第二章1 金属切削基本知识.ppt

1、2.1 金属切削基本知识,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。,金属切削加工的目的： 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。,成 形 车 刀,播放,2.1 切削运动与切削要素,1. 切削运动,播放,切削运动和加工表面,播放,（1） 主运动,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

2、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。,主运动方向,切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。,切削速度vc,切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定,式中： d-工件或刀具的最大直径（mm） n-工件或刀具的转速(r/min),(m/min),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）,

3、也可以是连续的 （如车削）。,（2） 进给运动,进给运动方向,切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。,进给速度vf,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。,（3）合成切削运动,图2.1各种切削加工的切削运动,从以上的分析过程可以看出： 切削刃相对于工件的运动过程, 就是表面形成过程。其中有两个要素，一是切削刃, 二是切削运动。 不同的切削运动的组合,即可形成各种工件表面。,2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（图2-2）。,（1）待加工表面,工件上待切除的表

4、面。,（2）已加工表面,工件上经刀具切削后产生的新表面。,（3）过渡表面,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。,2,3、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。,（1）切削用量要素,切削速度,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 m/min,工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mmr（或mm双行程）。,式中： 为进给速度 为每齿进给量,进给量,对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量 fz，单位为mm/z

5、或mm/齿。,车削时进给速度vf可由下式计算：vf =fn,铣削时进给速度为：vf =fn = zfzn,合成切削速度ve可表达为：ve=vc+vf,它与进给量 f 的关系为： f = z fz,式中: -工件上待加工表面直径（mm） -工件上已加工表面直径（mm）,背吃刀量ap (mm),vc、f、ap 构成了普通外圆车削的切削用量三要素。,材料切除率，用Qz表示,三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min， Qz=1000vc fap,（2）切削层参数,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

6、层（图23）。,切削层公称厚度hD,垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 hDfsinKr,切削层公称宽度bD,平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切 层参数。 bDapsinKr,图23 车削时的切削层尺寸,垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。,切削层公称厚度,沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。,切削层公称宽度,切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。,切削层公称横截面积,3,2.2 刀具切削部分几何参数,（一）刀具结构,由工作部分和非工作部分构成。,不论刀具结构

7、如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。,（1)前刀面A 切屑流过的刀面。,1.刀 面,（2)主后刀面A 与工件正在被切削加工的表面 （过渡表面）相对的刀面。,（3)副后刀面A 与工件已切削加工的表面相对的刀面。,刀具切削部分的基本定义,图24,图24 车 刀 的 结 构,2.刀刃,（1）主切削刃S 前刀面与主后刀面在空间的交线。,（2）副切削刃S 前刀面与副后刀面在空间的交线。,3刀尖,三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。 在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形

8、的过渡刃。,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。,（二）定义刀具角度的参考系,在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。,1刀具静止参考系,在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。,静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平面参考系等。,1）基面 Pr ：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。

9、,图2-5 车刀主剖面坐标系,2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。,3）主剖面 Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。,2.正交平面参考系,图 刀具角度动画演示,播放,图 正交平面参考系,4,1）主偏角r 在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。,（1）基面中测量的刀具角度,（三）刀具的标注角度,2）副偏角r r在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。,3）主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径r描述，当r=0时为尖角过渡，r0时为圆角过渡，直线过渡时用 和 b参

10、数描述。,*,1）前角o 在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时o定为正值；位于刀头实体之内时o定为负值。,（2）正交平面中测量的刀具角度,2）后角o 后角o在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。,1）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之为负。,s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。,（3）切削平面中测量的刀具角度,图26 车刀的主要角度,5,（四）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

11、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,与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动e或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。 由于工作基面的变化，将带来工作切削平面pse的变化，从而导致工作前角oe、工作后角oe 的变化。,刀具工作参考系的组成,（1）工作基面pre,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。,（2）工作切削平面pse,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。,（3）工作正交平面poe,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

12、分析,在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度(oe 、oe 、re、re、oe 、se)的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。,在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。,1）横向进给运动对工作前、后角的影响（图）,（1）进给运动对工作前、后角的影响,2）轴向进给运动对工作前、后角的影响,轴向进给车外圆时，合成切削运动产生的加工轨迹是阿基米德螺旋线，从而使工作前角oe增大、工作后角oe 减小(图2-10) 。,式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。,（2-1）,（2-3）,（1）进

13、给运动对工作前、后角的影响,在进给剖面，有：,将其换算到主剖面内得到：,在主剖面内：,（2-4）,用刃倾角s=0车刀车削外圆时，由于车刀的刀尖高于工件中心，使其基面和切削平面的位置发生变化，工作前角oe增大，而工作后角oe减小。 若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。 加工内表面时，情况与加工外表面相反。,（2）刀具安装位置对刀具工作角度的影响,1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响,图212,刀具安装对工作角度的影响,图2-12 车刀安装高度对工作角度的影响,当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。如图所示。,2）刀杆安装偏斜对工作

14、主、副偏角的影响,2.3 刀具材料,刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料。 因此，金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。,金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本， 在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。因此，材料、 结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。,2.3.1 刀具材料应具备的性能,（1）高的硬度和耐磨性；一般要求HRC60以上,（2）足够的强度和韧性；,（3）高的耐热性与化学稳定性；,（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性；,（5）导热性好，有利于切削热传导，

15、降低切削区温度，延 长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。,6,第二章 制造工艺装备,2.3.2 常用刀具材料,工具钢,硬质合金,高速钢,超硬刀具材料,图 刀具切削照片,1) 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500650时仍能进行切削。 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

16、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,（2）常用高速钢的牌号与性能,通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1); W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2) 。 高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42、5O1。 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸（滚刀、插齿刀）刀具、复杂成形刀具、拉刀等

17、。 高速钢的主要物理力学性能见表2-1(15页)。,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,常用硬质合金的牌号及其性能,（1）钨钴类硬质合金 代号为YG，属K类。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG（K）类硬

18、质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。,（2）钨钛钴类硬质合金 代号为YT，属P类。它以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于切削切屑一般呈带状的普通碳素钢及合金钢等塑性材料。,（3）钨钛钽（铌）类硬质合金 代号为YW，属M类。它在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。,常用硬质合金的牌号与性能

19、见表2-2(18页)。,3) 涂层刀具材料,（1）TiC涂层,硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。,（2）TiN涂层,在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。,在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。,（3）TiCTiN复合涂层,第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。,（4）TiC-Al203复合涂层,第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。,目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-