機械制造基礎

第十章金屬切削加工基礎知識

主講：仝勖峰西安電子科技大學本章內容金屬切削加工的工作原理及特點，切削運動和切削要素；切削刀具基礎知識；金屬切削過程中的物理現象。一、切削加工切削:利用切削工具從工件上切除多余材料的加工方法。切削加工=鉗工+機械加工

機械加工—利用機械力對各種工件進行加工的方法。機械加工的方法許多：車、鉆、銑、刨和磨等多種，但它們在切削運動、切削刀具、切削過程的物理實質等方面都有著共同的現象和規律。二、切削運動與切削要素1、零件表面的形成零件表面的組成有：基本表面平面、外、內圓面；成形面：溝、槽、螺紋及齒面等

金屬切削基礎知識錄像

1、零件表面的形成

2、切削運動2、切削運動1）三個表面在切削加工過程中，工件上存在三個不斷變化的表面，即：已加工表面、待加工表面和過渡表面。（1）待加工表面工件上即將切去切屑的表面。（2）已加工表面工件上已切去切屑的表面。（3）過渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面，即已加工表面和待加工表面之間的過渡表面。2、切削運動2、切削運動切削運動：刀具與工件之間的相對運動。切削運動又分主運動和進給運動，其中：1）主運動由機床或人力提供的主要運動，它促使刀具和工件之間產生相對運動，從而使刀具前面接近工件。2）進給運動是使待加工表面不斷地或連續地投入切削并得出所需幾何特性的已加工表面的運動。2、切削運動切削過程中主運動只有一個；進給運動可以有一個或幾個。切削運動的形式有：旋轉或直線的。實際的切削運動是一個合成切削運動。2、、切切削削運運動動3、、切切削削用量量一般般，，切切削削用用量量包包括括：：切削削速速度度、、進進給給量量和和背背吃吃刀刀量量。。常稱稱為為切削削三三要要素素。1））切切削削速速度度υｃ(以以車車削削為為例例)切切削削速速度度υυｃ(m/s)是是主主運運動動的的線線速速度度。。m/sνc=式中中：：D——為為工工件件待待加加工工表表面面的的直直徑徑(mm)；；n——為為轉轉速速(r/min)。。車車削削時時指指工工件件待待加加工工表表面面最最大大直直徑徑處處線線速速度度3、、切切削削用量量2））進進給給量量f(mm/r)指(車車)刀刀具具相相對對于于工工件件旋旋轉轉一一轉轉,在在進進給給方方向向的的位位移移量量。。單單位位為為：：mm/r或或mm/str。。3、、切切削削用量3）背吃吃力量ap(mm)指工件上上已加工工表面與與待加工工表面之之間的垂垂直距離離，單位位為：mm。式中：d為已已加工表表面的直直徑(mm)。。生產中為為提高效效率一般般對工件件分粗、、精加工工階段，，如粗加加工時的的選擇原原則：““先定ap,次選f,最最后定υυc”aP＝4、切削削層參數1）切削削層公稱稱橫截面面積AD在給定瞬瞬間，切切削層在在切削層層尺寸平平面里的的實際橫橫截面積積，單位位為mm2。2）切削削層公稱稱寬度bD；3）切削削層公稱稱厚度hD三、切削削刀具刀具組成成＝切削削部分＋＋夾持部部分1、刀具具材料(指切削削部分)1）對刀具材材料的基基本要求求切削過程程中，刀刀具的切切削部分分要承受受很大的的壓力、、摩擦、、沖擊和和很高的的溫度，，刀具切切削部分分的材料料應具備備以下性性能：(1)高高的硬度度一般刀具具材料的的硬度應應在60HRC以上。。1）對刀刀具材料料的基本本要求(2)足足夠的強強度和韌韌性又稱堅韌韌性，以以承受切切削中的的沖擊力力和振動動，減少少刀具脆脆性斷裂裂和崩刃刃。(3)耐耐磨性好好即抵抗磨磨損的能能力，使使刀具使使用耐久久。(4)高高的耐熱熱性是指刀具具在高溫溫下仍能能保持硬硬度、強強度、韌韌性和耐耐磨性等等。(5)工工藝性能能要好為了便于刀刀具本身的的制造，刀刀具材料還還應具有一一定的工藝藝性能,如如:切削削性能、磨磨削性能、、焊接性能能及熱處理理性能等。。2）常用刀刀具材料（1）碳素素工具鋼T10鋼(WC=1%)制制手用鋼鋸鋸條、簡單單冷作模;T12鋼用用于制作鉸鉸刀、銼刀刀、量具等等（2）合金金工具鋼常用牌號如如9SiCr、Cr12、CrMn、、GCr15等。主主要用于制制造刃具、、模具、量量具等工具具。2））常常用用刀刀具具材材料料（3））高高速速鋼鋼高速速鋼鋼是是含含W、、Cr、V等等合合金金元元素素較較多多的的合合金金工工具具鋼鋼。。其常常用用牌牌號號有有:W18Cr4V、、W6Mo5Cr4V2等等,廣廣泛泛用用于于制制造造形形狀狀復復雜雜的的高高速速切切削削工工具具,如如：：麻麻花花鉆、、銑銑刀刀、、拉拉刀刀、、齒齒輪輪刀刀具具和和其其他他成成形形刀刀具具。。（4））硬硬質質合合金金根據據GB/2075-1998規規定定，，按按被被加加工工材材料料分了三個大（（類）組組；分別別用字母母P、M、K表表示(這這些字母母完全是是習慣性，，本身無無其他含含義)。。3）新型型刀具材材料（1）涂涂層刀具具材料是指通過過氣相沉沉積或其其他技術術方法，，在硬質質合金或或高速鋼鋼的基體體上涂覆覆一薄層層高硬耐耐磨的難難熔金屬屬或非金金屬化合合物而構構成的。。如在硬質質合金表表面上涂涂厚4～～9μm的涂層層時，表表面硬度度可達2500～4200HV，是是實現刀刀具要求求“面硬硬而心韌韌”的有有效方法法之一。。常用的涂涂層材料料有TiC、TiN、、Al2O3等等硬質合合金涂層層刀具壽壽命可比比原來提提高1～～3倍，，高速鋼鋼涂層后后壽命提提高2～～10倍倍，世界界各國對對涂層刀刀具運用用很廣泛泛。處于于領先地地位的瑞瑞典，在在車削中中使用涂涂層硬質質合金刀刀片已達達70%～80%。3）新型型刀具材材料（2）陶陶瓷刀具具材料按化學成成分可分分為Al2O3基和Si3N4基兩類。。陶瓷刀具具硬度高高而耐磨磨，允許許切削速速度達成成12.5m/s，耐耐熱性度度可達1200～1450℃℃，其效效率比硬硬質合金金提高了了1～4倍，可可制成刀刀片。用于半精精和精加加工高硬硬度、強強度鋼及及冷硬鑄鑄鐵等，，缺點抗抗彎強度度低，沖沖擊韌性性差。3）新型型刀具材材料（3）超超硬刀具具材料它包括人人造聚晶晶金剛石石和立方方氮化硼硼等人造造聚晶金金剛石刀刀具，硬硬度極高高(5000HV以上上),耐耐磨性極極好，可可切削硬硬的材料料而長時時間保持持尺寸的的穩定。。刀具壽命命比硬質質合金高高幾十至至三百倍倍，宜精精細加工工。立方氮化化硼(CBN)的顯微微硬度達達8000～9000HV，，僅次于于天然金金剛石（（10000HV），，耐磨性性很好，，其耐熱熱性達1500℃，且且與鐵族族材料親親和作用用小。2、刀具具角度刀具的種種類相當當繁多，，但其切切削部分分的結構構要素和和幾何角角度有著著許多共共同的特特征。各種刀具具就一個個刀齒而而言，都都相當于于車刀的的刀頭。。2、刀具具角度車刀切削削部分的的組成車刀切削削部分有有：“三三面兩刃刃一尖””。1）前刀刀面（簡簡稱前面面）指刀具上上切屑流流經的表表面。2）主后后刀面（（簡稱后后面）是與工件件上過渡渡表面相相對的表表面。3）副后后刀面（（簡稱副副后面））是與工件件已加工工表面相相對的表表面。2、刀具具角度車刀切削削部分的的組成車刀切削削部分有有：“三三面兩刃刃一尖””。4）主切切削刃前刀面與與主后刀刀面的交交線。5）副切切削刃前刀面與與副后刀刀面的交交線。6）刀尖尖指主、副副切削刃刃匯交的的部位，，它可以以是圓弧弧，或是是一小段段直線。。2、刀具具角度3、刀具角度度參考系系刀具角度度是確定定車刀各各部分幾幾何形狀狀的重要要參數，，用于定定義和規規定刀具具角度的的各基準準坐標平平面稱為為參考系系。參考考系有兩兩類：一一類稱為為刀具靜靜止參考考系，又又稱標注注參考系系，它是是刀具設設計時標標注、刃刃磨和測測量的基基準，用用此定義義的刀具具角度稱稱刀具標標注角度度；另一一類是刀刀具工作作參考系系，又稱稱為動態態參考系系。3、刀具角度度參考系系組成刀具具靜止參參考系的的平面，，如下所所示，由由以下三三平面組組成：1）基基面Pr過過切切削刃刃選定定點并并垂直直于假假定主主運動動方向向的平平面。。車刀刀的基基面可可理解解為平平行于于刀具具底面面（水水平面面）的的平面面。2）切切削平平面Ps過過切削削刃上上選定定點與與切削削刃相相切并并垂直直于基基面的的平面面（主主切削削平面面以Ps表表示，，副切切削平平面以以Ps，表表示））。3）正正交平平面Po過過切削削刃上上選定定點，，并同同時垂垂直于于基面面和切切削平平面的平面面。4）假假定工工作平平面Pf過過切削削刃選選定點點，垂垂直于于基面面并平平行與與假定定進給給運動動方向向的平平面。。3、刀具角角度參參考系系4、車刀的的幾何何角度度及其其作用用4、車刀的的幾何何角度度及其其作用用1）前前角r。前前刀面面與基基面間間的夾夾角。。根據前前刀面面與基基面間間的相相對位位置又又分別別規定定為正正前角角、零零度前前角和和負前前角。。作用：：影響響切削削刃鋒鋒利程程度及及強度度，增增加前前角可可使刀刀刃鋒鋒利，，切削削力減減少。。切削削溫度度降低低，但但過大大的前前角會會使刃刃口強強度降降低，，容易易造成成刃口口損壞壞。選擇原原則：：前角角的數數值大大小與與刀具具切削削部分分的材材料，，被加加工材材料、、工作作條件件等都都有關關系。。(1)刀具具切削削部分分材料料性脆脆、強強度低低時前前角應應取小小值；；(2)工件件材料料強度度和硬硬度低低時，，可選選取較較大前前角；；(3)在重重切削削和有有沖擊擊的工工作條條件時時，前前角只只能取取較小小值，，有時時甚至至取負負值。。一般是是在保保證刀刀具刃刃口強強度的的條件件下，，盡量量選用用大前前角。。4、車刀的的幾何何角度度及其其作用用2）后后角ααo指主后后刀面面與切切削平平面之之間的的夾角角。作用：：減小小后刀刀面與與工件件之間間的摩摩擦，，它也也和前前角一一樣影影響刃刃口的的強度度和鋒鋒利程程度。。選擇原原則：：與前前角相相似，，一般般后角角值為為6～～8度度。。3）主主偏角角γγ指指主切切削平平面與與假定定工作作平面面間夾夾角。。作用：：影響響切削削刃工工作長長度、、背向向力、、刀尖尖強度度和散散熱條條件；；主偏偏差越越小，，背向向力越越大，，切削削刃工工作長長度越越大，，散熱熱條件件越好好。選擇原原則：：工件件粗大大，剛剛性好好時可可取較較小值值，車車細長長軸時時為了了減少少背向向力以以免工工件彎彎曲加加工出出腰鼓鼓形，，宜選選取較較大的的值，，常用用為45～～75度間間。4、車刀的幾何何角度及其其作用4）副偏角角副切削削平面與假假定工作平平面間的夾夾角。作用：影響響已加工表表面的粗糙糙度，減少少副偏角可可使加工表表面粗糙值值降低。選擇原則：：精加工為為提高加工工表面質量量，選取較較小值，一一般為5～～10度5）刃傾角角s指指主切削削刃與基面面間的夾角角，反映主主切削刃對對基面的傾傾斜程度。。作用：影響響切屑流動動方向和刀刀尖的強度度。(1)當s為正值值時，刀尖尖在主切削削刃上的最最高點，切切屑流向得得加工表面面；(2)當s為負值值時，刀尖尖在主切削削刃上為最最低點，切切屑流向已已加工表面面；(3)刃傾傾角為0時時，切屑垂垂直于過渡渡表面方向向流出。4、車刀的幾何何角度及其其作用在s為正正值時切屑屑對刀具的的壓力使刀刀頭及刃口口部分容易易損壞，表表現出刀頭頭強度較差差；反之則則表示刀頭頭強度較好好。選擇原則：：精加工時時取正值，，粗加工時時或有沖擊擊時取負值值，一般情情況下為0～5度。。5、刀具結構刀具結構種種類很多，，以車刀為為例介紹常常見分類：：1）整體車車刀切切削部分與與刀桿為同同一種材料料，如高速速鋼車（白白鋼刀），，在有色金金屬加工中中應用較多多。2）焊接接車刀切切削削部分與與刀桿不不同材料料，刀桿桿為中碳碳鋼鍛造造，而切切削部分分為硬質質合金類類刀片，，運用硬硬釬焊連連接而成成，方便便靈活，，尤其小小刀具運運用多。。.3）機械械夾固式式車刀按按是是否重磨磨又分機機夾不重重磨式和和機夾重重磨式兩兩種，其其中機夾夾不重磨磨時，一一刀刃用用鈍后不不需重磨磨。如圖圖所示，，只須將將夾緊螺螺釘稍松松，將刀刀片再轉轉過一刃刃即可使使用。而而機夾重重磨式，，類似焊焊接車刀刀，用鈍鈍后可重重磨。5、刀具結構構5、刀具結構構5、刀具結構構切削過程程錄像四、金屬切削削過程1、切屑屑形成及及種類1）切屑屑形成塑塑性性材料的的切屑過過程是一一個：擠擠壓變形形切離過過程；經經歷了：：彈性變變形、塑塑性變形形、擠裂裂和切離離四個階階段。2）切屑屑的種類類①帶狀切切屑②節狀切切屑③崩碎切切屑2、積屑屑瘤2、積屑屑瘤對切切削過程程的影響響優點：①硬化刀刀刃保護護刀具；；②增大前前角γ利利切削；；③粗加工工時利用用之。不足：時時積時流流使工件件表面粗粗糙；精精加工時時，予以以限制。。3、切削力3、切削削力以車外圓圓時為例例：總切削力力F分解解為相互互垂直的的三個分分力：1）切削削力FcF在主運運動方向向上的分分力；2）進給給力FfF在進給給方向上上的分力力；3）背向向力FpF在垂直直于工作作平面方方向上的的分力。。4、切削熱與與切削溫溫度4、切削熱熱與切削溫溫度1）切削熱熱的產生、、傳出及對對加工的影影響（見錄錄像片）2）切削溫溫度及其影影響影響切削溫溫度的主要要因素：①工件材料料強而而硬的材料料生熱多；；②切削用量量影響響程度依次次排序為：：切削速度、、進給量、、背吃刀量量。③刀具角度度前角大大點、主偏偏角小些都都可使生熱熱少些。4、切削熱與切切削溫度3）切削液液及其選用用降低切削熱熱的一個有有效途徑是是噴注切削削液，可以以降溫。其其實切削液液還可以起起：冷卻卻作用、潤潤滑、清洗洗和防銹作作用。生產中常用用的切削液液可分為三三類：（1）水溶溶液水為主，加加有防銹液液等添加劑劑。作用：：冷卻為主主。（2）乳化化液將乳化油加加水稀釋而而成。不僅僅冷卻且兼兼潤滑作用用。（3）切削削油礦物油為主主。少數采采用動、植植物油等，，潤滑為主主5、刀具磨損和和刀具耐用用度刀具在使用用一段時間間后，其切切削刃變鈍鈍，以致無無法使用。。為此要討討論刀具磨磨損與耐用