第二章-机械制造

1、第二章 金属切削原理与刀具,第一节 刀具的结构 第二节 刀具材料 第三节 金属切削过程及其物理现象 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具寿命 第七节 切削用量的选择及工件材料加工性,第一节 刀具的结构,主要内容： 一、切削运动与切削要素 二、刀具角度 三、刀具种类（常用刀具介绍）,一、切削运动与切削要素,1、切削运动刀具与工件间的相对运动,图2-1 切削运动与切削表面,主运动：速度最高、消耗功率最大，只有一个 进给运动：消耗的功率小，有一个或几个,切削运动可分解为主运动和进给运动,一、切削运动与切削要素,切削过程中，工件上通常有三个不断变化着的表面：,1、

2、已加工表面,刀具切削后在工件上形成的新表面，随着切削的进行而逐渐扩大。,2、待加工表面,工件上即将被切去的表面，随着切削的继续，待加工表面逐渐减小直至全部切去。,3、过渡表面（加工表面）,工件上正在被切削的表面，在加工过程中不断变化，但总是处在待加工表面与已加工表面之间。,一、切削运动与切削要素,2、切削要素,切削用量与切削层参数 （1）切削用量 1）切削速度 vc 2）进给量 f 3）背吃刀量（切削深度）ap （2）切削层参数 1）切削宽度 aw(国标为bD) 2）切削厚度 ac(国标为hD) 3）切削面积 Ac= aw ac (国标为AD),图2-2 切削用量与切削层参数,二、刀具角度,1

3、. 刀具切削部分的组成 （）前刀面 （）主后刀面 （）副后刀面 （）主切削刃 （）副切削刃 （）刀尖,图2-3 车刀的组成,图2-4 其它各类刀具切削部分的形状,二、刀具角度,2. 刀具角度的参考平面 （）切削平面 （）基面 （）正交平面,图2-5 确定车刀角度的参考平面,二、刀具角度,3. 刀具的标注角度 （）前角 （）后角 （）主偏角 （）副偏角 （）刃倾角,图2-6 车刀的主要角度,刀具角度标注例1,设计要求：75强力车刀，主要参数为：,前角6， 后角5 ， 副后角4 ， 主偏角75 ， 副偏角15 ， 刃倾角-5 。,B,二、刀具角度,4. 刀具的工作角度,图2-8 车刀安装高度对工作

4、角度的影响,a） 刀尖高于工件轴线,b）刀尖低于工件轴线,（1） 刀具安装位置对工作角度的影响,二、刀具角度,4. 刀具的工作角度,图2-9 车刀安装偏斜对工作角度的影响,（1） 刀具安装位置对工作角度的影响,二、刀具角度,4. 刀具的工作角度,（2） 进给运动对工作角度的影响,图2-10 纵向进给运动对工作角度的影响,图2-11 横向进给运动对工作角度的影响,三、刀具种类,1、刀具分类,按加工方式和用途,按所用材料,按结构形式,按是否标准化,2、常用刀具简介车刀,图2-12 常用的几种车刀,2、常用刀具简介车刀,机夹式外圆车刀,机夹可转位车刀,磨刀机,2、常用刀具简介孔加工刀具,按用途分为两

5、类： （1）从实体材料上加工孔的刀具 （2）对已有的孔进行加工的刀具,麻花钻、深孔钻、中心钻等,扩孔钻、铰刀、镗刀等,麻花钻的结构,主要几何参数： 螺旋角，顶角2、横刃斜角、直径、横刃长度等,钻头磨削,中心钻和深孔钻,扩孔钻,铰刀,镗刀,单刃镗刀,锪钻,加工各种沉头孔和锪平端面,2、常用刀具简介铣刀,2、常用刀具简介铣刀,2、常用刀具简介拉刀,2、常用刀具简介拉刀,2、常用刀具简介螺纹刀具,切削法工作的螺纹刀具,2、常用刀具简介螺纹刀具,滚压法工作的螺纹刀具,滚丝轮 搓丝板,2、常用刀具简介齿轮刀具,成形齿轮刀具：铣刀 展成齿轮刀具：插、滚、剃刀,2、常用刀具简介齿轮刀具,滚齿刀,第二章 金属

6、切削原理与刀具,第一节 刀具的结构 第二节 刀具材料 第三节 金属切削过程及其物理现象 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具寿命 第七节 切削用量的选择及工件材料加工性,刀具材料,一、刀具材料应具备的性能,1）高硬度,2）高耐磨性,3）高耐热性,4）足够的强度和冲击韧性,5）良好的工艺性,6）良好的热物理性能和耐热冲击性能,刀具材料,二、常用的刀具材料,1. 碳素工具钢、 合金工具钢,用于制造手工工具,2. 高速钢,耐热性好（540600），强度高，主要用于制造形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具等。,3. 硬质合金,硬度高（7482HRC ）耐

7、热8501000 ，切削速度高 钨钴类（YG 韧性好，耐磨性稍差，用于加工铸铁及有色金属） 钨钛钴类（YT 硬度高，耐热性、耐磨性好，用于加工钢类）,刀具材料,三、新型刀具材料,1. 陶瓷刀具,硬度高，化学性能高，耐氧化，耐磨性好，耐热性高于1200 ，但强度低，韧性差。能加工淬火钢。,2. 立方氮化硼,硬度仅次于金刚石，不与铁族反应，可加工多种工件。,3. 人造金刚石,硬度、耐磨性高，但热稳定性差，不宜加工钢铁件。,第二章 金属切削原理与刀具,第一节 刀具的结构 第二节 刀具材料 第三节 金属切削过程及其物理现象 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具寿命

8、 第七节 切削用量的选择及工件材料加工性,第三节 金属切削过程及其物理现象,一、切屑形成过程,切屑形成过程即切削层金属的变形过程。 用显微镜直接观察在低速直角自由切削时工件侧面切削层金属变形情况。,变形区的划分,1. 第一变形区: 从开始发生塑性变形到晶粒的剪切滑 移基本完成。这一区域又称为基本变形区。 2. 第二变形区：切屑沿前刀面排出时进一步受前刀面的挤 压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本上和前刀面相平行。又称摩擦变形区。 3. 第三变形区：已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。又称加工表面变形区。,第一变形区内金属的剪切变形,本区域

9、内变形的主要特征： 沿滑移线的剪切变形，并产生加工硬化,晶粒滑移示意图,金属切削过程示意图,滑移与晶粒的伸长,角与剪切面面积的关系,变形系数求法,厚度变形系数：a= ach/ac长度变形系数：L= lc/lch a=L=,二、切屑的类型及其控制,1、带状切屑（塑性，切速高、切厚小、前角大） 2、挤裂切屑（塑性，切速低、切厚大、前角小） 3、单元切屑（塑性，挤裂切屑的进一步发展） 4、崩碎切屑（脆性）,切屑控制,实际控制措施：前刀面上磨出断屑槽、使用压块式断屑器,三、积屑瘤现象,对切削过程的影响 1、实际前角增大 2、增大切削厚度 3、使加工表面粗糙度增大 4、对刀具寿命的影响（两方面）,积屑瘤

10、高度与切削速度关系示意图,积屑瘤前角b和伸出量ac,防止积屑瘤的主要办法,1、降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生 2、采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度 3、采用润滑性能好的切削液，减小摩擦 4、增加刀具前角，减少刀、屑接触区的压力 5、提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向,切削速度,第二章 金属切削原理与刀具,第一节 刀具的结构 第二节 刀具材料 第三节 金属切削过程及其物理现象 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具寿命 第七节 切削用量的选择及工件材料加工性,第四节 切削力与切削功率,、研究切削力的意义,一、切削力的来源，切削合力及

11、其分解，切削功率 克服被加工材料对弹性变形的抗力 克服被加工材料对塑性 变形的抗力 克服切屑对前刀面的摩 擦力Ff 和刀具后刀面对过 渡表面与已加工表面之间 的摩擦力Ffa,切削合力及其分解,Fc主切削力或切向力,Ff进给力、轴向力或走刀力,Fp背向力或切深抗力,切削功率,切削功率 ,消耗在切削过程中的功率， Pc,二、切削力的测量,1、测定机床功率，计算切削力 Pc=PE 2、用测力仪测量切削力 3、计算机辅助测试,三、切削力的经验公式和切削力估算,1、计算切削力的指数公式 2、按单位切削力计算切削力和切削功率,1、计算切削力的指数公式,1、计算切削力的指数公式,要求： 根据特定的刀具几何参

12、数、不同的加工材料、刀具材料和加工形式，从手册中查找相应的系数和指数，估算该加工条件下的切削力和切削功率。,2、按单位切削力计算切削力和切削功率,单位切削力,Kc单位切削力(N/mm2)； AD切削面积(mm2) ； ap背吃刀量(mm)； f 进给量(mm/r)； hD切削厚度(mm); bD切削宽度(mm) 。,2、按单位切削力计算切削力和切削功率,单位切削功率,Qz单位时间内的材料切除量(mm3/s): Qz1000vapf Pc切削功率(kW) Pc=Fcv10-3=Kcapfv10-3,第二章 金属切削原理与刀具,第一节 刀具的结构 第二节 刀具材料 第三节 金属切削过程及其物理现象

13、 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具寿命 第七节 切削用量的选择及工件材料加工性,第五节 切削热和切削温度,一、切削热的产生和传导,切削时机械能转变为热。 切削热使切削温度升高，影响刀具前刀面上的摩擦因数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损、工件加工精度和已加工表面质量等。,切削热的来源：切屑变形功，前后刀面的摩擦功,例：车削加工： 切屑、刀具传热为主； 钻削加工： 工件、切屑传热为主；,二、切削温度的测量,热电偶法： 自然热电偶；人工热电偶。 辐射温度计法 其它方法,三、影响切削温度的主要因素,切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液,1、切削用

14、量的影响,实验测出的前刀面接触区平均温度()； C切削温度系数； v切削速度(m/min); f 进给量(mm/r)； ap背吃刀量(mm) ； z、y、x相应的指数 。,三、影响切削温度的主要因素,3、刀具角度的影响,材料的强度、硬度和导热性,2、工件材料的影响,前角增大，切削温度降低 主偏角减小，切削温度降低,5、切削液的影响,4、刀具磨损的影响,四、切削液,1、水溶液 2、乳化液 3、切削油,五、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响,1对工件材料强度和切削力的影响 2对刀具材料的影响 3对工件尺寸精度的影响 4利用切削温度自动控制切削速度或进给量 5利用切削温度与切削力控制刀具磨损,第二

15、章 金属切削原理与刀具,第一节 刀具的结构 第二节 刀具材料 第三节 金属切削过程及其物理现象 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具寿命 第七节 切削用量的选择及工件材料加工性,第六节 刀具磨损与刀具寿命,一、刀具磨损的形态及其原因,1前刀面磨损 2后刀面磨损 3边界磨损,一、刀具磨损的形态及其原因,1前刀面磨损,一、刀具磨损的形态及其原因,2后刀面磨损,一、刀具磨损的形态及其原因,3边界磨损,边界磨损 发生的地方,刀具磨损的原因,机械磨损 热磨损 化学磨损,硬质点的刻划,粘结、扩散、腐蚀等,二、刀具磨损过程及磨钝标准,1初期磨损阶段 2正常磨损阶段 3急

16、剧磨损阶段,磨钝标准,（1）直观判断法,生产实际中，可根据切削中发生的一些现象（如火花、振动、啸音，或加工表面粗糙度恶化等）来判断。,（2）ISO标准,ISO标准统一规定以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。,（3）自动化作业标准,自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的磨钝标准，称为径向磨损量NB。,三、刀具寿命的经验公式,刀具寿命 与 刀具总寿命,刀具寿命方程式 vTm=C,刀具破损,破损形式： 1崩刃 2碎断 3剥落 4裂纹破损,特点：突发性,防止措施,第二章 金属切削原理与刀具,第一节 刀具的结构 第二节 刀具材料 第三节 金属切削过程及其物理现象 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具寿命 第七节 切削用量的选择及工件材料加工性,第七节 切削用量的选择及工件材料加工性,一、切削用量的选择,二、工件材料的切削加工性,1、工件材料切削加工性的概念和衡量标准,衡量标准： 刀具寿命 切削力 加工质量 断屑性能,定义：在一定切削条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度。,材料的相对加工性,