金属切削过程基本知识.ppt

第一章 金属切削过程的基础知识,本章提要,1.1 基本定义,1.2 刀具材料,本章主要介绍金属切削过程的基础知识，分两大部分： 一、基本定义介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（基面、切削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等。 二、刀具材料介绍刀具材料应具备的性能（硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性），两种常用的刀具材料（高速钢、硬质合金）和其它刀具材料（涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼）。,本章提要,1.1 基本定义,1.1.2 刀具切削部分的基本定义,1.1.3 刀具角度的换算,1.1.5 切削层参数与切削形式,1.1.4 刀具工作角度,1.1.1 切削运动与切削用量,如外圆车削时，工件做旋转运动，刀具作纵向直线运动，形成了工件的外圆表面。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1.1）：,图1.1车削时的切削运动,待加工表面：即将被切去金属层的表面;,加工表面：切削刃正在切削着的表面;,已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。,1.1.1 切削运动与切削用量,1.1.1.1 切削运动,金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。但是，按切削时工件与刀具相对运动所起的作用来分，可分为主运动和进给运动。如图1.1所示。,（1）主运动 主运动是切下金属所必须的 最主要的运动。通常它的速度最高， 消耗机床功率最多。只有一个,（2）进给运动 使新的金属不断投入切削的运动。 进给运动可以是连续运动， 也可以是间歇运动。可以有多个,当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动，其大小与方向用合成速度向量ve表示。如图1.3所示，合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和。即 ve=vc+vf (1.1),（3）合成运动与合成切削速度,图1.3 切削时合成切削速度,1.1.1.2 切削用量三要素,ve、f 、 ap称之为切削用量三要素。,（1）切削速度 大多数切削加工的主运动采用回转运动。回旋体（刀具或工件）上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下： vc= m/s 或 m/min (1.2) 式中 d工件或刀具上某一点的回转直径（mm) n工件或刀具的转速（r/s或r/min),进给速度vf是单位时间的进给量，单位是mm/s(mm/min) 进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r（毫米/转）。 对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应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，单位是mm/z(毫米/齿)。 显而易见 vf=fn=fzzn mm/s或mm/min （1.3）,（2）进给速度、进给量和每齿进给量,（3）背吃刀量,对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 外圆柱表面车削的深度可用下式计算： ap=（dw-dm）/2 mm (1.4) 对于钻孔工作 ap=dm/2 mm (1.5) 上两式中 dm已加工表面直径（mm） dw 待加工表面直径（mm）,1.1.2 刀具切削部分的基本定义,1.1.2.1 刀具切削部分的构成要素,图1.3 典型外圆车刀切削部分的构成,刀面,前刀面 后刀面 副后刀面,刀刃,主切削刃 副切削刃 刀尖,刀刃,主切削刃 副切削刃 刀尖,国际标准化组织(ISO)在确定金属切削刀具的工作部分几何形状的一般术语时，就是以车刀切削部分为基础的。刀具切削部分的构造要素及其定义和说明如下： (1)前刀面 直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其排出的刀面。 根据前刀面与主、副切削刃相毗邻的情况分为： 主前刀面： 与主切削刃毗邻的称为主前刀面； 副前刀面： 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：是指与工件上加工表面相互作用和相对着的刀面； 副后刀面：是与工件上已加工表面相互作用和相对着的刀面。,(3)切削刃:切削刃是前刀面上直接进行切削的锋边，有主切削刃和副切削刃之分。 主切削刃： 指前刀面与主后刀面相交的锋边，它完成主要的切除或表面成形工作； 副切削刃： 指前刀面与副后刀面相交的锋边，它配合主切削刃完成切除工作，并最终形成以加工表面。 (4)刀尖 刀尖是主、副切削刃的连接部位。为了强化刀尖，许多刀具都在刀尖处磨出直线或圆弧形过渡刃。,1.1.2.2 刀具标注角度的参考系,假定运动条件：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近似代替合成速度向量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。 假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线（如车刀底面、车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等）。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。,刀具标注角度的参考系由下列诸平面构成：,（1）基面Pr 通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。通常，基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴。例如，图1.6所示为普通车刀、刨刀的基面Pr ，它平行于刀具底面。,图1.6普通车刀的基面Pr,(2)切削平面Ps 通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。也就是主切削刃与切削速度方向构成的平面。,（3）主剖面P0和主剖面参考系,主剖面P0是通过切削刃选定点，同时垂直于Pr和切削平面Ps的平面。图1.8表示由Pr Ps P0组成的一个正交的主剖面参考系。,图1.8 主剖面与法剖面参考系,1.1.2.3 刀具工作角度的参考系,上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件下确定的参考系。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能确切地反映切削加工的真实情形。只有用合成切削运动方向ve来确定参考系，才符合切削加工的实际。例如，图1.10所示三把刀具的标注角度完全相同，但由于合成切削运动方向ve不同，后刀面与加工表面之间的接触和摩擦的实际情形有很大的不同。,同样，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。 刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是用ve取代vc，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。,图（a）刀具后刀面同工件之间有适宜的间隙，切削情况正常；,(a),图1.10 刀具工作角度示意图,图（b）该两个表面全面接触，摩擦严重；,(b),图1.10 刀具工作角度示意图,刀具工作角度示意图,图（c）刀具的背棱顶在已加工表面上，切削刃无法切入，切削条件被破坏。可见，在这种场合下，只考虑主运动的假定条件是不合适的，还必须考虑进给运动速度的影响，也就是必须考虑合成切削运动方向来确定刀具工作角度的参考系。,图1.10 刀具工作角度示意图,1.1.2.4 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。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点的切线或切平面代替曲刃或曲面。 主剖面参考系里的标注角度的名称、符号与定义如图1.11：,同理，副切削刃及其相关的前刀面、后刀面在空间的定位也需要四个角度：即副偏角 r ，副刃倾角s，副前角0，副后角0。它们的定义与主切削刃上的四种角度类似。,前角0,后角0,主偏角r,刃倾角 s,前角0：前刀面与基面间的夹角（在主剖面中测量）。,图1.11(a) 主剖面系标注的刀具角度,后角0：后刀面与切削平面间的夹角（在主剖面中测量）。,图1.11(b) 主剖面系标注的刀具角度,图1.11(c) 主剖面系标注的刀具角度,kr,主偏角r ：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角。,刃倾角 s：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。,图1.11(d) 主剖面系标注的刀具角度,由于图1.11所示车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上，因此，当0、 s两者确定后，前刀面的方位已经确定， 0、 s两个角度可由0、 s、 r、 r 等角度换算出来，称为派生角度。由上分析可知，图1.11中外圆车刀有三个刀面，两个切削刃，所需标注的独立角度只有六个。 此外，根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度，它们的名称与定义如下： 楔角0 ：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。 090 （0 0） （1.6） 刀尖角r ：基面中测量的主、副切削刃间夹角。 r180 （ r r ） （1.7）,前角、后角、刃倾角正负的规定如图1.12所示：在主剖面中，前刀面与基面平行时前角为零，前刀面与切削平面间夹角小于90 时前角为正、大于90 时后角为正，大于90 时后角为负，刃倾角的正负如 图1.12 所示。,(a) s0,(b) s,(c) + s,图1.12 刃倾角 s的符号,1.1.4 刀具工作角度,(1)横车 如(图1.15)： 以切断车刀为例，在不考虑进给运动时，车刀主切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一圆周，切削平面Ps为通过切削刃上该点切于圆周的平面，基面Pr的平面，0、0为标注前角和后角。当考虑横向进给运动之后，切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一平面阿基米德螺旋线，切削平面变为通过切削刃切于螺旋面的平面Pse，基面也相应倾斜为Pre，角度变化值为 。工作主剖面P0e仍为平面。此时在工作参考系（ Pre、 Pse、 P0e）内的工作角度0 e和0e为： 0e 0 +; 0e=0。,1.1.1.4 进给运动对工作角度的影响,角称为合成切削速度角，它是主运动方向与合成运动切削速度方向之间的夹角。由角定义可知： tan = (1.19),(1)横车,式中d为随着车刀进给而不断变化着的切削刃选定点处工件的旋转直径，值是随着切削刃趋近工件中心而增大的；在常用进给量下当切削刃距离工件中心1mm时，140；再靠近中心，值急剧增大，工作后角变为负值。,（2）纵车,同理，也是由于工作中基面和切削平面发生了变化，形成了一个合成切削速度角，引起了工作角度的变化。如图1.16所示，假定车刀s0，在不考虑进给运动时，切削平面Ps垂直于刀杆底面，基面Pr平行于刀杆底面，标注角度为0、0；考虑进给运动进给运动后，工作切削平面Pse为切于螺旋面的平面，刀具工作角度的参考系（ Pse、 Pre ）倾斜一个角，则工作进给剖面（仍为原进给剖面）内的工作角度为：fef +；fef,由合成切削速度角的定义可知： tan= 式中 f进给量 dw切削刃选定在A点时的工件待加工表面直径。 上述角度变化可以换算至主剖面内： tan0tan.sinkr； 0e00 （1.20） 由上式可知：值不仅与进给量f有关，也同工件直径dw有关；dw越小，角度变化值越大。,（2）纵车,1.1.4.2 刀具安装对工作角度的影响,（1）刀尖安装对工作角度的影响 当刀尖安装得高于工件中心线时，工作切削平面将变为Pse，工作基面变为Pre，工作角度pe增大，pe减小。在背平面（PP仍为标注背平面）内角度变化值为p：,（2）刀杆安装倾斜对工作角度的影响,车刀刀杆与进给方向不垂直时，工作主偏角kre和工作副偏角kre将发生变化： ； （1.25） 式中G假定进给剖面与工作进给剖面之间的夹角，在基面内测量。也就是进给运动方向的垂线和刀杆中心线间的夹角。,1.1.5 切削层参数与切削形式,1.1.5.1 切削层 各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如(图1.19)所示，车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动就轨迹是一条空间螺旋线。它们的各义及说明如下：,工件每转一转，车刀沿工件轴线移动一段距离，即进给量（f，mm/r）。,由车刀正在切削着的这一层金属，就叫切削层。,在特殊情况下（kr90）为矩形。,在外圆纵车时，当kr0、s0时，切削层的表面形状为一平行四边形。,(1)切削厚度,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速度vc的基面Pr内观察和量度。切削层参数为：,垂直于加工表面来度量的切削层尺寸（图1.19），称为切削厚度，以hD表示。在外圆纵车（s0）时： hDf.sinkr （1.26）,（2）切削宽度 沿加工表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以bD表示。 外圆纵车（当s0 时） bD=ap/sinkr （1.27）,可见，在f与ap一定的条件下，主偏角kr越大，切削厚度hD也就越大，但切削宽度bD越小；kr越小时，hD越小，bD越大；当kr90时，hDf。 曲线形主切削刃、切削层各点的切削厚度互不相等。,（3）切削面积,切削层在基面Pr的面积，称为切削面积，以AD表示。其计算公式为： AD=hD.bD （1.28） 对于车削来说，不论切削刃形状如何，切削面积均为： ADhD.bD=f.ap （1.29） 上面所计算的均为名义切削面积。实际切削面积等于名义切削面积减去残留面积。,残留面积是指刀具副偏角kr0时，刀具经过切削后，残留在已加工表面上的不平部分（ABE）的剖面面积。,1.1.5.2 切削形式,（1）正切削与斜切削 切削刃垂直于合成切削方式称为正切削或直角切削。如果切削刃不垂直于切削方向则称为斜切削或斜角切削。图1.23所示为刨削时的正切削和斜切削。,图1.23 正切削与斜切削,（a）,（b）,（2）自由切削与非自由切削,只有直线形主切削刃参加切削工作，而副切削刃不参加切削工作，称为自由切削。曲线主切削刃或主、副切削刃都参加切削者，称为非自由切削。这是根据切削变形是二维问题或三维问题进行区分的。为了简化研究工作，通常采用自由切削变形区和观察和研究。,1.2 刀具材料,1.2.1 刀具材料应具备的性能,1.2.2 常用的刀具材料,1.2.3 其它刀具材料,在切削过程中，刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面，刀具材料对金属切削的生产率、成本、质量有很大的影响，因此要重视刀具材料的正确选择与合理使用。,1.2.1 刀具材料应具备的性能,作为刀具材料应满足以下基本要求(性能）： （1）高的硬度和耐磨性 刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上。耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质、数量、大小和分布。 （2）足够的强度和韧性 为了承受切削中的压力冲击和振动，避免崩刃和折断，刀具材料应该具有足够的强度和韧性。一般强度用抗弯强度来表示，韧性用冲击值表示。 （3）高的耐热性 刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。 （4）良好的工艺性 为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性，如切削加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。 （5）良好的经济性 （6）良好的导热性和耐热冲击性能。,1.2.2 常用的刀具材料,刀具材料种类很多，主要有工具钢，硬质合金，陶瓷，立方氮化硼和金刚石等5类。生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金两类。炭素工具钢（如T10A、T12A）、工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。,1.2.2.1 高速钢,是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。 高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢。,（1）通用 型高速钢,钨钢 典型牌号为W18Cr4V（简称W18）。含W18、Cr4%、V1。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小；磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具（如热轧钻头）。 钨钼钢 将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为W6MoCr4V2（简称M2）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性也好，目前各国广为应用。,是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。按其耐热性，又称为高热稳定性高速钢。具有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高1.33倍。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。 典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V，高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8、超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。,（2）高性能高速钢,（3）粉末冶金高速钢,用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.53倍；磨加工性能好；物理机械性能高度各向同性，淬火变形小；耐磨性能提高2030，适合制造切削难加工材料的刀具，大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。,由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。 因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达HRA8993，在8001000 C还能承担切削，耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高410倍。 唯抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。 碳化物含量较高时，硬度高，但抗弯强度低；粘结剂含量较高时，抗弯强度高，但硬度低。 硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。,1.2.2.2 硬质合金,（1）YG（K）类，即WCCo类硬质合金 由WC和Co组成。牌号有YG6、YG8、YG3X、YG6X，含钴量分别为6、8、3、6，组织结构有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般（YG6、YG8）为中晶粒组织，细晶粒硬质合金（如YG3X、YG6X）在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些，但抗弯强度、韧性则低些。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，较适于加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料，如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高（如端铣）的钢料等。,ISO将切削用的硬质合金分为三类：,（2）YT(P)类，即WCTiCCo类硬质合金,硬质点相除WC外，还含有530的TiC。牌号有YT5、YT14、YT15、YT30、TiC的含量分别为5、14、15、30，相应的钴含量为10、8、6、4，TiC含量提高，Co含量降低，硬度和耐磨性提高，但是冲击韧性显著降低。 此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降，低温脆性大，韧性差。适于高速切削钢料。 含钴量增加，抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工，含钴减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。 应注意，合金不适合加工不锈钢和钛合金。因YT中的钛元素之间的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具磨损。,（3）YW（M）类，即WCTiCTaCCo类硬质合金,在YT类中加入TaC（NbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁，也可加工钢，因而又有通用硬质合金之称。常用的牌号为YW1和YW2。 以上三类的主要成分均为WC，所以又称为WC基硬质合金。,表1.1 各种硬质合金牌号的应用范围,表1.1列出了各种硬质合金牌号刀具的应用范围。,表1.1 各种硬质合金牌号的应用范围(续),1.2.3 其它刀具材料,(1)涂层刀具 它是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。 常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。 涂层刀具具有较高的抗氧化性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力；有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可提高刀具的耐用度（提高硬质合金耐用度13倍，高速钢刀具耐用度210倍）。但也存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。,（2）陶瓷,有纯Al2O3陶瓷及Al2O3TiC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（HRA9195）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高25倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的能力好。 可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。 但其脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料，还有