金属工艺——切削加工

1、第五篇 切削加工,本篇围绕切削加工这个大主题,学习以下一些内容： 1.切削加工原理 2.切削机床 3.传统的切削加工方法和工艺过程4.了解精密加工,特种加工方法和现代制造技术. 5.掌握典型表面的加工 6.切削加工工艺规程的制定 7.零件的结构工艺性,一、概念 切削加工：是使用切削工具，在工具和工件的相对运动中，将坯料或工件上的多余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。,金属切削加工概述视频赏析,金属切削加工,钳工,机械 加工,加工方法有划线、錾、锯、刮、研、攻螺丝、套螺丝等,通过操作机床来完成切削加工的，如车、钻、刨、磨、齿轮加工等,1、加工精度高 2、生产效率高

2、 3、劳动条件较好 4、材料利用率低 5、加工条件要求严格 6、生产成本较高。,1、手工操作灵活方便 2、劳动强度大,二、分类,三、应用 在机械制造业应用非常广泛。,第一章 金属切削基础知识,本章的主要内容: 一、切削运动及切削要素 (零件典型表面,切削用量,切削层几个参数) 二、刀具及刀具材料 (刀具材料,刀具标注角度,工作角度,刀具磨损,刀具耐用度等) 三、金属切削过程中的各种物理现象 (切屑形成,积屑瘤 ,切削力,切削功率,切削热,切削温度) 四、围绕切削加工的主要经济指标 (产品质量,生产率, 经济性),合理选择切削用量,切削液.,第一章 金属切削基础知识,1.1 切削运动及切削要素

3、一、零件表面的形成及切削运动 1.组成零件的几种表面,外圆柱面,内圆柱面,平面,成形面,零件表面机械加工的成形方法母线沿导线运动而成形,零件表面的形成,标数字1的线为母线，标数字2的线为导线,2.切削运动（合成运动） 切削运动为了切除工件上多余的金属，以获得 形状精度、尺寸精度和表面质量都符合要求的工件，刀具与工件之间的相对运动。 1）主运动促使刀具和工件之间产生相对运动从而使刀具前面接近工件实现切削。通常用切削速度 vc (m/s) 表示。 特点:速度最高，消耗功率最大，只能有一个。 2）进给运动使刀具与工件之间产生附加的相对运动。通常用vf、f或 fz表示。 特点：速度低、功耗小、可以是断

4、续运动、可以有多个。与主运动配合，连续切除切屑。 注：切削运动的形式有旋转的、直行的；连续的、间歇的等。,注释:,1、主运动可以使旋转运动，也可以是往复运动；,2、主运动可以是工件来实现（车外圆）,主运动 也可以是刀具来实现（切断、刨、铣加工）;,3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。,3.工件上三种表面（P6图14） 待加工表面：指加工时工件上有待切除的表面； 已加工表面：指工件上经刀具切削后产生的表面; 加工表面： 指工件上由刀具切削刃形成的表面。,二、切削用量三要素 1.切削速度c刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度。 主运动为旋转运动时： 主运动为往复直线运动时：,2.进给

5、量f刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量。mm/r或mm/st vf = f n = fz z n 3.背吃刀量（切削深度）ap在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸。mm 切削加工时, 待加表面与已加工表面间的垂直距离(mm),也就是垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度.,车外圆：已加工表面与待加工表面之间的垂直距离。,三、切削层参数,切削厚度hD：垂直于加工表面度量的切削层尺寸； 切削宽度bD：沿主切削刃度量的切削层尺寸； 切削面积AD：切削层在垂直于切削速度截面内的面积。,切削层:工件上被刀具切削刃切除的那一层材料。,1.

6、2 刀具材料及构造,刀具的组成：,切削部分,夹持部分,刀具的组成：,切削部分,夹持部分,一、刀具材料 在切削过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度，因此刀具切削部分的材料应具备如下性能：,1、对刀具材料的要求 （1）较高硬度，常温下60HRC以上 （2）足够的强度和韧性 （3）良好的耐磨性 （4）良好耐热性 （5）良好工艺性,2.常用刀具材料 切削刀具的材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和人造金刚石等。目前以高速钢和硬质合金用得最多,陶瓷刀具主要用于精加工。,铣刀、齿轮刀具,铰刀、拉刀,手工工具,用途,小,小,大,热处理变形,0.51.08

7、 （1）,0.15 （0.50.6）,0.13 （0.20.4）,许用切削速度 m/s （速比）,600,300400,200250,耐热性 OC,HRC6265,HRC6165,HRC6165,硬度,W18Cr4V,CrWMn、9SiCr,T10、T10A T12,例,高速钢,合金工具钢,碳素工具钢,常用刀具材料的性能及用途,碳素工具钢刀具,高速钢刀具,硬质合金刀块,二、刀具角度,刀具种类繁多，切削部分结构要素和几何角度有共同特征。,二、刀具角度,1.车刀切削部分的组成,三个刀面、两个刀刃、一个刀尖,三个刀面：,：刀具上切屑流过的表面 ：与过渡表面相对的表面，同前刀面相交形成主切削刃 ：与已

8、加工表面相对，同前刀面相交形成副切削刃,(1)前刀面 (2)主后刀面 (3)副后刀面,两个刀刃：,：切出过渡表面的切削刃 ：前刀面与副后面相交形成的切削刃,(1)主切削刃 (2)副切削刃,：主切削刃与副切削刃的连接处（并非绝对尖锐）,一个尖：刀尖,2.车刀切削部分的主要角度,(1)辅助平面 基面pr 主切削平面ps 副切削平面ps 正交平面po 假定工作平面pf, 基面pr：通过主切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面 主切削平面ps：通过主切削刃选定点，与主切削刃相切并垂直于基面 副切削平面ps：通过副切削刃选定点，与副切削刃相切并垂直于基面 正交平面po ：通过主切削刃选定点，同时垂直于

9、基面和主切削平面 假定工作平面pf ： 通过主切削刃选定点， 垂直于基面并平行于 假定进给运动方向,(2).标注角度 在基面pr内标注的角度 .主偏角kr:主切削平面与假定工作平面间夹角，即主切削刃在基面上的投影与进给方向间夹角（4090）。 .副偏角kr:副切削平面与假定工作平面间夹角，即副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间夹角。,主偏角kr、副偏角kr 越大，残留面积越大,主偏角kr、越大，进给抗力越大，切深抗力越小,(2).标注角度 在正交平面po标注的角度,.前角o:前刀面与基面间夹角（015）。,.后角o :主后刀面与主切削平面间夹角（612）,前角的作用,前角越大，刀越锋利、切

10、削轻快，强度下降、不利散热。,后角的作用,减小主后刀面与加工表面的摩擦,(2).标注角度,在主切削平面ps标注的角度,刃倾角s:主切削刃与基面间夹角（-5+5）。,刃倾角的作用,刃倾角对切屑排出方向的影响,(3).工作角度, 刀具装夹位置的影响,车刀安装高度对前后角有影响,车刀安装偏斜对 主副偏角有影响,刀具的工作角度,车外圆时车刀安装的高低，对前角、后角有影响,车外圆时车刀安装的偏斜，对主偏角、副偏角有影响, 进给运动的影响,注意：车外圆与车端面主、副偏角的变化,三、刀具结构 车刀的结构形式：整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹可转位式等,刀具的 结构形式,整体式,焊接式,机夹不重磨式,多为高速

11、钢车刀，其结构简单，制造、使用都方便,不需焊接和刃磨，避免了焊接和刃磨引起的缺陷，保持了硬质合金的原有性能，提高了刀具的耐用度,结构简单、紧凑、刚性好，可磨出各种所需角度，应用广泛,机夹重磨式,刀片和刀柄可拆开，靠夹紧元件紧固，刀柄多次使用,常见刀具的结构形式,1.3 金属切削过程,金属在切削过程中，会出现一系列物理现象，如金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等，这些都是以切屑形成过程为基础,而生产中出现的许多问题，如积屑瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削过程密切相关。,一、 切屑的形成过程及切屑种类,1. 切屑形成过程,切削层 的金属,弹性变形,塑性变形,挤裂,切离,切 屑,切削层的金属受到刀具

12、前刀面的推挤后产生弹性变形,随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移,刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂,沿刀具前刀面流出,切屑收缩：厚度增大，长度变小。,hch,hD,切屑厚度压缩比：,2.切屑的种类,带状切屑,粒状切屑,崩碎切屑,(4)崩碎切屑,(1)带状切屑,(2)节状切屑,(3)粒状切屑,2.切屑的种类,呈连绵不断的带状或螺旋状,与刀具接触的底层光滑，背面呈毛绒在状,带状切屑,切削过程平稳，切削力变化小，工件表面光洁; 必须采取断屑措施,节状切屑,切屑背面呈较大的锯齿状，底面有不贯穿的裂纹,一般加工中等硬度钢材

13、时，切削速度较低，切削深度和进给量较大时产生,崩碎切屑,切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩裂而形成形状不规则的崩碎切屑,工件材料脆性越大，刀具前角越小，切削深度和进给量越大，越易产生此类切削,(1)切屑的形态可随切削条件不同而改变,(2)可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工质量,增大前角,提高切削速度,减小进给量,有利于,使粒状切屑、节状切屑向带状切屑转化,使切削过程平稳,降低加工表面粗造度数值,二、积屑瘤 1. 积屑瘤的形成,切削过程中，由于金属的挤压和强烈摩擦，使切屑与前刀面之间产生很大的应力和很高的切削温度。当应力和温度条

14、件适当时，切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大，使得切屑底层流出速度变得缓慢，形成一层很薄的“滞流层”，当滞流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时，滞流层的金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤.,有利方面,保护刀具,增加工作前角,积屑瘤硬度很高,可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损,积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大,可减小切削变形和切削力，使切削轻快,积屑瘤对切削加工的影响,不利方面,影响工件尺寸精度,影响工件表面粗造度,积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损,会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大,时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动,积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使

15、实际的切削深度不断变化,结论:粗加工时希望产生积屑瘤，精加工时尽量 避免产生积削瘤。,3.影响积屑瘤的因素及控制方法,主要的影响因素,切削速度 （切中碳钢） 100 m/min不形成,冷却润滑条件 300500oC最易产生 500oC趋于消失,降低塑性,低速或高速,选用适当切削液,控制措施,工件材料,塑性越大，越易产生,切削合力的构成与分解,三、切削力和切削功率,切削合力:,前刀面受到切屑的压力和摩擦力,后刀面受到工件表面的压力和摩擦力,主切削力:,切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，其大小约占总的切削合力的0,背向力:,切削合力在切削深度方向上的分力;它在基面内，与切深方向相反,进给

16、力：,切削合力在进给方向上的分力;它在基面内，与进给方向平行，但方向相反,三个分力： 切削力 Fc 进给力Ff 背向力Fp 总切削力：F,2.切削力的估算,（1）经验公式计算,例：用o=15o、Kr=75o的硬质合金刀切削热轧结构钢外圆，计算公式为,N,N,可见对切削力的影响： 工件、刀具材料影响最大； 背吃刀量影响进给量,（2）单位切削力估算,切削功率是各切削分力消耗功率的总和,3.切削功率,Fc切削力，单位为N, vc切削速度单位m/s,KW,四、切削热和切削温度,1.切削热的产生、传散及其对加工的影响,切削热的来源,切屑层的金属发生弹性变形、塑性变形而产 生大量的热,切屑与刀具前刀面产生

17、的摩擦,工件与刀具后刀面产生的摩擦,切削热的传导,传入切屑，约占总热量的，对切削加工无不利影响,传入工件，约占总热量的，会使工件膨胀或伸长，产生尺寸和形状误差，影响加工精度,传入刀具，约占总热量的，使刀具温度升高，硬度下降，磨损加快，耐用度降,传入周围介质，约占总热量的，对切削加工无不利影响,2. 切削温度及其影响因素 3. 降低切削温度的措施,切削温度：是指刀具、切屑、工件接触面上的平均温度。,(1) 选择合理的几何角度和切削用量,(2) 使用切削液,其高低取决于切削时产生热量的多少和传导条件的好坏，切削用量、工件材料、刀具材料及角度等对切削温度均有影响,五、刀具的磨损及刀具的耐用度,1.磨

18、损形式,（1）后刀面磨损 （2）前刀面磨损 （3）前后刀面同时磨损,(通常以后刀面磨损值VB表示刀具磨损程度),2.刀具磨损过程,（1）初期磨损阶段 （2）正常磨损阶段 （3）急剧磨损阶段,刃磨后的刀具，前、后刀面上的高低不平，受到切屑的冲击和摩擦时，将“凸峰”很快磨去，时间很短,刀具上的高低不平已被磨去，磨损量增加缓慢且比较稳定,切削刃变钝，刀具与工件之间的摩擦变大，切削力增大，切削温度上升，磨损加剧，刀具失去正常的切削能力,3.影响刀具磨损的因素,切削用量、刀具材料及几何形状、工件材料、切削液等。,4刀具耐用度 刀具允许的磨损限度通常用后刀面的磨损高度表示。但这种磨损标准很难掌握,而引入刀

19、具耐用度的概念。指刀具刃磨后从开始切削直到磨损量达到磨损标准为止的实际切削时间，用表示。,1.4 切削加工技术经济简析（了解）,一、切削加工主要技术经济指标,1）加工精度,尺寸精度,形状精度,位置精度,2）表面质量,表面粗糙度,加工硬化,残余应力,1.产品加工质量,2.生产率,生产率Ro,工时定额Tp,min,单位时间内生产合格零件的数量Ro,车削外圆时基本工艺时间的计算：,提高生产率的主要途径：P24,二、切削加工用量的合理选择,切削用量对切削过程的影响,（1）对加工质量的影响,（2）对生产率的影响的影响,影响生产率,影响刀具耐用度,切削速度-积屑瘤,进给量-残留面积,被吃刀量-系统刚度,切

20、削加工用量的合理选择,选择顺序,尽可能大的背吃刀量ap,尽可能大的进给量f,切削速度vc,选择原则,在机床功率、系统刚度允许情况下尽可能大，最好一次走刀切去全部余量，如需多次走刀，第一次也要大些（80%左右）,机床进给系统功率和刚度、刀具和工件所能承受的切削力的限制、表面粗糙度,考虑机床功率,主要考虑工件表面粗糙度,考虑刀具耐用度,积屑瘤,三、切削液的选用,1.种类,2.作用,3.使用方法,冷却 润滑,水基切削液 油基切削液,四、工件材料的切削加工性,1.切削加工性的概念,2.衡量指标 (1)vT:一定刀具耐用度下的切削速度（例：v60） (2)Kr:相对加工性,3.改善切削加工性的途径,指某

21、种材料被切削加工的难易程度,Kr=v60/(v60)j (v60)j -切削正火状态的45钢的v60,(1)热处理 (2)调整化学成分,（3）已加工表面质量：精加工时衡量指标 (4)切削控制或断屑的难易：自动化加工时衡量指标 （5）切削力：粗加工，机床刚度或动力不足时以此衡量,第二章 金属切削机床基本知识,2.1 切削机床类型和基本构造 一、机床的分类 机床主要是按加工方法和所用刀具进行分类，根据国家制定的机床型号编制方法 ，机床可分为：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨（插）床、拉床、切割机床、电加工机床和其他机床等共12类。 在每一类机床中，又按工艺范围，布局型式

22、和结构性能分为若干组，每一组又分为若干个系（系列）。,除了上述基本分类方法外，还有其它分类方法： 1.按照万能性程度，机床可分为： 通用机床 工艺范围很宽，可完成多种类型零件不同工序的加工，如卧式车床、万能外圆磨床及摇臂钻床等。 专门化机床 工艺范围较窄，它是为加工某种零件或某种工序而专门设计和制造的，如铲齿车床、丝杠铣床等。 专用机床 工艺范围最窄，它一般是为某特定零件的特定工序而设计制造的，如大量生产的汽车零件所用的各种钻、镗组合机床。,2.按照机床的工作精度，可分为普通精度机床、精密机床和高精度机床。3.按照重量和尺寸，可分为仪表机床、中型机床（一般机床）、大型机床（质量大于10t）、重型机床（质量在30t以上）和超重型机床（质量在1