机械制造工程学第1章-切削加工的基础理论课件

1、第一节 金属切削基本知识第二节 金属切削过程第三节 切削力与切削功率第四节 切削热与切削温度第五节 刀具的磨损及使用寿命第六节 切削条件的合理选择第1章 金属切削加工的基础理论第一节 金属切削基本知识一、切削运动切削运动直线运动旋转运动第一节 金属切削基本知识一、切削运动主运动：直接切除工件上的切削层，使之变为切屑，以形成工件新表面的运动。 通常用切削速度 vc (m/s) 表示。特点：速度高、功耗大、只能有一个。进给运动：不断地把切削层投入切削的运动。通常用vf、f或 fz表示。特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用ve表示。第一节 金

2、属切削基本知识第一节 金属切削基本知识待加工表面过渡表面已加工表面二、切削用量第一节 金属切削基本知识二、切削用量切削速度：(vc) “切削刃选定点相对与工件主运动的瞬时速度”。通常以最大线速度为准。主运动是旋转运动时：主运动是直线运动时：第一节 金属切削基本知识二、切削用量进给量：( f ) “工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移”。f (mm/r), vf (mm/s), fz (mm/z)f第一节 金属切削基本知识二、切削用量背吃刀量：(ap)“工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离”。对于外圆车削：第一节 金属切削基本知识三、刀具切削部分的基本定义第一节 金属切削基本知识

3、1.车刀的组成刀柄切削部分第一节 金属切削基本知识1.车刀的组成后刀面A前刀面A第一节 金属切削基本知识1.车刀的组成主切削刃s副切削刃s刀尖第一节 金属切削基本知识1.车刀的组成归结起来： “三面两刃一尖”前刀面Ar后刀面A副后刀面A交线交线主切削刃s副切削刃s刀尖连接部分第一节 金属切削基本知识2、刀具角度参考系前提条件： 不考虑进给运动； 车刀刀尖与工件中心等高； 刀杆中心线与进给方向垂直； 刀具的安装面与基面Pr平行；第一节 金属切削基本知识五、刀具标注角度参考系正交平面参考系： 基面Pr：“通过主切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面”第一节 金属切削基本知识2、刀具角度参考系正交平面

4、参考系： 切削平面Ps：“通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面”。第一节 金属切削基本知识2、刀具角度参考系正交平面参考系： 正交平面(主剖面)Po：“通过主切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面”。第一节 金属切削基本知识2、刀具角度参考系法平面参考系：法平面Pn:“通过主切削刃上选定点，并垂直于切削刃的平面”。第一节 金属切削基本知识2、刀具角度参考系假定工作平面、背平面参考系：假定工作平面(进给剖面)Pf：“通过主切削刃上选定点，平行于进给方向并垂直于基面的平面”第一节 金属切削基本知识2、刀具角度参考系假定工作平面、背平面参考系：背平面(切深剖面)Pp:“通过

5、主切削刃上选定点，同时垂直于基面和假定工作平面的平面”。第一节 金属切削基本知识3、刀具的标注角度fSS在基面平面内测量的角度：第一节 金属切削基本知识3、刀具的标注角度副偏角：“副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。主偏角：“主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。刀尖角：“主切削刃与副切削刃之间的夹角”。 r=180-(r+r)在基面平面内测量的角度：第一节 金属切削基本知识3、刀具的标注角度PrPsArA前角：o“前刀面与基面之间的夹角”。后角：o“后刀面与切削平面的夹角”楔角在正交平面内测量的角度：第一节 金属切削基本知识3、刀具的标注角度PrS刃倾角：S“主切削刃与基面之间的夹

6、角”在切削平面内测量的角度：第一节 金属切削基本知识4、刀具的工作角度图示，用切断刀横向进给进行切断工件。第一节 金属切削基本知识4、刀具的工作角度PsPrPrePse图示，用镗刀加工内孔。刀尖高于工件中心。第一节 金属切削基本知识四、切削层参数：“刀具沿进给方向移动一个进给量 f，由一个刀齿正在切削着的金属层”。切削层的大小和形状直接影响： 刀具切削部分承受的载荷大小； 决定了切屑的尺寸和形状；第一节 金属切削基本知识四、切削层参数：切削厚度：hD“垂直于过渡表面度量的切削层尺寸”hD=fsinr (mm)切削宽度：bD“沿着过渡表面度量的切削层尺寸” bD=ap/sinr (mm)切削面积

7、：AD=hDbD (mm2)对于外圆车削： AD=fap (mm2) 第一节 金属切削基本知识残留面积：第二节 金属的切削过程一、切屑的形成过程及变形区的划分刀具挤压工件，产生变形第二节 金属的切削过程一、切屑的形成过程及变形区的划分刀具挤压工件，产生变形滑移第二节 金属的切削过程一、切屑的形成过程及变形区的划分刀具挤压工件，产生变形滑移第二节 金属的切削过程一、切屑的形成过程及变形区的划分刀具挤压工件，产生变形滑移挤裂切离第二节 金属的切削过程一、切屑的形成过程及变形区的划分金属的切削过程就是工件的被切削层金属在刀具前刀面的推挤下，沿剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的过程。第二节 金

8、属的切削过程一、切屑的形成过程及变形区的划分第二节 金属的切削过程一、切屑的形成过程及变形区的划分第一变形区：（基本变形区）OAOM之间的区域，是切削过程中的主要变形区，是切削力和切削热的主要来源。主要特征： 剪切面的滑移变形第二节 金属的切削过程一、切屑的形成过程及变形区的划分第二变形区：切屑底层与前刀面之间的摩擦变形区。摩擦阻力阻止切屑流动，使切屑底部的晶粒进一步纤维化。主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。第二节 金属的切削过程二、切削变形区第三变形区：工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。造成工件表面的纤维化与加工硬化。该区域对工件表面的残余应力以及后刀面的磨损有很大的影响。

9、第二节 金属的切削过程二、变形系数厚度变形系数：长度变形系数：根据体积不变原理数：第二节 金属的切削过程二、变形系数影响切削变形的因素：工件材料： 刀具角度： 切削速度：工件塑性延伸率 O 刀具锋利塑性变形vc 第二节 金属的切削过程三、切屑的类型带状切屑：形状：连绵不断呈带状，切屑底面很光滑而背面呈毛茸状。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型带状切屑：产生条件：切削塑性材料、切削速度高、切削厚度较小、前角大。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型带状切屑：形成原因：切速高，切削层未及充分变形即变为切屑，剪切面上的应力还未达到破坏值，因此只有塑性滑移而无断裂；前角大，则刀具锋利；hD小则切削力小

10、。故易得带状切屑。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型带状切屑：特点：切削过程变形小，切削力小且稳定；已加工表面粗糙度低。对生产安全有危害。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型带状切屑：第二节 金属的切削过程三、切屑的类型挤裂切屑：（节状切屑）形状：宏观上自然连接，但外表面呈锯齿形，如竹节状。 第二节 金属的切削过程三、切屑的类型挤裂切屑：（节状切屑）产生条件：切削塑性材料、切削速度中等、切削厚度较厚、前角较小。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型挤裂切屑：（节状切屑）形成原因：切削层经过充分变形全过程，最后被挤裂。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型挤裂切屑：（节状切屑）特点：切屑冷硬度高，

11、脆且易断，便于处理；变形相对较大，切削力波动较大，易产生振动；已加工表面粗糙度较高。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型挤裂切屑：（节状切屑）第二节 金属的切削过程三、切屑的类型单元切屑：形状： 切屑沿挤裂面完全断开成单元状。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型单元切屑：产生条件：材料塑性很差、切速低、hD大、前角小。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型单元切屑：形成原因：整个剪切面上剪应力超过材料的破坏强度极限。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型单元切屑：特点：切削力波动很大，有振动；已加工表面非常粗糙，且有振纹。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型单元切屑：第二节 金属的切削过程三、切屑

12、的类型蹦碎切屑：形状：切屑呈不规则的碎块状。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型蹦碎切屑：产生条件：切削脆性材料。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型蹦碎切屑：形成原因：材料塑性差，抗拉强度低，受前刀面挤压时几乎没有塑性变形便脆断成不规则的碎块。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型蹦碎切屑：特点：切削过程不平稳，切削力波动大，有冲击，振动大，已加工表面粗糙。第二节 金属的切削过程三、切屑的类型蹦碎切屑：第二节 金属的切削过程四、积屑瘤“在一定的温度和压力下,切削塑性金属时,切屑底层与前刀面嵌入式结合发生冷焊现象,使一部分切屑粘结在前刀面上,形成积屑瘤”。特点：硬度是工件材料的23.5倍，可以代

13、替刀具切削。周而复始的生长、脱落。第二节 金属的切削过程四、积屑瘤“在一定的温度和压力下,切削塑性金属时,切屑底层与前刀面嵌入式结合发生冷焊现象,使一部分切屑粘结在前刀面上,形成积屑瘤”。产生条件：切削塑性材料。切削区的温度、压力和界面状况符合在刀面上发生冷焊的条件。第二节 金属的切削过程四、积屑瘤“在一定的温度和压力下,切削塑性金属时,切屑底层与前刀面嵌入式结合发生冷焊现象,使一部分切屑粘结在前刀面上,形成积屑瘤”。对切削过程的影响： 积屑瘤代替刀刃进行切削，保护了刀刃，增大了前角。 积屑瘤形状不规则，频繁生长脱落，影响尺寸精度和表面质量。故：粗加工时可人为控制积屑瘤的生长，使积屑瘤能稳定存

14、在。精加工时应抑制积屑瘤的产生。第二节 金属的切削过程四、积屑瘤控制措施：提高前刀面的光滑程度；提高工件的硬度，降低塑性；采用合适的切削液；避开积屑瘤产生的速度范围。第二节 金属的切削过程四、积屑瘤控制措施：提高前刀面的光滑程度；提高工件的硬度，降低塑性；采用合适的切削液；避开积屑瘤产生的速度范围。v=0.17m/s第二节 金属的切削过程四、积屑瘤控制措施：提高前刀面的光滑程度；提高工件的硬度，降低塑性；采用合适的切削液；避开积屑瘤产生的速度范围。第二节 金属的切削过程四、积屑瘤控制措施：提高前刀面的光滑程度；提高工件的硬度，降低塑性；采用合适的切削液；避开积屑瘤产生的速度范围。v=0.67m

15、/s第二节 金属的切削过程四、积屑瘤控制措施：提高前刀面的光滑程度；提高工件的硬度，降低塑性；采用合适的切削液；避开积屑瘤产生的速度范围。v=1.33m/s第三节 切削力与切削功率一、切削力的来源、合理及其分力工件、切屑的变形抗力刀具与切屑、工件与刀具之间的摩擦阻力第三节 切削力与切削功率一、切削力的来源、合理及其分力主切削力：FC 在主运动方向的分力。FC与切削速度方向一致，又称切向抗力。是计算机床切削功率的主要依据。背向力：FP 总切削力在切深方向的分力。FP在基面内，与进给方向垂直。进给抗力：Ff 在进给方向的分力。是计算或校核机床进给机构强度的依据。第三节 切削力与切削功率二、切削功率

16、机床总功率：单位切削功率：“单位时间内切下单位体积金属所需的功率”第三节 切削力与切削功率三、单位切削力“单位面积上的主切削力”：估算切削力：第三节 切削力与切削功率三、切削力测量与经验公式1.切削力的经验公式：注意：计算公式由实验测得，式中的各项应按照实验时的单位计算。即：aP：mm，f：mm/r手册中的数据为特定切削条件下测得的数据，当实际的条件与实验公式条件不符时，应加修正系数。第三节 切削力与切削功率2. 测力仪原理三、切削力测量与经验公式第三节 切削力与切削功率五、影响切削力的因素工件材料： 切削用量： 刀具角度：工件强度、硬度屈服极限s 变形抗力f、apFC vcFC O FC r

17、 、s 主要影响 Ff 、FP 第四节 切削热与切削温度一、切削热的产生与传出切削层的弹性及塑性变形。切屑与前刀面，工件与后刀面的摩擦。第一变形区：60%的热量第二变形区：30%的热量第三变形区：10%的热量二、切削热的传递：Q=Q屑+Q刀+Q工+Q介车削时在不使用冷却液的情况下： Q屑Q刀Q工Q介第四节 切削热与切削温度一、切削热的产生与传出 切削温度分布：切削脆性材料时最高温度区域切削塑性材料时最高温度区域 切削温度：第四节 切削热与切削温度一、切削热的产生与传出 切削温度分布： 切削温度：“指切削区（切屑与前刀面接触区）的平均温度第四节 切削热与切削温度二、切削温度的测量方法第四节 切削

18、热与切削温度三、影响切削温度的主要因素工件材料:HB、b切削抗力功耗热处理HBb正火18760100%调质22975125%淬火44HRC148145%45#钢为例：第四节 切削热与切削温度三、影响切削温度的主要因素切削用量对切削温度的影响:vc、f、ap 用YT15刀具，切削45#钢时( b=75kg/cm2)第四节 切削热与切削温度三、影响切削温度的主要因素刀具几何参数对切削温度的影响:o r 第五节 刀具的磨损及使用寿命一、刀具的磨损形式：第五节 刀具的磨损及使用寿命一、刀具磨损方式第五节 刀具的磨损及使用寿命一、刀具磨损方式第五节 刀具的磨损及使用寿命二、刀具磨损原因磨料磨损 工件和切

19、屑中的硬质点（如炭化物）以及不断脱落的积屑瘤碎片划擦刀面产生磨损。 冷焊磨损 切屑与刀具在压力和摩擦条件下冷焊粘结，然后相互被拉开，产生表面破坏伤痕。第五节 刀具的磨损及使用寿命二、刀具磨损原因扩散磨损工件材料和刀具在高温下（9001000）相互扩散造成的磨损。第五节 刀具的磨损及使用寿命二、刀具磨损原因氧化磨损刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后，在高温下（700800）与空气中的氧作用产生松脆氧化物，造成刀具磨损。第五节 刀具的磨损及使用寿命综上所述：切削速度（温度）对刀具磨损有决定性的影响： 高速（温）时扩散磨损和氧化磨损强度较高； 中低速（温）时冷焊磨损占主导地位； 磨料磨损在不同速

20、度（温）下都存在。第五节 刀具的磨损及使用寿命三、刀具的磨损过程及磨钝标准第五节 刀具的磨损及使用寿命三、刀具的磨损过程及磨钝标准“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大磨损尺寸”。以VB表示考虑因素：工艺系统刚性：工艺系统刚性差， VB应取小值。工件材料：难加工材料（如：高温合金、不锈钢、钛合金等），一般应取较小的VB值，一般性材料， VB可取大些。加工精度和表面质量：加工精度和表面质量要求高时，VB应取小值。工件尺寸：大型工件，为避免频繁换刀，VB应取大值。第五节 刀具的磨损及使用寿命四、刀具使用寿命的经验公式“刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总的切削时间”。记为：T切

21、削用量与刀具使用寿命的关系：第五节 刀具的磨损及使用寿命四、刀具使用寿命的经验公式“刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总的切削时间”。记为：T切削用量与刀具使用寿命的关系：第五节 刀具的磨损及使用寿命四、刀具使用寿命的经验公式“刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总的切削时间”。记为：T切削用量与刀具使用寿命的关系：可见： vc对T的影响最大，f次之，aP最小。在优选切削用量以提高生产率时，首先应尽量选大的aP，然后根据加工条件和要求选允许最大的f，最后根据T选取合理的vc。第五节 刀具的磨损及使用寿命不同刀具材料使用寿命比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4

22、mm）高速钢刀具使用寿命T（min）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min）第五节 刀具的磨损及使用寿命四、刀具使用寿命的经验公式优化刀具使用寿命！T太短换刀频繁T太长切削速度上不去生产率下降成本上升第五节 刀具的磨损及使用寿命四、刀具使用寿命的经验公式最大生产率使用寿命：TP“根据单件工序工时最短的原则来确定T”。式中：m：指数。 对于高速钢： m=0.10.125， 硬质合金： m=0.10.4， 陶瓷刀具： m=0.20.4 tct：换刀一次所需时间； 第五节 刀具的磨损及使用寿命四、刀具使用寿命的

23、经验公式经济使用寿命：Tc“根据单件工序成本最低的原则来确定T”。式中：m：指数。 对于高速钢： m=0.10.125， 硬质合金： m=0.10.4， 陶瓷刀具： m=0.20.4 tct：换刀一次所需时间； Ct：刀具成本； M：该工序单位时间内机床折旧费及所分担的全厂开支。第六节 切削条件的合理选择孰强孰弱，性能决定一、常用刀具材料 一、常用刀具材料 刀具材料应具备的基本性能：高的硬度；必须高于工件硬度，通常应60HRC以上。足够的强度和韧性；较高的耐磨性；较高的耐热性；良好的导热性和工艺性。硬度的表示方式？布氏硬度：HBS、HBW洛氏硬度：HRA、HRB、HRC、HRD维氏硬度：HV

24、在中等硬度情况下，HRC与HBS之间关系约为1:10，如40HRC相当于400HBS。一、常用刀具材料 属于高碳、高合金型的工具钢，其碳元素含量一般在0.7%1.6%，W、o、Cr、V、Co等合金元素的重量百分比之和在10%40%之间，其中Cr元素的含量固定在4%左右。基本性能： 硬度： 6265HRC 耐热性：500600 切削速度：vc1200 ) ； 切削速度较硬质合金提高310倍。 常用速度vc= 250650 m/min，最高达1500m/min。 抗弯强度、冲击韧性较差。主要用于冷硬铸铁、高硬钢等精加工和半精加工。一、常用刀具材料 人造聚晶金刚石（PCD）“高温高压(1400、6G

25、Pa)下借助合金触媒的作用，由石墨转化而成”。特点： 硬度高(10000HV )、耐磨性极好; 耐热性：700800 ，不能在高温下切削； 冲击韧性、抗弯强度低。只有硬质合金的1/4; 摩擦系数低，约为硬质合金得1/2左右; 刀具的切削刃钝圆半径很小，可进行超精密微量切削，尺寸精度可达1m，表面粗糙度值可达到Ra0.020.06m; 与Fe的亲和力强，不能加工铁族材料；适用于硬质合金、玻璃等高硬材料的精加工。一、常用刀具材料 聚晶立方氮化硼（PCBN）用六方氮化硼（俗称白石墨）为原料，利用超高温高压技术，人工合成的无机超硬材料。与金刚石相比： 硬度：80009000HV。 耐热性：130015

26、00 与Fe的亲和力小，能加工铁族材料。 主要适用于淬硬钢、耐磨铸铁、高温合金等高硬铁族材料的精加工或半精加工。 不适合加工塑性大的金属和镍基合金、铝合金、铜合金。第六节 切削条件的合理选择二、切削液1.切削液的作用： 冷却作用：降低切削温度，提高刀具使用寿命和加工质量。水溶液冷却效果最好，乳化液次之，油类最差。 润滑作用：切削液能在切削、工件与刀具界面之间形成边界润滑，从而降低磨擦系数，提高刀具使用寿命，改善加工表面质量。 清洗作用：冲洗切削过程中产生的碎屑，防止其进入机床导轨面。 防锈作用：切削液具有一定的防锈功能，可以减少工件、机床、刀具受周围介质（水、空气等）的腐蚀。第六节 切削条件的

27、合理选择2.切削的种类及选用序号名称组 成主要用途1水溶液以硝酸钠、碳酸钠等溶于水的溶液，用100200倍的水稀释而成磨削2乳化液（1）少量矿物油，主要为表面活性剂的乳化油，用4080倍的水稀释而成，冷却和清洗性能好车削、钻孔（2）以矿物油为主，少量表面活性剂的乳化油，用1020倍的水稀释而成，冷却和清洗性能好车削、攻螺纹（3）在乳化液中加入极压添加剂高速车削、钻削3切削油（1）矿物油（L-AN15或L-AN32全损耗系统用油）单独使用滚齿、插齿（2）矿物油加植物油或动物油形成混合油，润滑性能好精密螺纹车削（3）矿物油或混合油中加入极压添加剂形成极压油高速滚齿、插齿车螺纹4其它液态的CO2主要

28、用于冷却二硫化钼+硬脂酸+石蜡做成蜡笔，涂于刀具表面攻螺纹二、切削液第六节 切削条件的合理选择1.前角的功用及选择1）直接影响刀具的锋利程度刀具锋利切屑变形程度切削力前角2）直接影响切削刃的强度和刀头强度前角刀刃及刀头强度易蹦刃楔角3）直接影响切屑的形状和断屑效果前角切屑变形程度易断屑三、刀具合理几何参数的选择三、刀具合理几何参数的选择前角的选择原则1）工件材料：脆性材料：o小，塑性材料： o大强度、硬度高： o小，反之： o大2）刀具材料：刀具的b、k较大，则o可选大值3）加工条件：粗加工时：o小，精加工时： o大“锐字当先、锐中求固”4） 系统刚性：工艺系统刚性不足时： o 大三、刀具合理

29、几何参数的选择2.后角的功用及选择 后角的主要作用是减少后刀面与加工工件之间的摩擦和磨损。后角过大，会削弱切削刃和刀头的强度。通常o=512三、刀具合理几何参数的选择2.后角的功用及选择 后角的主要作用是减少后刀面与加工工件之间的摩擦和磨损。后角过大，会削弱切削刃和刀头的强度。通常o=512选择原则：1）工件材料：工件的b、HB较大，则o可选小值2）刀具材料：刀具的b、k较大，则o可选大值3） 加工条件：粗加工时： o小，精加工时： o大4） 系统刚性：工艺系统刚性不足时： o小，减小振动三、刀具合理几何参数的选择3.斜角切削与刃倾角的选择影响刀尖的强度、锋利性、切削平稳性以及切屑的流向： s 0，切屑流向待加工面； s 0，切屑流向待加工面； s 0三、刀具合理几何参数的选择4.主偏角和副偏角的功用及选择1）影响残留面积的高度Rmax2）影响三个切削分力的大小和比例关系三、刀具合理几何参数的选择4.主偏角和副偏角的功用及选择3）主偏角影响切屑层的形状在f、ap相同的情况下：bD 刀刃工作长度单位负荷三、刀具合理几何参数的选择4.主偏角和副偏角的功用及选择1）工件材料： 2）工艺系统刚性：刚性好，则取小值。3）加工条件：粗加工时：