机床电机的功率是否足够。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.5刀具角度和切削用量的选择切削用量的选择切削用量确定的具体方法和实例例在车床CA6140上按图1-45所示方式加工外圆，毛坯直径为φ57，材料为调质45钢，外圆车削后的尺寸φ50200mm，表面粗糙度Ra为3μm，试确定粗车和精车时的切削用量。解：1）粗车①背吃刀量ap。外圆的加工余量Z=57-50=7，精车的背吃刀量留0.5mm，其余余量均在粗车中加工掉。因此，取ap=3mm。②进给量f。查表1-11，取刀杆尺寸为1625，得f0.45～0.6mm/r，根据CA6140机床的进给量系列取值，取f=0.51mm/r。③切削速度v。查表1-13，得v=70～90m/min，先初取v=80m/min，计算机床转速n，n=1000v/πdr/min=(1000×80)/(3.14×57)r/min=447r/min

查机床说明书或机床手册，找与447r/min接近数值，确定n=450r/min，这样，实际切削速度为v=πdn/1000m/min=(3.14×57×450)/1000m/min=80.5m/min④校验机床功率是否足够：已知CA6140主电机功率PE=7.5kW，取传动效率η=0.7，则机床输出功率P0=PEη=7.50.7kW=5.25kW

计算切削功率：Pc=pc·ZwK_(fp_c)

根据上面切削用量三要素取值，金属切除率Zw=

查表1-3，得单位切削功率pc=230510-6kW/（mm3·s-1）查表1-4，得修正系数K_(fp_c)=0.925所以，Pc=pc·ZwK_(fp_c)=230510-620530.925KW=4.38KW故：Pc<P0，机床功率足够。因此，最终确定粗车时切削用量的值为：ap=3mm，f=0.51mm/r，v=80.5m/min，n=450r/min。1.3切削过程及其控制第1章切削加工基础知识1.3.5刀具角度和切削用量的选择切削用量的选择切削用量确定的具体方法和实例例在车床CA6140上按图1-45所示方式加工外圆，毛坯直径为φ57，材料为调质45钢，外圆车削后的尺寸φ50200mm，表面粗糙度Ra为3μm，试确定粗车和精车时的切削用量。2）精车①背吃刀量ap。由前述，ap=0.5mm。②进给量f。根据表1-12，先预定一个切削速度，取一个较高值v=100~130m/min，取刀尖圆弧半径rε=1mm，得f=0.2~0.3mm/r，根据CA6140机床的进给量系列值，取f=0.24mm/r。③切削速度v。根据上面取值，查表1-13，得v=100~130m/min，取v=120m/min，计算对应