机械加工工艺教(学)案

1、第1章 金属切削加工基础备课时间：09-2-14上课时间：09-2-16教学目的：1、新学期刚开始，充分调动学生的积极性，并讲解学习本课程的方法与技巧。2、掌握切削运动的类型、切削用量三要素的概念教学重点：切削用量三要素课时：2课时授课内容：切削运动金属切削加工是用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除，以获得合乎设计要求的工件的一种加工方法。（复习金属切削加工和数控加工在机械制造中的地位）1.1切削运动及切削要素机床为实现切削加工所必需具有的加工工件与工件间的相对运动。它包括主运动和进给运动。主运动（复习什么是主运动 ）主运动的速度即切削速度：主运动的线速度。兀dw nVc1000，而不能直接

2、查到转速的原（分析推导过程，分析根据工件材料查表时只能查到切削速度因）（二）进给运动进给运动速度：指切削刃选定点相对于工件进给运动的瞬时速度，用vf表示例：外圆车削时，进给运动速度常常用进给量f来表述，单位：mm / r刨削时，进给运动速度用每一行程多少毫米来表述，单位为mm / str。铳削时，进给运动速度常用每齿进给量f来表述，单位：mm/z进给速度vf、进给量f、每齿进给量fz和刀具齿数Z之间的关系如下：vf = nf切削时形成的表面车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面：（1）待加工表面（2）已加工表面（3）过渡表面切削用量（1）切削速度vc（2） 背吃刀量ap （分析车削和铳削的

3、即有什么不同）（3）进给量f（解释切削用量三要素对加工的影响。）备课时间：09-2-18上课时间：09-2-19教学目的：1、掌握刀具的组成及几何角度的确定方法2、熟悉刀具的工作角度对加工的影响。教学重点：几何角度的确定方法。教学难点：刀具的工作角度对加工的影响。课时：2课时授课内容：1.2刀具组成及几何角度（首先让学生传递着观察车刀）1. 刀具切削部分的组成要素刀杆：起夹持作用刀头：（三面）前刀面：切屑流过的表面主后刀面：刀具上与加工表面相对的表面副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面（两刃）主切削刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线（一尖）主切削刃与副切削

4、刃的交点（结合刀具实物和图片与学生一起分析并提问）2. 车刀切削角度的坐标平面基面Pr：通过主切削刃上的某一点，与主运动方向相垂直的平面。车刀的基面平行于刀体底面。切削平面Ps：通过主切削刃上的某一点，与过渡表面相切并垂直于基面的平面。正交平面Po：通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面和切削平面的平面 。（结合幻灯片与学生一起分析并提问）3. 刀具的主要标注角度1）前角（0）前刀面和基面之间的夹角。2）后角（：0）主后刀面和切削平面之间的夹角 。（直接分析出前角和后角的正、负、零。并要求学生在车刀上分析出前角和后角的正负时的形状，及其大、小对加工的影响。）3）主偏角（kr）主切削刃与进给方

5、向间的夹角4）副偏角（kr）负切削刃与进给方向的夹角5）刃倾角（S）主切削刃与基面之间的夹角。在切削平面内度量4、刀具的工作角度进给运动对刀具工作角度的影响使刀具实际工作后角减小，工作前角增大刀具安装高低对刀具工作角度的影响刀杆中心面（线）不垂直于进给运动方向的影响由此分析出刀具的安装方法：1、刀尖的高度应与工件中心的高度一致2、刀杆中心面（线）应垂直于进给运动方向备课时间：09-2-22上课时间：09-2-23教学目的：1、了解切削层参数2、掌握切屑的形成过程及切屑种类3、 熟悉积屑瘤的形成及其对切削加工的影响。教学难点：切屑的形成过程。教学重点：切屑种类和积屑瘤的形成及其对切削加工的影响课

6、时：2课时授课内容：5、切削层参数(1) 切削层公称厚度hD :垂直于过渡表面的切削层尺寸。切削层截面的切削厚度为：hD = f sin k(2) 切削层公称宽度 bD切削层截面的公称切削宽度为：bD = ap/sin k(3) 切削层公称横截面积AD = hD bD = f sin k . ap/sin k= f ap1.3 金属的切削过程金属在切削过程中，会出现一系列物理现象，如金属变形、切削力、切削热、刀具磨 损等，这些都是以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题，如积屑瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削过程密切相关。切屑的形成过程及切屑种类1、 切屑形成过程：对塑性金属进行切削时，切屑

7、的形成过程就是切削层金属的变形过 程。2、切屑的类型及切屑控制类型：带状切屑、挤裂切屑、单元切屑、崩碎切屑(预习第10页表1-1，总结出哪种切屑较好，怎样控制切屑的类型。)切屑控制：不可接受”的切屑：切削条件恶劣导致。影响主要有拉伤工件的已加工表面；划伤机床；造成刀具的早期破损；影响操作者的安全。切屑控制：在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成可接受”的良好屑形。可接受”的切屑标准：不妨碍正常的加工；不影响操作者的安全；易于清理、存放 和搬运。(1) 切屑的形态可随切削条件不同而改变 可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工质

8、量：增大前角、提高切削速度、减小进给量3. 积屑瘤在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，加工塑性材料时，在刀具前刀面常常粘结一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为积屑瘤 。(1) 积屑瘤的形成切削过程中，由于金属的挤压和强烈摩擦，使切屑与前刀面之间产生很大的应力和很高的切削温度。当应力和温度条件适当时，切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大，使得切屑底层流出速度变得缓慢，形成一层很薄的 滞流层”，当滞流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时，滞流层的金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤(2) 积屑瘤对切削加工的影响有利方面：保护刀具、增加工作前角不利方面：影响工件尺寸精度、影响工件表面粗

9、造度(3) .积屑瘤的控制影响积屑瘤的因素：工件材料、切削用量、刀具前角、切削液等控制措施：通过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。要避免在中温、中速加工塑性材料增大前角可减小切削变形，降低切削温度，减小积屑瘤的高度采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤3、鳞刺的形成低速加工塑性金属材料时在已加工表面常会出现一种鳞片状毛刺，成为鳞刺。成因：低速切削形成挤裂或单元切屑时 ，刀、屑间摩擦发生周期性变化使切屑在前 面上周期性停留代替刀具推挤切削层造成金属的积聚，使以加工表面产生拉应力而导裂，并使切削厚度向切削线以下而形成鳞刺4、已加工表面的变形切屑经过刀刃钝圆 B点后，受到后刀面B

10、C段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分 金属开始弹性恢复，恢复高度为 h，在恢复过程中又与后刀面 CD部分产生摩擦，这 部分切削层在 OB, BC, CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加工质量 。所以备课时间：09-2-25上课时间：09-2-26教学目的：1、掌握刀具材料的基本要求及常用刀具材料2、熟悉切削力、切削热和切削温度及其对刀具寿命的影响教学重点和难点：刀具材料的基本要求及常用刀具材料。课时：2课时授课内容：1.4 刀具材料概 述：刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。刀具材料的基本要求（1）高硬度（2）高强度与强韧性（3）较强的耐磨性和耐热性（4）优良导热性（5）良好的工艺性

11、与经济性142常用刀具材料刀具材料种类很多，常用的有：工具钢（包括碳素工具钢、）、硬质合金、陶瓷金 刚石（天然和人造）、立方氮化硼、碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前 仅用于手工工具。1、高速钢高速钢是一种含有钨、钼、钒等合金元素较多的工具钢，也称为锋钢或白钢特点：1） 强度高，抗弯强度为硬质合金的23倍；2） 韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRc63以上，且有较好的耐热性;4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。2、硬质合金硬质合金是用高硬度 、高熔点的金属碳化物粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成

12、型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。优点硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。不足（与高速钢相比）：其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铳刀和深孔钻都采用硬质合金制造。3、陶瓷刀具材料陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA9195）和耐热性，在1200 C的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因 而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料 。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。4、立方氮化硼它是一种

13、人工合成的新型刀具材料 。它是利用超高温高压技术制成的一种无机超硬材料。立方氮化硼在咼温、其硬度很咼，可达80009000HV,仅次于金刚石，但热稳定性远咼于 金刚石，并且与元素亲和力小，它的最大的优点是在高温 1200 C1300 C时也不会与铁族 金属起反应。因此既能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂 材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削 。超高速加工的首选刀具材料5、金刚石分为人造和天然两种，是目前已知最硬的，硬度约为HV10000,故其耐磨性好，不足之 处是抗弯强度和韧性差，对铁的亲和作用大，故金刚石刀具不能加工黑色金属 ，在800 C 时，金刚石中的碳与铁

14、族金属发生扩散反应，刀具急剧磨损。金刚石价格昂贵，刃磨困难，应用较少。主要用作磨具及磨料，有时用于修整砂轮。总结：材料的韧性则是高速钢最高，金刚石最低材料的硬度、耐磨性，金刚石最高，递次降低到高速钢。课时八1.5切削力、切削热和切削温度1.5.1 切削力的来源1、 切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；2、 刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。1.5.2 切削分力及其作用1、 主切削力Fc :切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，是计算机床动力、校核机床和夹具强度及刚度的重要依据2、背向力Fp切削合力在切削深度方向上的分力，与切深方向相反，它能使工件弯曲和引起震

15、动，对加工质量影响较大3、进给力Ff切削合力在进给方向上的分力；与进给方向平行，但方向相反，是设计和校验进给机构强度的依据。4、影响切削力的因素工件材料：被加工工件材料的强度、硬度越高，切削力增大。强度相近的材料， 如其塑性（伸长率）较大，切削力增大。切削脆性材料时，其切削力一般低于塑性材 料。切削用量：切削深度ap或进给量f加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同， ap的影响更大一些。切削速度：加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随 着切削速度的增大而减小 。刀具几何参数切削热和切削温度1. 切削热的产生传出及影响a. 切削热的来源切屑层的金属发生弹性变形、塑性变形而产生大量的热切

16、屑与刀具前刀面产生的摩擦工件与刀具后刀面产生的摩擦b. 切削热的传导传入切屑，约占总热量的5 0%86%,对切削加工无不利影响传入工件，约占总热量的4 0%10%,会使工件膨胀或伸长 ，产生尺寸和形状误差，影响加工精度传入刀具，约占总热量的9%3%,使刀具温度升高，硬度下降，磨损加快，耐用度 降传入周围介质，约占总热量的1%,对切削加工无不利影响2. 切削温度及其影响因素切削温度：是指刀具表面上切屑和刀具接触处的平均温度。其高低取决于切削时产生热量的多少和传导条件的好坏，切削用量、工件材料、刀具材料及角度等对切削温度均有影响3. 降低切削温度的措施(1) 选择合理的几何角度和切削用量(2) 使

17、用切削液1.6 刀具的磨损和寿命一. 刀具的磨损形式1、前刀面磨损(月牙洼磨损)2 .后万面磨损3. 前刀面和后刀面同时磨损二、刀具磨损过程初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段三、刀具寿命(1)定义刃磨或换刃后的刀具，自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为刀具寿命，符号用T,单位用min或s。(2) 刀具寿命与切削用量的关系切削用量对刀具寿命T的影响程度与切削用量对切削温度B的影响程度是致的，切削速度对刀具寿命的影响最大，其次是进给量，背吃刀量的影响很小。备课时间：09-3-1上课时间：09-3-2教学目的：1、掌握切削液的作用及选用原则2、掌握前角的选用方法和原则 。教学难

18、点：刀具几何角度的确定。教学重点：刀具的组成及几何角度的确定方法。课时：2课时授课内容：1.7工件材料的切削加工性和切削液切削加工性的概念和衡量指标材料的切削加工性是指材料被切削加工的难易程度。材料加工的难易程度要由具体的加工要求及切削条件而定。通常精加工时以能较好的保证加工质量为工件材料切 削加工性的主要指标；自动加工则以断屑的难易程度为材料切削加工性的主要指标 衡量材料切削加工性的指标1一定刀具寿命下的切削速度VT*越大，材料的切削加工性越好。2相对加工性kr为统一标准起见，取正火状态下的 45钢作基准材料,刀具寿命为 60 min ,这时 的切削速度为基准 （写作（v60） j ），而将

19、其它材料的（v 60）与其相比，这个比值Kr称 为相对加工性：kr 1材料具有良好的切削加工性3. 已加工表面质量凡较容易获得好的表面质量的材料，其切削加工性较好；反之则较差。精加工时，常以此为衡量指标。4切屑的控制或断屑的难易凡切屑较容易控制或易于断屑的材料，其切削加工性较好；反之则较差。在自动机床或自动线上加工时，常以此为衡量指标。5切削力在相同切削条件下，凡切削力较小的材料，其切削加工性较好；反之则较差。在粗加工 中，当机床刚性或动力不足时，常以此为衡量指标。（衡量材料切削加工性的指标5项内容，须提问）影响材料切削加工性的因素1. 物理性能材料的导热性愈好、一定刀具耐用度下的切削速度愈高

20、，材料的切削加工性愈好。2材料的力学性能材料的强度、硬度愈高，切削力愈大，切削温度愈高，刀具磨损加剧，一切削加工性 愈差。材料的塑性、韧性愈高，切削时切屑的变形加大，摩擦力提高，切削力愈大，切削温度 愈高，刀具磨损加剧，一切削加工性愈差。1.7.2 改善材料切削加工性的途径1调整材料的化学成分在钢中加入 S、Pb等元素，可有效的改善材料的切削加工性。一一“易切削钢”。2热处理1.7.3 切削液1. 切削液的作用(1 )润滑作用(2) 冷却作用(3) 清洗作用(4) 防锈作用2. 切削液的种类 、切削油 、乳化液 、水溶液3. 切削液的选用原则(1)粗加工粗加工时，切削用量大，产生的切削热量多，

21、容易使刀具迅速磨损。此类加工一般采用冷却作用为主的切削液，如离子型切削液或 3%5%乳化液。切削速度较低时，刀具以机械磨损为主，宜选用润滑性能为主的切削液；速度较高时，刀具主要是热磨损，应选用冷却为主的切削液 。硬质合金刀具耐热性好，热裂敏感，可以不用切削液。如采用切削液，必须连续、 充分浇注，以免冷热不均产生热裂纹而损伤刀具。（2）精加工精加工时，切削液的主要作用：提高工件表面加工质量和加工精度。加工一般钢件，在较低的速度（6.0m/min30m/min ）情况下，宜选用润滑性能好的极压切削油或10 %12 %极压乳化液，以减小刀具与工件之间的摩擦和粘结，抑制积屑瘤。A、 加工铜材料时，不宜

22、采用含硫切削液，因为硫对铜有腐蚀作用。B、 加工铝时，也不适于采用含硫与氯的切削液，因为这两种元素宜与铝形成强度高于铝的化合物，反而增大刀具与切屑间的摩擦。也不宜采用水溶液，因高温时水会使铝产生针孔。1.8刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择：是指在保证加工质量的前提下，选择能提高切削效率，降低生产成本，获得最高刀具耐用度的刀具几何参数。刀具几何参数内容：刀具几何角度（如前角、后角、主偏角等）、刀面形式（如平面前刀面、倒棱前刀面等）切削刃形状（直线形、圆弧形）1. 前角和前刀面形状的选择前角的功用：（1）影响切削变形和切削力的大小（2）影响加工表面质量（3）影响刀具寿命（4）影响切屑形

23、态和断屑效果 。（1）前角的选择：在选择刀具前角时首先应保证刀刃锋利，同时也要兼顾刀刃的强度与耐用度。刀具前角的合理选择，主要由刀具材料、工件材料、加工条件决定。 刀具材料强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具甚至取负的前角。 工件材料加工钢件等塑性材料时，切屑沿前刀面流出时和前刀面接触长度长，压力与摩擦较大，为减小变形和摩擦，一般采用选择大的前角。加工脆性材料时，切屑为碎状，切屑与前刀面接触短，切削力主要集中在切削刃 附近，受冲击时易产生崩刃，因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提高刀刃的强度。 加工条件粗加工时，一般取较小的前角；精加工时，宜取较大的前角，以减小工件

24、变形与表面粗糙度；带有冲击性的断续切削比连续切削前角取得小。总之，前角选择的原则是在满足刀具耐用度的前提下，尽量选取较大前角刀具的合理前角参考值见 P34表1-72、前刀面形状、刃区形状及其参数的选择 、前刀面形状A、正前角锋刃平面型特点：刃口较锋利，但强度差，Y0不能太大，不易折屑。主要用于高速钢刀具，精加工。B、带倒棱的正前角平面型特点：切削刃强度及抗冲击能力强，同样条件下可以采用较大的前角 耐用度。主要用于硬质合金刀具和陶瓷刀具，加工铸铁等脆性材料C、负前角平面型特点：切削刃强度较好，但刀刃较钝，切削变形大。主要用于硬脆刀具材料。加工高强度高硬度材料,如淬火钢。图示类型负前角后部加有正前

25、角，有利于切屑流出。D、曲面型特点：有利于排屑、卷屑和断屑，而且前角较大，切削变形小， 小。,提高了刀具所受切削力也较在钻头、铳刀、拉刀等刀具上都有曲面前面 。备课时间：09-3-4上课时间：09-3-5教学目的：1、掌握后角、主偏角、刃倾角的选择原则和方法 。2、掌握切削用量的选择原则和方法。教学重点、难点：切削用量的选择原则和方法。课时：2课时授课内容：2. 后角及形状的选择(1) 后角的功用：A、减小刀具后刀面与加工表面的摩擦 ；B、当前角固定时，后角的增大与减小能增大和减小刀刃的锋利程度热，从而影响刀具的耐用度。(2) 后角的选择后角大小取决于:切削厚度、工件材料、工艺系统刚度。切削厚

26、度(进给量)越大，后角越小；工件材料越软、塑性越大，后角越大;工艺系统刚度较差时，适当减小后角副后角的作用与后角类似，它用来减少副后面与已加工表面之间的摩擦改变刀刃的散般刀具将副后角制成与后角相同。、主、副偏角的功用及其选择1、主、副偏角的功用主偏角影响切削层的形状 ，切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷。减少K,主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，耐用。副偏角影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，减少K,减少表面的粗糙度的数值，还可提高刀具强度。过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降低表面质量。2.主、副偏角的选择主偏角主要根据加工条件和工艺系统刚性来选择副偏角主要考虑表面粗

27、糙度、刀尖强度和散热面积来选择。3. 主偏角的选择A、 主偏角K的增大或减小对切削加工有利的一面（主偏角K减小，能提高刀具耐 用度。）在背吃刀量ap与进给量f不变时，主偏角k减小将使切削厚度 hD减小，切削宽度 bD增加，参加切削的切削刃长度也相应增加 ，切削刃单位长度上的受力减小 ，散热 条件也得到改善。主偏角K减小时，刀尖角增大，刀尖强度提高，刀尖散热体积增大。B、 主偏角K的增大或减小对切削加工不利的一面（主偏角的减小对刀具耐用度和 加工精度产生不利影响。）因为根据切削力分析可以得知，主偏角K减小，将使背向力Fp增大，从而使切削时产 生的挠度增大，降低加工精度。同时背向力的增大将引起振动

28、 。主偏角K选择原则：、工艺系统刚性较好时 （工件长径比Iw/dw 6 ）,主偏角K可以取小值。 、工艺系统刚性较差时 (工件长径比lw/dw = 6-12 ),或带有冲击性的切削， 主偏角K可以取大值，一般K = 75o93o ,甚至主偏角K可以大于90o ,以避免 加工时振动。硬质合金刀具车刀的主偏角多为60o75o。 、根据工件加工要求选择。当车阶梯轴时，K = 90o ;同一把刀具加工外圆、端面和倒角时，K = 45o。课时十二4、副偏角的选择副偏角K的大小对刀具耐用度和加工表面粗糙度的影响,提高理论表面粗糙度值，提高刀具耐用度。,使刀具耐用度降低，另外引起加,一般K = 5o10o

29、；加工外圆及A、副偏角的减小，将可降低残留物面积的高度B、副偏角减小刀尖强度增大，散热面积增大，C、副偏角太小会使刀具副后刀面与工件的摩擦工中振动。、工艺系统刚性好时，加工高强度高硬度材料 端面，能中间切入,K = 45o。、工艺系统刚度较差时，粗加工、强力切削时，K = 10o15o ;车台阶轴、细 长轴、薄壁件，K仝5o10o 。、切断切槽，K = 1o2o。副偏角的选择原则是：在不影响摩擦和振动的条件下，应选取较小的副偏角刃倾角的选择(1 )Xs对切屑流出方向的影响当冷为负值时，切屑将流向已加工表面，并形成长螺卷屑，容易损害加工表面。但 切屑流向机床尾座，不会对操作者产生大的影响 。粗车

30、时采用负值的 启。当冷为正值，切屑将流向机床床头箱，影响操作者工作，并容易缠绕机床的转动部 件，影响机床的正常运行精车时采用正值的冷。(2) 刃倾角对刀尖的影响刃倾角启的变化能影响刀尖的强度和抗冲击性能。当冷取负值时，刀尖在切削刃最低点，切削刃切入工件时，切入点在切削刃或前刀 面，保护刀尖免受冲击，增强刀尖强度。一般大前角刀具通常选用负的刃倾角，既可以增强刀尖强度，又避免刀尖切入时产生的冲击。(3) 刃倾角对切削分力的影响刃倾角负值越大，切深抗力越大，当工艺系统刚性较差时，容 易引起振动。.刀尖形状的选择刀尖是刀具强度和散热条件都很差的地方。切削过程中，刀尖切削温度较高，非常容易磨损，因此增强刀尖，可以提高刀具耐用度。刀尖对已加工表面粗糙度有很大 影响。(1) 直线过渡刃的