机械加工工艺基础11

1、机械加工工艺基础E-mail: 金工教研室金工教研室 韩成顺韩成顺本课程要求本课程要求l 初步掌握金属切削加工基本知识、几种典型表面初步掌握金属切削加工基本知识、几种典型表面主要切削加工方法，并具有选择零件加工方法的主要切削加工方法，并具有选择零件加工方法的基本知识；基本知识；l 了解各种主要切削加工方法及所用设备和工具的了解各种主要切削加工方法及所用设备和工具的工作原理、应用范围；工作原理、应用范围；l 了解零件的机械加工工艺过程；了解零件的机械加工工艺过程；l 从切削加工角度初步掌握零件的结构工艺性。从切削加工角度初步掌握零件的结构工艺性。引 言机械加工金属加工金属加工钳 工冷加工切削加工

2、切削加工热加工铸、锻、焊、热铸、锻、焊、热 钳工：钳工：划线、锯、锉、刮、钻孔划线、锯、锉、刮、钻孔 机械加工：机械加工：车、铣车、铣 、刨、磨、镗、刨、磨、镗 金属切削加工金属切削加工：使用工具去除工件上的多余材料，使用工具去除工件上的多余材料， 获得符合图样要求的加工精度获得符合图样要求的加工精度1 1、切削加工的分类、切削加工的分类 金属切削加工方式很多，一般可分为车削加工、铣削金属切削加工方式很多，一般可分为车削加工、铣削加工、钻削加工、镗削加工、刨削加工、磨削加工、齿轮加工、钻削加工、镗削加工、刨削加工、磨削加工、齿轮加工及钳工等。加工及钳工等。 2 2、切削加工的特点及应用、切削加

3、工的特点及应用 切削加工的主要特点是：工件精度高、生产率高及切削加工的主要特点是：工件精度高、生产率高及适应性好，凡是要求具有一定几何尺寸精度和表面粗糙适应性好，凡是要求具有一定几何尺寸精度和表面粗糙度的零件，通常都采用切削加工方法来制造。度的零件，通常都采用切削加工方法来制造。 引引 言言机床上加工方法的机床上加工方法的共性共性就是把刀具和工件安装在机床上，有机床就是把刀具和工件安装在机床上，有机床产生所需的相对运动，从而切削出合乎要求的零件产生所需的相对运动，从而切削出合乎要求的零件 一、 零件表面的形成与切削运动 在切削加工过程中，刀具和工件之间的相对运动称为在切削加工过程中，刀具和工件

4、之间的相对运动称为切削运动。按其所起的作用，切削运动分为两类：切削运动。按其所起的作用，切削运动分为两类： 主运动：主运动：切下切屑所必需的基本运动称为主运动。在切下切屑所必需的基本运动称为主运动。在切削运动中，主运动的速度最高，消耗的功率也最大。切削运动中，主运动的速度最高，消耗的功率也最大。 进给运动：进给运动：使被切削的金属层不断投入切削的运动称使被切削的金属层不断投入切削的运动称为进给运动。为进给运动。 由于金属切削加工方式的不同，这两种运动的表现形由于金属切削加工方式的不同，这两种运动的表现形式也不相同。式也不相同。 一、 零件表面的形成与切削运动 刨平面刨平面车外圆车外圆一、 零件

5、表面的形成与切削运动 切削时工件上有三个不断变化的表面：切削时工件上有三个不断变化的表面：待加工表面、已加工表面、过渡表面（加工表面）待加工表面、已加工表面、过渡表面（加工表面）二、 切削要素 一）切削用量一）切削用量601000Dnvc1 1切削速度切削速度 切削速度指主运动的线速度，以切削速度指主运动的线速度，以 vc 表示，单位为表示，单位为 m/s。当主运动。当主运动为旋转运动时，其切削速度可按下式计算：为旋转运动时，其切削速度可按下式计算： 式中：式中： D D工件待加工表面或刀具的最大直径工件待加工表面或刀具的最大直径(mm)(mm)； n n工件或刀具每分钟转数工件或刀具每分钟转

6、数(r(rmin)min)当主运动为往复直线运动时，其切削速度可按下式计算：当主运动为往复直线运动时，其切削速度可按下式计算： 6010002rcLnv式中：式中： L L往复运动行程长度往复运动行程长度(mm)(mm)； nr主运动每秒或每分钟的往复次数主运动每秒或每分钟的往复次数 ( (strstrmin)min)2 2进给量进给量 在主运动的一个循环在主运动的一个循环( (或单位时间或单位时间) )内，刀内，刀具和工件之间沿进给运动方向相对运动的距具和工件之间沿进给运动方向相对运动的距离，离，以以 f表示。表示。 3 3背吃刀量背吃刀量 背吃刀量指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距背吃

7、刀量指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离，以离，以 ap表示，单位为表示，单位为mm。 在车床上车外圆时，背吃刀量计算公式为：在车床上车外圆时，背吃刀量计算公式为： 切削速度、进给量和背吃刀量称为切削速度、进给量和背吃刀量称为切削用量三要素切削用量三要素。它们与加工质量、。它们与加工质量、刀具磨损、机床动力消耗以及机床生产率等参数密切相关，因此应该合理刀具磨损、机床动力消耗以及机床生产率等参数密切相关，因此应该合理选择和使用切削用量。选择和使用切削用量。 2mwpdda切削层是指由切削部分的一个单一切削层是指由切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一动作（或指切削部分切过工件的一个

8、单程，或指只产生一圈过渡表面个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层。的动作）所切除的工件材料层。 二）切削层几何参数二）切削层几何参数1 1切削层公称宽度切削层公称宽度b bD D 主切削刃与工件接触的长度，单位为主切削刃与工件接触的长度，单位为mmmm。2 2切削层公称厚度切削层公称厚度hD 刀具或工件每移动一个进结量刀具或工件每移动一个进结量f后，主切削刃相邻的两个位置之间的垂直后，主切削刃相邻的两个位置之间的垂直距离，单位为距离，单位为mmmm。主切削刃与工件接触的长度，单位为。主切削刃与工件接触的长度，单位为mmmm。3 3切削层公称横截面积切削层公称横截面积A AD

9、 D 切削层在切削层尺寸平面的横截面面积，单位为切削层在切削层尺寸平面的横截面面积，单位为mmmm2 2 AD=bD * hD刀具的组成：E-mail: 切削部分切削部分夹持部分夹持部分 刀具的几何形状刀具的几何形状外圆车刀为例外圆车刀为例 车刀切削部分的组成车刀切削部分的组成 主后面主后面 主切削刃主切削刃前刀面前刀面 刀尖刀尖 副切削刃副切削刃副后面副后面 E-mail: 三个面三个面 两个刃两个刃 一个尖一个尖 刀具角度刀具角度标注角度标注角度工作工作角度角度在设计和制造刀具时图样上标注的角度、在设计和制造刀具时图样上标注的角度、刃磨刀具时测量的角度（静止参考系）刃磨刀具时测量的角度（静

10、止参考系）在考虑了合成运动和刀具安装条件的影在考虑了合成运动和刀具安装条件的影响，在工作参考系中定义的角度响，在工作参考系中定义的角度E-mail: 确定车刀角度的辅助平面 基面基面pr，主切削平面主切削平面ps，副切削平面ps，正交平面正交平面po，假定工作平面pf确定车刀角度的辅助平面车刀的标注角度主偏角主偏角K Kr副偏角副偏角KrE-mail: 刃倾角刃倾角sE-mail: 车刀的标注角度前角前角o后角后角o 主偏角：切削分力、切削载荷主偏角：切削分力、切削载荷 常用常用450、600、750、900 副偏角：减小副后面与已加工表面副偏角：减小副后面与已加工表面磨擦。磨擦。一般一般5-

11、150，粗加工较大值，粗加工较大值共同影响已加工表面粗糙度共同影响已加工表面粗糙度2.车刀切削部分的主要角度前角：前角：刀具锋利程度、刀具锋利程度、切削刃切削刃刀刀头头强度及散热能力强度及散热能力 工件材料塑性大、或刀具材料强度和韧性好、或精加工件材料塑性大、或刀具材料强度和韧性好、或精加 工，可取较大（一般工，可取较大（一般-5-250）2.车刀切削部分的主要角度后角不能为后角不能为0 0、负、负后角：后角：可减少后刀面对工件表面摩擦与可减少后刀面对工件表面摩擦与 前角配合改变切削刃的锋利与强度前角配合改变切削刃的锋利与强度 过大会削弱刀尖强度过大会削弱刀尖强度。 选择：选择：粗加工或工件材

12、料较硬、断粗加工或工件材料较硬、断 续切削，可取较小值续切削，可取较小值3-60 对切削刃强度要求不高对切削刃强度要求不高8-120 刃倾角的作用刃倾角的作用刀头强度刀头强度切屑流向切屑流向刃倾角刃倾角的作用的作用选择：一般选择：一般-5-50 粗加工取负增强刀头粗加工取负增强刀头 精加工取正、零保护已加工表面精加工取正、零保护已加工表面 工作角度：工作角度：刀具在切削过程中的实际切削角度刀具在切削过程中的实际切削角度车刀安装高度对前、后角的影响车刀安装高度对前、后角的影响车刀安装偏斜的影响：对主、副偏角车刀安装偏斜的影响：对主、副偏角 横向给运动对刀具角度的影响横向给运动对刀具角度的影响工作

13、参考系内的工作角度为：为合成切削速度角：刀具几何角度的合理选用 1 1、前角的选择、前角的选择1)1)前角的选择原则为：前角的选择原则为： 在刀具强度许可条件下，尽量选用大的前角。在刀具强度许可条件下，尽量选用大的前角。2)2)同时应考虑：同时应考虑：（1 1）被切削对象塑性越大，前角越大。）被切削对象塑性越大，前角越大。（2 2）刀具切削部分的材料高速钢前角可大于硬质合金。）刀具切削部分的材料高速钢前角可大于硬质合金。（3 3）粗加工前角应取小些，精加工时前角应取大些。）粗加工前角应取小些，精加工时前角应取大些。 3 3）具体可参考表）具体可参考表刀具几何角度的合理选用 2 2、后角的选择、

14、后角的选择 后角选择原则：在粗加工时以确保刀头强度为主，后角选择原则：在粗加工时以确保刀头强度为主，可在范围内选取；在精加工时以保证加工表面质量为主。可在范围内选取；在精加工时以保证加工表面质量为主。3 3、主偏角、副偏角、主偏角、副偏角1 1）主偏角的选择原则：）主偏角的选择原则： 粗加工时选大些，精加工时可选小些；工件材料强度、硬度高粗加工时选大些，精加工时可选小些；工件材料强度、硬度高时，主偏角应取小些；工艺系统刚性好，主偏角应取小些，反之取时，主偏角应取小些；工艺系统刚性好，主偏角应取小些，反之取大些，大些，所以车削细长轴时，为减小径向力，常用所以车削细长轴时，为减小径向力，常用909

15、0度的车刀。度的车刀。2 2）副偏角）副偏角 在工艺系统刚度允许的条件下，副偏角通常取较小值，在工艺系统刚度允许的条件下，副偏角通常取较小值，4 4、刃倾角的选择、刃倾角的选择刃倾角选择原则是：主要根据刀具强度，流屑方刃倾角选择原则是：主要根据刀具强度，流屑方向和加工条件而定。一般钢料或铸造铁粗加工，向和加工条件而定。一般钢料或铸造铁粗加工，取取 ，若有冲击负荷，取，若有冲击负荷，取 ；精加；精加工时为使切屑不流向已加工表面使其划伤进行微工时为使切屑不流向已加工表面使其划伤进行微量精细切削时，取量精细切削时，取 ，切削淬硬钢、高，切削淬硬钢、高强度钢等难加工材料时，则取强度钢等难加工材料时，则

16、取 。50s155s7545s3020对刀具材料的要求良好的工艺性良好的工艺性较高的硬度（较高的硬度（HRC60HRC60）足够的强度及韧性足够的强度及韧性较好的耐磨性较好的耐磨性较高的耐热性较高的耐热性刀具材料的性能要求是衡量刀具切削性能是衡量刀具切削性能的主要标志的主要标志 ，通常，通常用高温下保持高硬度用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称的性能来衡量，也称热硬性热硬性钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具铰刀、拉刀、板牙、丝锥手工工具：锉手工工具：锉刀、锯条刮刀刀、锯条刮刀用途工艺性好复杂刀具热处理变形小低速复杂刀具热处理变形大价格低特点0.50.83 （1）20%碳素工具钢(0.50.6） 0.1

17、3（0.20.4）许用切削速度 m/s（速比）600300400200250耐热性 OCHRC6265HRC6165HRC6165硬度W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2CrWMn、9SiCrT10、T10AT12常用牌号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硬质合金陶瓷材料例钨钴类（YG）钨钛钴类（YT）主要成分AL2O 3YG3、YG6YT5、YT15硬度HRA8991(HRC7478, HV13001800）HRA8696耐热性 OC85010001200许用切削速度 m/s （速比） 1.75（6）（1214）特点硬度、耐磨性、耐热性好，强度韧性较高速钢差特脆 价格低用途各

18、种刀片（车刀、端铣刀，深孔钻等） 用于高硬度材料精加工 人造金刚石立方氮化硼硬度HV10000 HV80000-9000耐热性 OC7008001300-1500特点不宜加工铁族元素价格贵耐热性、化学稳定性优于金刚石价格贵、脆性大用途加工高硬度材料、有色金属及其合金高硬度及铁族材料精加工（连续切削）普通刀具材料普通刀具材料1高速钢高速钢 高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢素较多的工具钢 、高速钢具有良好的热稳定性、高速钢具有良好的热稳定性 、高速钢具有较高强度和韧性、高速钢具有较高强度和韧性 、高速钢具有一定的硬度、高速钢具有一定的硬度(

19、6265HRC)和耐和耐磨性磨性 2硬质合金硬质合金 硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。冶金方法制成。 优点优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好热熔性好 ,热硬性好，切削速度高。热硬性好，切削速度高。 缺点缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的强度只有高速钢的1/31/2，冲击韧性只有高速钢的，冲击韧性只有高速钢的1/41/35。 力学性能：力学性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数主要由组成硬质合金碳化物的

20、种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。 普通刀具材料普通刀具材料硬质合金的种类硬质合金的种类按其化学成分的不同按其化学成分的不同可分为可分为 ：钨钴类钨钴类（WC+Co）（合金代号为）（合金代号为YG，对应于国标，对应于国标K类类 ） 合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工； 钴含量低，适于精加工。钴含量低，适于精加工。 钨钛钴类钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为）（合金代号为YT，对应于国，对应于国标标P类类 ） 有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈

21、状的钢件等塑性材料。件等塑性材料。 合金中合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低 粗加工一般选择粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择含量少的牌号，精加工选择TiC含量含量多的牌号。多的牌号。特殊刀具材料特殊刀具材料 1陶瓷刀具陶瓷刀具 （1）材料组成：材料组成：主要由硬度和熔点都很高的主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。制粉，再压制烧结

22、而成。 （2）常用种类：常用种类：Al2O3基陶瓷和基陶瓷和Si3N4基陶瓷基陶瓷 （3）优点：优点：有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面光力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面光洁度。洁度。 （4）缺点：缺点：强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。点是脆性大，抗冲击性能很差。 （5）适用范围：适用范围：高速精细加工硬材料。高速精细加工硬材料。 2金刚石刀具金刚石刀具 （1

23、）分类：分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。复合聚晶金刚石刀具。 （2）优点：优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达达10000HV，耐磨性是硬质合金的耐磨性是硬质合金的6080倍；切削倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。的导热性。 （3）缺点：缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。敏感。 （4）适用范围：适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和

24、非金属材料。及其合金和非金属材料。 特殊刀具材料特殊刀具材料3.5 3立方氮化硼刀具立方氮化硼刀具 （1）概念）概念：立方氮化硼（简称：立方氮化硼（简称CBN）是由六方是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。氮化硼为原料在高温高压下合成。 （2）优点）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。 （3）缺点）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的瓷刀具的1/51/2。 （4）适用范围）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温

25、合金材料。它不宜加工塑性大的钢硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金。特殊刀具材料特殊刀具材料涂层刀具涂层刀具刀具材料的韧性和硬度一般不能兼顾，故一般刀具材料的寿命主要是刀具材料的韧性和硬度一般不能兼顾，故一般刀具材料的寿命主要是受磨损的影响，可采用表面涂层处理的方法解决这一问题。受磨损的影响，可采用表面涂层处理的方法解决这一问题。（1）概念：概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。（2）常用的）常用的涂层材料涂层材料有：有：TiC、TiN、Al2O3等等 （3）涂层形式：涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层可以采用单涂层和复合涂层 （4）优点：优点：涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性较高的耐磨性 ，切削速度可提高，切削速度可提高30%50%，刀具寿命可提高数倍。，刀具寿命可提高数倍。碳素工具钢刀具高速钢刀具高速钢刀具刀具材料的发展1.在基面投影图中注出：已加工表面在基面投影图中注出：已加工表面,待加工表面，待加工表面， 过渡表面，过渡表面， 前面