第三模块第一章.docx

第三模块第一章.docx

《第三模块第一章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三模块第一章.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第三模块第一章

第三模块

第一章金属切削加工过程的基本知识

金属切削加工的方法很多，尽管它们的形式有所不同，但是却有着许多共同的规律和现象。

掌握这些规律和现象，对正确应用各种金属切削加工方法有着重要的意义。

本章主要介绍切削加工过程的切削运动、切削要素、切削刀具、刀具选择以及金属切削机床及其应用等金属切削加工基础知识。

金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量零件的过程。

为实现这一过程，工件和刀具之间要有相对运动，即切削运动，这一运动是由金属切削机床来完成的。

第一节金属切削运动与切削要素

一、金属切削运动

切削加工时,为了获得各种形状的零件,刀具与工件必须具有一定的相对运动,即切削运动。

比如车削外圆时，工件作旋转运动，刀具作连续纵向直线运动，形成了工件的外圆圆柱表面。

在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面（图3.1）：

待加工表面：

将被削去金属层的表面；

切削表面：

切削刃正在切削的表面；

已加工表面：

已经削去一部分金属形成的新表面；

图3.1车削运动示意图

二、切削要素

金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动之分。

按切削时工件与工具相对运动所起的作用来分，可分为主运动和进给运动两类。

如图3.1所示。

1.主运动

由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动，也是切下金属所必须的最主要的运动，称之为主运动。

通常它的速度最快，消耗机床功率最多。

机床的主运动只有一个。

车、镗削的主运动是工件与刀具的相对旋转运动，牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动。

2.进给运动

由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。

车削外圆时，进给运动是刀具的纵向运动；车削端面时，进给运动是刀具的横向运动；牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。

主运动和进给运动的区别与联系：

主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。

三、切削运动三要素

在切削运动加工过程中，需要依据不同的工件材料、刀具材料和其他技术经济要求来选定适宜的切削用量。

切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。

切削用量包括切削速度vc、进给量vf、背吃刀量ap三个要素。

1、切削速度vc

在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离,单位为m/min或m/s。

a、主运动为旋转运动时,切削速度vc计算公式为:

式中d－工件直径（mm）、n－工件或刀具每分（秒）钟转数（r/min或r/s）。

b、主运动为往复运动时,平均切削速度为：

式中L一往复运动行程长度（mm）、nr一主运动每分钟的往复次数（往复次数/min）。

2、进给量f

进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。

车削时进给量的单位是mm/r，即工件每转一圈,刀具沿进给运动方向移动的距离。

刨削等主运动为往复直线运动,其间歇进给的进给量为mm/d·st（毫米/双行程），即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。

对于刨削、插削等主运动为往复直线运动的加工，虽然可以不规定进给速度，却需要规定间歇进给的进给量；对于铰刀、铣刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还要规定每一个刀齿的进给量fz，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量。

单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度vf计算公式为:

铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用az表示，单位是（mm/z），vf、f、az三者之间的关系为：

z为多齿刀具的齿数。

3、背吃刀量（切削深度）ap

背吃刀量ap是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进给运动方向上的投影值。

对于外圆车削，背吃刀量ap等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离,单位为mm。

即外圆柱的表面切削深度可以用下式计算：

式中dw－待加工表面直径、dm－已加工表面直径

第二节刀具的选用

切削刀具种类很多,如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。

它们几何形状各异,复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度都具有许多共同的特征，其中车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，因而最具有代表性。

其他刀具都可以看作是车刀的组合或变形。

因此,研究金属切削工具时，通常以车刀为例进行研究和分析。

刀具切削部分的构造要素及其定义和说明如下：

（1）前刀面

前刀面Ar是切削流过的表面。

根据前刀面和主、副切削刃相毗邻的情况区分：

与主切削刃毗邻的称为主前刀面；与副切削刃毗邻的称为副前刀面。

（2）后刀面

后刀面分为主后刀面与副后刀面。

主后刀面Aa是指与工件加工表面相面对的刀具表面。

副后刀面是与工件已加工表面相面对的刀具表面。

（3）切削刃

（a）主切削刃S。

前刀面与主后刀面的交线，承担主要的切削工作；

（b）副切削刃Sˊ。

前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作。

（4）刀尖

刀尖也可以是主、副切削刃的实际交点，也可以是把主、副两条切削刃连接起来的一小段切削刃，实际上该点不可能磨得很尖。

它可以是圆弧，也可以是直线，通常都称为过度刃。

2.1刀具材料及其新型刀具材料

在切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受了很大的压力和强烈的摩擦，刀具在高温下进行切削的同时，还承受着切削力、冲击和振动，因此要求刀具切削部分的材料应具备以下基本条件：

（1）、高硬度

刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度应在HRC62以上。

（2）、耐磨性

耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，通常刀具材料硬度越高，耐磨性越好，材料中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越好。

（3）、强度和韧性

为了承受切削力、冲击和振动，避免崩刃和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。

一般用抗弯强度（b）冲击韧性（k）值表示。

（4）、耐热性

刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力。

这就要求刀具材料具有足够的耐热性。

它是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。

（5）、工艺性

为了便于刀具制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊接、切削加工、可磨削性和热处理特性等。

（6）、在选用刀具材料时，还要考虑经济性。

经济性差的刀具材料难以推广使用。

2.2刀具材料种类很多，常用的有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。

碳素工具钢（如Tl0A、T12A）和合金工具钢（9SiCr、CrWMn），因其耐热性较差，仅用于手工工具。

陶瓷、金刚石和立方氮化硼则由于材料性能较脆、工艺性差及价格昂贵等原因，目前只在较小的范围内使用。

当今，用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金。

A）、高速钢

高速钢是一种加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。

它的耐热性较碳素工具钢和一般合金工具钢有显著提高，允许的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢高提高两倍以上，有较高的热稳定性，耐热性为500C°～650C°。

高速钢具有较高的强度、韧性和耐磨性，其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃。

虽然高速钢的硬度和耐热性不如硬质合金，但由于用这种材料制作的刀具的刃口强度和韧性比硬质合金高，能承受较大的冲击载荷，能用于刚性较差的机床，而且这种刀具材料的工艺性能较好，容易磨出锋利的刃口，因此到目前为止，高速钢仍是应用较广泛的刀具材料，尤其是结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。

高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢、高性能高速钢两类；。

1、通用高速钢

通用高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。

按其化学成分有钨系高速钢和钼系高速钢。

W18Cr4V属于钨系高速钢，其淬火后的硬度为63～66HRC，耐热性可达620C°，抗弯强度b=3430MPa。

磨削性能好，热处理工艺控制方便，是我国高速钢中用得比较多的一个牌号；W6Mo5Cr4V2属于钼系高速钢，与W18Cr4V相比，它的抗弯强度、冲击韧度和高温塑性较高，故可制造热轧刀具，如麻花钻等。

2、高性能高速钢

高性能高速钢是在通用高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性和耐磨性。

这种高速钢的切削速度可达50～100m／min，具有比通用高速钢更高的生产率与刀具使用寿命；同时还能切削不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工的材料。

高钒高速钢（W12Cr4V4Mo）这种高速钢由于含钒（V）、碳（C）量的增加，提高了耐磨性，刀具寿命比通用高速钢可提高2～4倍，但是，随着钒质量分数的提高，使磨削性能变差，刃磨困难。

高钴高速钢和高铝高速钢是近年来为了加工高温合金、钛合金、难熔合金、超高强度钢、奥氏体不锈钢等难加工材料而发展起来的。

它们的常温硬度、高温硬度、耐热性和耐磨性都比通用高速钢W18Cr4V高，虽然它的抗弯强度和冲击韧度比较低，但仍是一种综合性能较好的材料，可以制作各种机械加工刀具。

其牌号有W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al等。

B）、硬质合金

硬质合金是用粉未冶金法制造的合金材料，它是由硬度和熔点很高的碳化物（称为硬质相）和金属（称粘结相）组成。

硬质合金的硬度较高，常温下可达89～93HRC，它的耐磨性较好，耐热性较高，能耐800～1000C的高温，因此能采用比高速钢高几倍甚至十几倍的切削速度；它的不足之处是抗弯强度和冲击韧度较高速钢低，刃口不能磨得象高速钢刀具那样锋利。

常用硬质合金按其化学成分和使用特性可分为四类：

钨钴类（YG），钨钛钴类（YT）；钨钛钽钴类（YW）和碳化钛基类（YN）。

1.钨钴类硬质合金（GB2075-87标准中K类）

它是由硬质相碳化钨WC和粘结剂钴CO组成的，其韧性、磨削性能和导热性好。

主要适用于与加工脆性材料如铸铁、有色金属及非金属材料。

代号YG后的数值表示钴CO的含量，合金中含钴量越高，其韧性越好，适用于粗加工；含钴量少的，用于精加工。

2、钨钛钴类硬质合金（GB2075-87标准中P类）

它是由硬质相WC、碳化钛TiC和粘结剂Co组成的，由于在合金中加入了碳化钛（TiC），从而提高了合金的硬度和耐磨性，但是抗弯强度、耐磨削性能和热导率有所下降；低温脆性较大，不耐冲击，因此，这类合金适用于高速切削一般钢材。

钨钛钴类硬质合金常用牌号和应用范围见表7.4.1。

代号YT后的数值表示碳化钛TiC的含量，当刀具在切削过程中承受冲击、振动而容易引起崩刃时，有应选用TiC含量少的牌号，而当切削条件比较平稳，要求强度和耐磨性高时，应选用TiC含量多的刀具牌号。

3、钨钛钽钴类硬质合金（GB2075-87标准中M类）

在钨钛钴类硬质合金中加入适量的碳化钽（TaC）或碳化妮（NbC）稀有难熔金属碳化物，可提高合金的高温硬度、强度、耐磨性、粘结温度和抗氧化性，同时，韧性也有所增加，具有较好的综合切削性能，所以人们常称它为“万能合金”。

但是，这类合金的价格比较贵，主要用于加工难切削材料。

4、碳化钛基类硬质合金（GB2075-87标准中P01类）

它是由碳化钛作为硬质相，镍、钼作为粘结剂而组成的，所以硬度高达90～95HRA。

有高的耐磨性，在1000°C以上的高温下，它仍能进行切削加工，适合对较高硬度的合金钢、工具钢、淬硬钢等进行切削加工。

随着科学技术的发展，新的工程材料不断出现，对刀具材料的要求也不断提高，在进行切削加工时，我们必须根据具体情况综合考虑，合理的选择刀具材料，既要充分发挥刀具材料的特性，又要较经济地满足切削加工的要求。

值得一提的是，在加工一般材料时，仍以使用通用高速钢与硬质合金为宜，当加工难切削材料时，才有必要选用新牌号硬质合金或高性能高速钢。

C、其他刀具材料

随着高端技术的发展，这些通用刀具材料不能满足技术要求。

就诞生了一些质量更好的刀具材料：

A、涂层刀具

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物（也可涂覆在陶瓷、金刚石等超硬材料刀片上）而获得的。

涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。

涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命1~3倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。

因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。

目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。

涂层刀具有四种：

涂层高速钢刀具、涂层硬质合金刀具、以及在陶瓷和超硬材料（金刚石或立方氮化硼）刀片上的涂层刀具。

但以前两种涂层刀具使用最多。

在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度（可提高10%以上），可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。

B、陶瓷

有纯AL2O3陶瓷及AL2O3—TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。

陶瓷刀具有很高的硬度和耐磨性，有较高的耐热性，在高温1200℃以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高2—5倍；有很高的化学稳定性，与金属的亲和力小。

可以用于加工钢、铸铁；车、铣加工业都适用。

但其脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，使其使用范围受到限制。

但是作为连续切削用的刀具材料，还是有很大的发展前途的。

C、金刚石

金刚石是目前人工造出的最硬的物质，是在高温、高压和其他条件配合下由石墨转化而成。

硬度高达HV10000，耐磨性好，可以用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可以提高到几百倍。

其切削刃锋利，可以切削下极薄的切削，加工冷硬现象较少；有较低的摩擦系数，切削与刀具不易产生粘结，不产出积削瘤，很适用于精密加工。

但其热稳定性差，切削温度不宜超过700—800℃；强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削；与铁有极强的化学亲和力，不易于加工黑色金属。

第三节刀具几何角度参考系

为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方位。

刀具几何角度参考系有两类，刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。

3.1、刀具标注角度参考系

（1）假设条件。

刀具标注角度参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量角度的基准，在此基准下定义的刀具角度称刀具标注角度。

为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特别规定了如下假设条件。

①假设运动条件。

首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量Vc近似代替合成向量Ve；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。

②假设安装条件。

假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨合测量时定位与调整的平面或轴线。

反之也可以说，假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。

（2）刀具标注角度参考系种类根据ISO3002/1-1997标准推荐，刀具标注角度参考系有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系三种。

①正交平面参考系。

如图3.2所示,正交平面参考系由以下三个平面组成：

图3.2正交平面参考系

基面pr是过切削刃上某选定点平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。

车刀的基面都平行于它的底面。

主切削平面ps是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。

正交平面po是过切削刃某选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。

过主、副切削刃某选定点都可以建立正交平面参考系。

基面pr、主切削平面ps、正交平面po三个平面在空间相互垂直。

图3.4假定工作平面参考系

图3.3法平面参考系

②法平面参考系。

如图3.3所示,法平面参考系由pr、ps和法平面pn组成。

其中法平面pn是过切削刃某选定点垂直于切削刃的平面。

③假定工作平面参考系。

如图3.4所示,假定工作平面参考系由pr、pf和pp组成。

假定工作平面pf是过切削刃某选定点平行于假定进给运动并垂直于基面的平面。

背平面pp是过切削刃某选定点既垂直于假定进给运动又垂直于基面的平面。

刀具设计时标注、刃磨、测量角度最常用的是正交平面参考系。

3.2刀具的标注角度

在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。

由于刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度应指明是切削刃选定点处的角度；凡未特殊表明者，则指切削刃上与刀尖毗邻的那一点的角度。

在切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定的切线或切平面代替曲刃或曲面。

3.2.1主剖面参考系里德标注角度的名称、符号和定义如下（参考图3.5所示）

（1）主偏角r：

主切削刃与进给运动方向之间的夹角；

（2）副偏角r’：

副切削刃与进给运动反方向之间的夹角；

（3）刀尖角r：

主切削平面与副切削平面间的夹角。

刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和传热性能。

它与主偏角和副偏角的关系如下:

3.2.2在主切削刃正交平面内（O-O）测量的角度

（1）前角o：

前刀面与基面间的夹角。

当前刀面与基面平行时，前角为零。

基面在前刀面以内，前角为负。

基面在前刀面以外，前角为正。

（2）后角o：

后刀面与切削平面间的夹角。

（3）楔角o：

前刀面与后刀面间的夹角。

楔角的大小将影响切削部分截面的大小，决定着切削部分的强度，它与前角o和后角o的关系如下:

3.2.3在切削平面内（S向）测量的角度

刃倾角s主切削刃与基面间的夹角。

刃倾角正负的规定如图3.5所示。

刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。

s=0的切削称为直角切削，此时主切削刃与切削速度方向垂直，切屑沿切削刃法向流出。

s≠0的切削称为斜角切削，此时主切削刃与切削速度方向不垂直，切屑的流向与切削刃法向倾斜了一个角度，如图3.6所示。

3.2.4在副切削刃正交平面内（O´-O´）测量的角度：

副后角o‘。

副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。

上述的几何角度中，最常用的是前角（o）、后角（o）、主偏角（r）、刃倾角（s）、副偏角（r‘）和副后角（o‘），通常称之为基本角度，在刀具切削部分的几何角度中，上述基本角度能完整地表达出车刀切削部分的几何形状，反映出刀具的切削特点。

r、o为派生角度。

3.3、刀具工作角度

切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具于工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这些角度为工作角度。

现在仅就刀具安装位置对角度的影响叙述如下。

3.3.1刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响

当车刀刀柄与进给方向不垂直时，主偏角和副偏角将发生变化。

如图3.7所示。

Kre=kr+Gk′re=k′r+G

3.3.2切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响

切削刃安装高于或低于工件中心时，按辅助平面定义，通过切削刃作出的切削平面、基面将发生变化，所以使刀具角度也随着发生变化，如图3.8所示。

切削刃安装高于工件中心时：

γoe=γo+N

αoe=αo-N

切削刃安装低于工件中心时:

αoe=αo+N

γoe=γo-N

3.4、切削层参数

切削层是刀具切削部分切过工件的一个单程所切除的工件材料层。

切削层参数就是指这个切削层的截面尺寸。

为了简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具的基面中度量，切削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小。

如图3.9所示，车外圆时，当主、副切削刃为直线，且s=0，切削层就是车刀由位置Ⅰ移动到位置Ⅱ即一个f距离，刀具正在切削的那层金属层，可见，切削层的形状是平行四边形。

为了简化计算工作，切削层的表面形状和尺寸，通常都在垂直于切削深度Vc的基面Pr内观察和度量。

切削层参数为：

（1）切削层公称厚度hD。

简称切削厚度，是垂直于切削表面度量的切削层尺寸。

hD＝f·sinκr

（2）切削层公称宽度bD。

简称切削宽度，是沿切削表面度量的切削层尺寸。

bD＝ap/sinκr

（3）切削层公称横截面积AD

AD＝hD·bD＝f·ap