机械制造及其自动化

第二章切削过程及控制1第二章切切削过过程及控控制金属切削削过程工件与刀具相互作用用的过程程金属切削削加工用刀具从从工件表表面上切切除多余余的材料料，以获获得几何形状状、尺寸精度度、表面粗糙糙度及表面层质质量等各个方方面符合合要求的的加工方方法，要要求高质量、高效率、低成本2第二章切切削过过程及控控制实现切削削过程的的三个条件件切削运动动工件与刀刀具之间间要有相相对运动动切削性能能刀具材料料必须具具备一定定的切削削性能切削角度度刀具必须须具有合合理的几几何参数数32.1金金属切削削刀具基基础切削加工工的基本本概念刀具角度度刀具材料料42.1..1切削削加工的的基本概概念一、工件件加工表表面在切削过过程中工工件上通通常存在在着三个个不断变化化的表面待加工表表面工件上即即将切除除的表面面已加工表表面工件上已已经切除除而形成成的新表表面过渡表面面工件上正正在切削削的表面面，介于于已加工工表面和和待加工工表面之之间52.1..1切削削加工的的基本概概念以车削外外圆为例例：工件件做旋转转运动，，刀具作作纵向直直线运动动，形成成了工件件的外圆圆表面。。在新的的表面的的形成过过程中，，工件上上有三个个依次变变化的表表面切除多余余金属后后形成的的表面处于已加加工表面面与待加加工表面面之间，，与主切切削刃正正对即将被切切除金属属层的表表面62.1..1切削削加工的的基本概概念二、切削削运动刀具与工工件间的的相对运动(表面成形形运动)，从而切切除多余余金属，，使工件件获得所所需要求求的形状状和精度度

切削运动动可分为为主运动和进给运动动。主运动和和进给运运动的向向量和称称合成切削削运动72.1..1切削削加工的的基本概概念以外圆车车削为例例主运动工件的回回转运动动使新的金金属层不不断投入入切削过过程并使使其在所所需方向向上继续续下去的的运动切削速度度进给速度度合成切削削运动速速度Ve=Vc+Vf8注释:1、主运动可可以是旋旋转运动动，也可可以是往往复运动动；2、主运动可可以是工工件来实实现（车车外圆））,主运动也也可以以是刀具具来实现现（钻孔孔、切断断、刨、、铣加工工）;3、主运动只只有一个个，进给给运动可可以一个个以上。。92.1..1切削削加工的的基本概概念三、切削削用量切削速度度vC：切削刃相相对于工工件的主主运动速速度(m/s)主运动为为旋转运运动，计计算公式式为：主运动为为往复直直线运动动，计算算公式为为：dw－工件待加加工表面面或刀具具的最大大直径n－工件或刀刀具每分分钟转数数L－往复直线线运动的的行程长长度nr－主运动每每分钟的的往复次次数102.1..1切削削加工的的基本概概念三、切削用量量进给量f：在主运动动每转一一转或每每一行程程时(或单位时时间内)，刀具与与工件之之间沿进进给运动动方向的的相对位位移Vƒ=ƒn=ƒzzn112.1..1切削削加工的的基本概概念ap=(dw-dm)/2mm三、切削用用量背吃刀量量ap：刀具切削削刃与工工件的接接触长度度在同时时垂直于于主运动动和进给给运动的的方向上上的投影影值对外圆车车削：对钻孔：：ap=dm/2mm122.1..1切削削加工的的基本概概念思考题确定下列列加工方方法的切削用量量a)车外圆b)车端面c)切槽13车外圆车端面切槽2.1..1切削削加工的的基本概概念思考题确定下列列加工方方法的切削用量量142.1..1切削削加工的的基本概概念思考题确定下列列加工方方法的切削用量量152.1..1切削削加工的的基本概概念例题车外圆时时工件加加工前直直径为62mm，加工后直直径为56mm，工件转速速为4r/s。刀具每秒秒钟沿工工件轴向向移动2mm，工件加工工长度为为110mm，切入长度度为3mm。求v、f、ap和切削工工时t。16例题解答答解：v=∏dn/1000==∏62×4/1000==0..779m/sf=vf/n=2//4=0.5mm/rap=(dw-dm)/2=(62--56))/2==3mmt=(l+l1+l2)/vf=(110++3+0)//2==56.5sl:工件加工工长度l1:工件切入入长度l2:工件切出出长度车外圆时时工件加加工前直直径为62mm，加工后后直径为为56mm，工件转转速为4r/s。刀具每每秒钟沿沿工件轴轴向移动动2mm，工件加加工长度度为110mm，切入长长度为3mm。求v、f、ap和切削工工时t。172.1..1切削削加工的的基本概概念四、切削层参参数由切削刃刃正在切切削的这这一层金金属叫作作切削层。切削层层的截面尺寸寸称为切削层参参数。它决定定了刀具具切削部部分所承承受的负荷和切切屑尺寸寸的大小小，通常常在基面面Pr内度量。。1.切削厚度度ac(λs=0))ac＝fsinκr2.切削宽度度awaw＝ap/sinκr3.切削层面积Ac(=0)

Ac＝ac

aw＝f

ap182.1..2刀具具几何角角度刀具切削削部分的的构造确定刀具具角度的的参考平平面刀具的标标注角度度刀具的工工作角度度下面以外外圆车刀刀为例，，给出刀刀具几何何参数方方面的有有关定义义。192.1..2刀具具几何角角度一、刀具切削削部分的的构造刀具上承承担切削削工作的的部分称称为刀具具的切削削部分外圆车刀刀是最基基本、最最典型的的切削刀刀具，其其切削部部分（又又称刀头头）组成成可用一一句话总总结：“三面两两刃一尖尖”202.1..2刀具具几何角角度前刀面Ar主后刀面副后刀面主切削刃副切削刃“三面两刃刃一尖”切屑流过过的表面面前刀面和和副后刀刀面相交交的部分分主切削刃刃和副切切削刃相相交的部部分前刀面和和后刀面面相交的的部分与工件过过渡表面面相对的的表面工件已加加工表面面相对的的表面212.1..2刀具具几何角角度一、刀具切削削部分的的构造222.1..2刀具具几何角角度基面Pr通过切削削刃选定定点，垂垂直于主主运动方方向的平平面。通常，，基面应应平行或或垂直于于刀具上上便于制制造、刃刃磨和测测量的某某一安装装定位平平面或轴轴切削平面面Ps通过切削削刃选定定点，与与主切削削刃相切切并垂直直于基面面Pr的平面即主切削削刃与切切削速度度方向构构成的平平面正交平面面Po通过切削削刃选定定点，同同时垂直直于Pr和切削平平面Ps的平面二、刀具标注注角度参参考系232.1..2刀具具几何角角度三、刀具的标标注角度度在刀具的的标注角角度参考考系中确确定的切切削刃与与刀面的的方位角角度，称称为刀具具标注角角度。如果切削削刃是曲曲线或前前、后刀刀面是曲曲面的情情况下，，定义刀刀具的角角度时，，应该用用通过切切削刃选选定点的的切线或或切平面面代替曲曲刃或曲曲面24外圆车刀刀正交平平面参考考的标注注角度2.1..2刀具具几何角角度252.1..2刀具具几何角角度26外圆车刀刀正交平平面参考考的标注注角度2.1..2刀具具几何角角度正交平面面基面Pr切削平面面ß＋γ0＋α0＝900272.1..2刀具具几何角角度主偏角Kr和副偏角K’rkr主偏角Kr：基面中测测量的主主切削刃刃在基面面的投影影与进给给运动方方向的夹夹角副偏角K’r：基面中测测量的副副切削刃刃在基面面的投影影与进给给运动反反方向的的夹角282.1..2刀具具几何角角度主偏角Kr对加工性性能的影影响KrAc从而影响响散热影影响响刀具的的耐用度度29但是Kr过小使工工件受力力变大，，导致工工件变形形2.1..2刀具具几何角角度主偏角改改变时，，径向切切削力的的变化图图主偏角Kr对加工性性能的影影响302.1..2刀具具几何角角度副偏角K’r对加工性性能的影影响副偏角对对残留面面积高度度的影响响图K’r影响已加加工表面面的表面面粗糙度度，减小小副偏角角可使已已加工表表面光洁洁31车削时工工件表面面的残留留面积2.1..2刀具具几何角角度主、副偏偏角对加工性性能的影影响32注意：车外圆与与车端面面主、副副偏角的的变化33342.1..2刀具具几何角角度刃倾角λs:刃倾角λs是主切削削刃与基基面的夹夹角,影响切屑屑的流出出方向352.1..2刀具具几何角角度刃倾角λs:刃倾角对对刀尖强强度的影影响362.1..2刀具具几何角角度直角切削削：λs＝0的切削，，主切削削刃与切切削速度度方向垂垂直斜角切削削：λs≠0的切削，，主切削削刃与切切削速度度方向不不垂直37外圆车刀刀正交平平面参考考的标注注角度2.1..2刀具具几何角角度38392.1..2刀具具几何角角度四、刀具的工工作角度度进给运动动对刀具具工作角角度的影影响（1）横向进进给运动动的影响响γoe=γo＋μαoe=αo－μtanμ＝f/πd①当进给给量f一定时，，随d值↓—μ值↑，接近中心心αoe为负值②当f↑—μ值↑横车时f不宜过大大，并应适当当加大αo402.1..2刀具具几何角角度四、刀具的工工作角度度进给运动动对刀具具工作角角度的影影响（2）纵向进进给运动动的影响响γoe=γo＋μαoe=αo－μtanμ＝tanμfsinκr＝fsinκr/(πdw)f↑或dw↓时，μf、μ均↑车削右螺螺纹时左左侧刃应应↑αo(α左8°α右2°))右刃应↑↑γo车右螺纹纹时左侧侧刃γfe=γf＋μfαfe=αf－μftanμf＝f/πdw412.1..2刀具具几何角角度γpe=γp＋θpαpe=αp－θptanθp＝h/γoe=γo＋θαoe=αo－θtanθθ＝tanθθpcosκκr假定车刀刀λs＝0,刀尖高于于工件中中心若刀尖低低于工件件中心，，角度变化化与上述述相反四、刀具的工工作角度度刀具安装装位置对对工作角角度的影影响（1）刀具安装装高低的的影响422.1..2刀具具几何角角度四、刀具的工工作角度度刀具安装装位置对对工作角角度的影影响（2）刀杆中心心线与进进给方向向不垂直直的影响响=+G

=-G=-G

=+G432.1..2刀具具几何角角度思考：基基面Pr与工作基基面Pre的不同基面Pr是通过切切削刃上上选定点点且垂直直于假定定主运动动方向的的平面；；工作基面面Pre是通过切切削刃上上选定点点，垂直直于合成成切削运运动方向向的平面面。二者的不不同点在在于前者者的主运运动方向向是假定定的，而而后者的的合成切切削运动动方向是是实际存存在的。。442.1..2刀具具几何角角度思考：前角γo与工作前前角γoe的不同前角γo是在正交交平面Po上测量的的前面Aγ与基面Pr之间的夹夹角；工作前角角γoe是在工作作正交平平面Poe中测量的的前面Aγ与工作基基面Pre之间的夹夹角。二者的差差异在于于定义刀刀具角度度参考系系的三个个基准平平面都不不同，原原因还在在于静止止参考系系的基准准轴线是是假定的的，而工工作参考考系的基基准是实实际存在在的合成成切削运运动与进进给运动动。452.1..3刀具具材料刀具的切切削性能能决定于于刀具结结构、切切削部分分的材料料和几何何参数（一）刀具具材料必必须具备备的性能能高的硬度度和耐磨磨性常温硬度度60HRC以上，耐耐磨性是是硬度、、组织织结构及及化学性能等等的综合合反映足够的强强度和冲冲击韧性性高耐热性性高温硬度度、强度度、耐磨磨性，抗抗氧化性性、抗扩扩散粘结结性等良好的工工艺性锻造性能能、磨削削性能、、热处理理性能等等经济性462.1..3刀具具材料上述性能能中有些些是相互互矛盾的的(如硬度越越高，耐耐磨性越越好的材材料的韧韧性和抗抗破损能能力就越越差，耐耐热性好好的材料料韧性也也较差)。实际工工作中，，应根据据具体的的切削对对象和条条件，选选择最合合适的刀刀具材料料。472.1..3刀具具材料（二）常常用刀具具材料的的种类及及特性碳素工具钢、、合金工工具钢、、高速钢、、硬质合合金、陶瓷、金金刚石、、立方氮氮化硼等等482.1..3刀具具材料（二）常常用刀具具材料的的种类及及特性高速钢:具有较高高的热稳稳定性，，具有高高的强度度和韧性性，具有有一定的的硬度和和耐磨性性。广泛泛用于制制造中速速切削及及形状复复杂的刀刀具，如如麻花钻钻、铣刀刀、拉刀刀、各种种齿轮加加工工具具。（1）通用型型高速钢钢（含碳量量0.7～0.9%%，62～66HRC）主要用于于一般材材料的常常规加工工，速度度不高于于50m//min（2）高性能能高速钢钢（增加碳量量钒量，，添加钴钴铝等66～70HRC）主要用于于难加工工材料的的加工，，加工普普通材料料可达90m//min为了提高高高速钢钢的硬度度和耐磨磨性，常常用如下下措施来来提高其其性能：：在高速钢钢中增添添新的元元素；用粉末冶冶金法消消除碳化化物的偏偏析并细细化晶粒粒。49502.1..3刀具具材料（二）常常用刀具具材料的的种类及及特性高速钢512.1..3刀具具材料（二）常常用刀具具材料的的种类及及特性硬质合金金：强度和韧韧性小于于高速钢钢，工艺艺性差，，但耐热热性好，，适于制制造高速速切削刀刀具。为了克服服常用硬硬质合金金强度和和韧性低低、脆性性大、易易崩刃的的缺点，，常采用用如下措措施改善善其性能能：调整化学学成分可可以使硬硬质合金金既有高高的硬度度又有好好的韧性性细化合金金的晶粒粒采用涂层层刀片522.1..3刀具具材料（二）常常用刀具具材料的的种类及及特性材材料硬质合金金分类YG(K)类YT(P)类YW(M)类短切屑黑黑色金属属加加工长长切屑的的钢钢材材、铸铁铁等有色金属属,非金属黑色金属属有有色色金属,非金属WC+CoWC+TiC+CoWC+TiC+TaC+Co53常用硬质质合金牌牌号及应应用范围围牌号应用范围YG3硬度、抗弯耐磨强度、性、韧性、切削进给速度量铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工，无冲击YA6冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工，YG6铸铁、有色金属、高温合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属、高温合金粗加工，可用