第1章金属切削的基础知识.ppt

1、第1章 金属切削加工的基本知识,定义：利用刀具切除工件毛坯上多余的金属层，从而使工件达到规定的几何形状、加工精度和表面质量的机械加工方法 切削运动 切削时的工件表面 切削用量 切削层参数,1.1切削运动,影片 定义：在切削加工中，为了切除多余的材料，刀具和工件之间必须有相对运动，即切削运动。 切削运动的分类 主运动 进给运动,主运动,定义：使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动。 特点：主运动的速度最高，所消耗的切削功率最大。 如图2-31所示,图2-31 外圆车削的切削运动与加工表面,进给运动,定义：不断地把切削层投入切削，以便形成整个工件表面所需的运动，称为进给运动。 特点：进给

2、运动一般速度较低，功率的消耗也较少。 如图2-32所示各种加工的切削运动。,图2-32 各种加工的切削运动,切削时的工件表面,影片 切削过程中存在着三个不断变化的表面(如2-附图4)所示： （）待加工表面 工件上即将被切除的表面。随着切削的继续，待加工表面逐渐减小直至全部切去。 （）已加工表面 工件上已切去切削层而形成的新表面。它随着切削的继续而逐渐扩大。 （）加工表面 工件上正在被切削刃切削着的表面。它在切削过程中不断变化，但总介于待加工表面和已加工表面之间，又称为过渡表面。,2-附图4 外圆车削的加工表面,切削用量,影片 切削用量三要素 切削速度 进给量 背吃刀量（切削深度）,定义：切削刃

3、相对于工件的主运动速度称为切削速度 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-工件或刀具的最大值，mm； n-工件或刀具的转速，r/s或r/min。,切削速度（ms或mmin）,2-附图5,进给量mmr（或mm双行程）,定义：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,式中：n主运动的转速，r/s或r /min ； z刀具的齿数 。,2-附图6,背吃刀量（切削深度）（mm）,式中: 工件上待加工表面直径，mm； 工件上已加工表面直径mm。,定义：指主切削刃与工件切削表面的接触长度在主运动方向和进给方向

4、所组成平面的法线方向上测量的值,2-附图7,1.2 切削层参数,定义：在切削过程中，刀具相对于工件沿进给运动方向每移动f或fz时 ,一个刀齿正在切削着的金属层，称为切削层。 如图2-33所示 (1)切削厚度 (2)切削宽度 (3)切削层面积,图2-33 外圆纵车时的切削层参数,(1)切削厚度,定义：指垂直于过渡表面度量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。 用公式表示为 当f 或kr增大时，则 变厚。若车刀切削刃为圆弧或任意曲线，则切削刃上各点的切削厚度是不相等的。,2-附图8,(2)切削宽度,定义：沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削宽度。 用公式表示为,当 减小或 增大时，则 变小。,2

5、-附图9,(3)切削层面积,定义：切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层面积。 用公式表示为,2-附图10,1.3 刀具的几何参数,外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成 车刀的切削部分由3个刀面前(刀)面、主后(刀)面和副后(刀)面，2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1个刀尖组成，如图2-34所示 刀具切削部分的组成 刀具角度的参考系 刀具的标注角度 刀具的工作角度,图2-34车刀切削部分组成要素,刀具切削部分的组成,如图2-34所示为外圆车刀，由刀杆和刀头（切削部分）组成。 1）前(刀)面A 直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其流出的刀面。 2）主后(刀)面A 与工件

6、过渡表面相对并相互作用的刀面。 3）副后(刀)面A与工件已加工表面相对并相互作用的表面。 4）主切削刃S 前(刀)面与主后(刀)面的交线。它承担主要的切削工作。 5）副切削刃S 前(刀)面与副后(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 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。,图2-34 车刀切削部分组成要素,刀具角度的参考系,刀具角度参考系通常有两类： 一类是刀具标注角度参考系，它是刀具设计、标注、刃磨和测量角度时的基准。 另一类是刀具工作角度参考系，它是确定刀具在实际切削运动中角度的基准。 建立刀具标注角度参考系的假定条件： 车削时

7、假定切削刃选定点与工件轴线等高。 主运动方向与刀杆底面垂直。 进给运动方向与刀杆中心线垂直。 参考平面通常有基面、切削平面、正交平面等，如图2-35所示,1）基面Pr 通过切削刃 上选定点并与该点切削 速度方向相垂直的平面。 2）切削平面Ps 通过切 削刃上选定点并与工件 加工表面相切的平面。 3）正交平面Po 通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面。正交平面必然垂直于切削刃在基面上的投影，它又称为主剖面。,图2-35 车刀正交平面参考系,派生角度： 1)楔角o 在正交平面内测量的前刀面与后刀面之间的夹角， o90-(o+o) 2)刀尖角r 在基面内测量的主切削刃投影与副切削刃投影之间的

8、夹角， r180-(r+r) 3)余偏角r 在基面内测量的主切削刃投影与进给方向垂线之间的夹角 r90-r,刀具的标注角度,车刀前刀面和主后刀面在正交平面参考系中的位置由以下两个角度确定： 1）前角o 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 2)后角o 在正交平面内测量的主后刀面与切削之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值,在刀具工作图上只需标注副切削刃上的下列两个角度： 1）副偏角r 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 2)副后角o 在副切削刃选定点的正交平面内测量的副后刀面与副切削平面之间

9、的夹角。副切削平面是过该选定点并包含切削速度向量的平面,确定车刀主削刃位置的角度： 1）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。主偏角一般为正值。 2）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，此时切削刃与切削速度方向垂直，称为直角切削。当刀尖是切削刃上最低点时，s为负值；当刀尖是切削刃上最高点时，s为正值，如图2-37所示。当s时的切削称为斜角切削，此时切削刃与切削速度方向不垂直。）,请单击4次,图2-36 外圆车刀正交平面参考系的标注角度,图2-37 刃倾角正负的规定,刀具的工作角度,定义：以切削过程中实际的基面、切削平面和正交平面

10、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。 影响因素 横向进给运动对工作角度的影响 纵向进给运动对工作角度的影响 刀具安装高低对工作角度的影响 刀杆中心线偏斜对工作角度的影响(见书中图2-41),横向进给运动对工作角度的影响, 如图2-38所示,工件每转一转，车刀横向移动距离f ，切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一阿基米德螺旋线。,工作前角,式中： 、, 当进给量f增大，则值增大；当瞬时直径d 减小，值也增大。因此，车削接近工件中心时，d 值很小，值急剧增大，工作后角oe将变为负值，致使工件最终被挤断。对于横向切削不宜选用过大的进给量，并应适当加大刀具的标注后角。,图2-3

11、8 横向进给运动对工作角度的影响,纵向进给运动对工作角度的影响,如右图所示为车削右螺纹的情况,在进给平面刀具的工作角度为：,式中：f被切螺纹的导程或进给量，/r 工件直径，,在正交平面内刀具的工作前角、工作后角为：,图2-39 纵向进给运动对工作角度的影响,刀具安装高低对工作角度的影响,如图所示，当刀尖装得高于工件轴线时，切削平面变为 ，基面变为 ，从而使车刀的前角和后角发生变化，公式为：,式中：h刀尖高于工件轴线的距离， 工件直径，,在正交平面内刀具的工作前角、工作后角为：,如果刀尖装得低于工件轴线时，则上述工作角度的变化情况正好相反,图2-40 装刀高低对工作角度的影响,1.4 刀具材料,

12、定义：通常是指刀具切削部分的材料。 刀具切削性能的好坏取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。 刀具材料应具备的性能 高速钢 硬质合金钢 涂层刀具和其他刀具材料,2-附图11,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 好的耐热性 良好的热物理性能和耐冲击性能 良好的工艺性能和经济性 常用刀具材料:碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金钢、陶瓷、立方碳化硼以及金刚石等。,高速钢,1)高速钢的优点 高速钢具有较高的硬度和耐热性，在切削温度达550600时仍能进行切削。 切削速度较快，与碳素工具钢和合金钢相比，高速性能钢能提高切削速度13倍，提高刀具使用寿命1040倍

13、甚至更多。 高速钢具有较高的强度和韧性，抗弯强度为一般硬质合金的23倍，抗冲击性能强；具有一定的耐磨性，适合于各类切削刀具的要求，用它可以加工从有色金属到高温合金范围内的材料，也可用于刚性较差的机床上加工。 高速钢的工艺性能好，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，适宜制造各类切削刀具尤其在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中，高速钢占有重要的地位；高速钢的性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。 2）高速钢的分类 3）常用高速钢的牌号及其用途,2)高速钢的分类,按切削性能分,熔炼高速钢 粉末冶金高速钢,通用型高速钢 高性能高速钢,按制造工艺分,2.2.3 刀具材料,3）常

14、用高速钢的牌号及其用途,硬质合金钢,优点：硬度为8993HRA，能耐8501000的高温，具有良好的耐磨性；允许使用的切削速度可达100300m/min，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。 缺点：硬质合金的抗弯强度低，冲击韧度差，较难加工。 分类,P类：主要用于加工长切削的黑金属，相当于我国的YT类 K类：主要用于加工短切削的黑色金属、有色金属和非金属，相当于我国的YG类 M类：主要用于加工长或短切削的黑色金属和有色金属，相当于我国的YW类,钨钛钴（YT类）硬质合金,优点：具有较高的硬度、耐热性、抗粘接性和抗氧化能力；在加工钢材时，YT类合金有很高的耐磨性；YT类硬质合金的导热性较差，切削时传入

15、刀具的热量较少，大部分的热量集中在切屑中，切屑受强热后会发生软化，有利于切削过程的顺利进行。 缺点：抗弯强度和冲击韧度较差。 应用：主要加工长切削的黑色金属，如碳钢、合金钢等塑性材料。,钨钴类（YG类）硬质合金,优点:硬度为8991.5HRA，耐热度为800900 ，抗弯强度和冲击韧度较好，不易崩刃，韧性较好，导热系数大。 缺点：耐热性较差，不宜用于普通材料的高速切削。 应用：适用于加工铸铁类的短切削黑色金属和有色金属，加工高温合金、不锈钢材料等难加工材料。,钨钛钽（铌）钴（YW类）类硬质合金,优点：韧性耐热性较好，有较好的综合切削性能。 应用：加工高温合金、不锈钢等难加工材料，也适用于普通材

16、料、铸铁和有色金属等的加工。,表2-7 各种硬质合金的应用范围,小结,在硬质合金中如果碳化物所占的比例越大，则硬质合金的硬度越高，耐磨性越好；反之，若钴镍等金属粘结剂的含量增多，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强度和冲击韧度有所提高。 硬质合金的性能还与其晶粒大小有关。当粘结剂的含量一定时，碳化物的晶粒越细，则硬质合金的硬度越高，而抗弯强度和冲击韧度降低；反之，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强和冲击韧度有所提高。,涂层刀具和其他刀具材料,涂层刀具 陶瓷材料 人造金刚石 立方氮化硼 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比 合理选择刀具的基本要求,涂层刀具,形成：在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上

17、，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的 目的：解决刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，具有良好的切削性能 涂层材料 TiC TiN Al2O3,TiC,优点：硬度比TiN高；耐磨性好，对于产生剧烈磨损的刀具，采用该涂层较好；抗氧化性能高；抗粘结性能和抗扩散性能高；摩擦系数低；热膨胀系数与硬合金基体的相近，与基体间的热应力小，与基体结合牢固，适用于作多涂层的底层。 缺点：若涂覆工艺控制不当，在涂层与基体之间要产生较厚的脱碳层，会引起刀片强度的降低和在重载荷下切削时容易出现崩刀。,TiN,优点：铁基金属间的摩擦系数小，允许涂层较厚，在容易产生粘结条件下，采用该涂层较好；在高温下有高的抗

18、氧化性能；易于沉积及控制；该涂层呈金黄色或古铜色，产品外观漂亮。 缺点：基体粘结强度较TiC涂层差；涂层太厚会产生剥落的危险。,优点：在高速切削产生大量热的场合采用该涂层较好，因为在高温下有良好的热稳定性能；有良好的化学稳定性和抗氧化能力；摩擦系数低，不易产生积削瘤，加工表面粗糙度值较小。 缺点：工艺性能较差，且涂层刀片的强度也低于未涂层刀片。,Al2O3,陶瓷材料,形成：以氧化铝或氮化硅等为主要成分，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。 优点：硬度可达9195HRA，在1200高温下仍可保持80HRA的硬度；化学稳定性好，摩擦系数小，耐磨性好，加工钢件时的寿命为硬质合金的1012倍。 缺点：脆性大，抗弯强度和冲击韧度差，对冲击十分敏感。 应用：主要用于精加工或半精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸铁。,人造金刚石,形成：依靠合金触媒的作用