项目1金属切削加工基础知识

项目1

金属切削加工基础知识机械制造技术(任务)目录

任务一

认识金属切削加工1任务二正确选择使用刀具2

任务三了解金属切削过程及其基本规律3任务五熟悉机床型号及其主要技术指标5任务四合理选择切削用量4任务六阅读机床传动系统图6机械制造技术任务一认识金属切削加工轴套材料：45任务引入机械制造技术知识链接金属切削加工利用刀具（或砂轮）从工件毛坯上切除一层多余的金属，使工件达到规定的几何形状、尺寸精度和表面质量的机械加工方法。机械制造技术1.1零件表面的成形1.1.1零件的表面形状零件的表面形状机械制造技术1.1.2零件表面的成形零件的表面形状1-母线2-导线机械制造技术1.1.3

零件表面的形成方法及所需的成形运动(A)轨迹法点接触轨迹法导线母线母线？导线？机械制造技术(B)成形法切削刃形状与母线形状完全吻合成形法母线？导线？机械制造技术(C)相切法相切法包络线机械制造技术(D)展成法展成法包络线机械制造技术1.2

切削运动与切削时工件加工表面1.2.1主运动工件与刀具产生相对运动进行切削的最基本运动。切削运动：为了切除多余的金属，刀具和工件之间必须具有一定的相对运动。外圆车削平面刨削M1、M2?机械制造技术主运动的速度最高，所消耗功率最大。主运动基本特性切削运动中，主运动只有一个。主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成。主运动可以是旋转运动，也可以是直线运动。机械制造技术1.2.2进给运动使刀具与工件之间产生附加的相对运动，与主运动配合，连续地切除切屑，获得具有所需几何特征的已加工表面。外圆车削平面刨削M2连续还是间断?机械制造技术进给运动一般速度较低，消耗的功率也较少。进给运动基本特性进给运动可由一个或多个运动组成。进给运动可以是连续的，也可以是间断的。机械制造技术1.2.3辅助运动除主运动和进给运动外，完成机床工作循环，还需一些其他的辅助运动，如空行程运动、切入运动、分度运动以及操纵控制运动。机械制造技术1.2.4工件加工过程中的表面S1、S2、S3?(A)待加工表面加工时即将被切除的工件表面。外圆车削平面刨削(B)已加工表面工件上经刀具切削后形成的表面。(C)加工表面工件上被切削刃正在切削的表面。机械制造技术1.3切削用量1.3.1切削速度νc主运动的线速度

(单位，m/min)。dwapdmf切削三要素主运动为回转运动时，切削速度计算公式，机械制造技术d—主运动为回转运动的回转体上选定点的直径（mm）；n—主运动的转速（r/min，rpm）。机械制造技术1.3.2进给量f在主运动每一转或每一行程内，刀具相对工件在进给运动方向上的相对位移量，单位mm/r（用于车削，镗削等）或mm/行程（用于刨削）。dwapdmf切削三要素机械制造技术1.3.3背吃刀量ap

工件上已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，单位mm。dwapf切削三要素dm机械制造技术外圆车削时，dw—工件待加工表面直径（mm）；dm—工件已加工表面直径（mm）。注：钻孔时dm=0。机械制造技术1.4

切削层参数1.4.1切削层公称厚度(切削厚度，hD)垂直于工件加工表面测量的切削层横截面尺寸。刀具切削刃在一次进给中，从工件待加工表面上切除下来的金属层称为切削层。切削层参数hDbD机械制造技术1.4.2切削层公称宽度(切削宽度，bD)平行于工件加工表面测量的切削层横截面尺寸。1.4.3切削层公称横截面面积(切削面积，AD)工件被切下的金属层沿垂直于主运动方向所截取的横截面面积。机械制造技术任务二正确选择使用刀具

任务引入“工欲善其事，必先利其器”“磨刀不误砍柴功”机械制造技术知识链接2.1刀具材料2.1.1刀具切削部分材料的基本要求高硬度常温HRC62，并具有高温硬度足够的强度和韧性足够的抗弯强度和冲击韧度高耐磨性导热性好良好的工艺性可加工性机械制造技术2.1.2常用刀具材料机械制造技术(A)高速工具钢(HighSpeedSteel，HSS)加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，俗称锋钢或白钢。具有较高的硬度（63~66HRC）。具有较高的耐磨性和耐热性（600~650℃）。具有足够的强度和韧性。具有良好的工艺性。机械制造技术高速工具钢已成为主要刀具材料之一，广泛用于制造结构和刃形复杂的整体刀具。高速钢刀具成型车刀螺纹车刀阶梯钻头机械制造技术(B)硬质合金硬度和熔点都很高的金属碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）和金属粘结剂（Co、Ni、Mo等）通过粉末冶金的工艺制备而成。常温下，硬质合金硬度为89~93HRA。耐热性可达800~1000℃。与高速钢相比，其硬度高、耐磨性好、耐热高，允许的切削速度比高速钢高5~10倍。硬质合金性能较脆。机械制造技术钨钴类(WC+Co)硬质合金(YG)由WC和Co组成，具有较高的抗弯强度的韧性，导热性好，但耐热性、耐磨性较差，主要用于加工铸铁、有色金属。钨钛钴类(WC+TiC+Co)硬质合金(YT)高硬度和熔点的TiC加入，比YG具有更高和硬度、耐磨性、红硬性。但导热性能较差，抗弯强度低，主要用于钢材等韧性材料的加工。钨钽钴类(WC+TaC+Co)硬质合金(YA）在YG类硬质合金的基础上添加TaC(NbC)，提高了常温、高温硬度与强度、抗热冲击性和耐磨性，可用于铸铁和不锈钢的加工。机械制造技术2.2刀具的几何角度2.2.1刀具切削部分的组成外圆车刀切削部分的构成与工件加工表面相对的刀具表面前刀面与（主）后刀面的交线前刀面与副后刀面的交线与已加工表面相对的刀具表面连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃切屑流出时经过的刀面机械制造技术2.2.2刀具的几何参数刀具标注角度的静止参考系(A)刀具的静止角度参考系通过主切削刃上某一指定点，与垂直于假定主运动方向的平面Pr通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面Ps通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于基面与切削平面的平面Po机械制造技术(B)外圆车刀的标注角度外圆车刀的标注角度基面中测量的主切削刃和进给运动方向之间的夹角

κr

切削平面内测量的主切削刃与过刀尖所作基面之间的夹角

λs正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角

γo正交平面内后刀面与切削平面之间的夹角

αo副正交平面中测量的副后刀面与副切削平面间的夹角基面中测量的副切削刃与进给运动反方向之间的夹角机械制造技术车刀角度正负的规定车刀角度正负的规定前角、后角刃倾角机械制造技术(C)

刀具的工作角度横向进给运动对刀具工作角度的影响横向进给运动对刀具工作角度的影响横向切削不宜选用过大的进给量，并应适当加大刀具的静止后角。Pre机械制造技术纵向进给运动对刀具工作角度的影响纵向进给运动对刀具工作角度的影响机械制造技术刀尖安装高低对工作角度的影响刀尖高低对工作角度的影响车削外圆时，刀尖高于工件中心(如图)，

γo

、

αo如何变化？若刀尖低于中心，又如何变化？若是镗削内孔，上述两情况下γo

、

αo又如何变化？机械制造技术刀杆中心线安装偏斜对工作角度的影响刀杆中心线安装偏斜对工作角度的影响刀杆中心线右偏(图示)，

κr

、如何变化？若左偏又如何变化？机械制造技术任务三了解金属切削过程及其基本规律任务引入为什么零件的加工质量不同？哪些因素影响最终的加工质量？材料如何从本体上分离下来？分离过程有些什么现象？这些现象有什么规律？如何利用这些规律？机械制造技术知识链接3.1金属切削变形3.1.1切削变形区第Ⅱ变形区第Ⅰ变形区第Ⅲ变形区金属切削过程三个变形区示意图机械制造技术3.1.2切屑的类型(A)带状切屑加工碳钢、合金钢、铜、铝等塑性金属，采用切削速度高、切削厚度较小、刀具前角较大时常见此类切屑。(B)节状切屑切削黄铜或低速切削钢时，容易得到此类切屑。机械制造技术(C)粒状切屑(D)崩碎切屑用较大切削厚度切削铸铁、青铜等脆性金属出现此类切屑。切削铅或很低的速度下切削钢时，得到此类切屑。机械制造技术3.1.3积屑瘤(A)积屑瘤现象积屑瘤机械制造技术(B)积屑瘤形成、生长和脱落过程机械制造技术(C)积屑瘤的作用部分代替刀具进行加工，起到保护刀具，增大前角。造成过切，加剧刀具前刀面的磨损及切削力的波动，影响加工精度和表面粗糙度。积屑瘤对粗加工有利，对精加工则不利。机械制造技术(D)

减小或避免积屑瘤的措施避免采用产生积屑瘤的速度切削。采用大前角刀具切削。提高工件的硬度。其他措施，如减小进给量，减小前刀面的粗糙度值，合理使用切削液等。采用低速或高速切削，避免中速切削（νc≈20m/min）机械制造技术3.2切削力3.2.1切削力的来源、合力、分力(A)来源克服被加工材料对弹性变形的抗力。克服被加工材料对塑性变形的抗力。克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。机械制造技术(B)合力、分力切削力Fc切削力在主运动方向的分力。背向力Fp

切削力在背吃刀方向上的分力。进给力Ff

切削力在进给运动方向上的分力。切削力机械制造技术3.2.2影响切削力的因素(A)工件材料塑性金属，强度、硬度越高，材料的剪切屈服强度越高，切削力越大。脆性材料，塑性变形小，切屑与前刀面摩擦小，切削力小。吃刀量ap↑切削宽度bD、切削面积AD↑(100%)变形抗力和摩擦力↑(100%)切削力Fc↑(100%)。机械制造技术(B)切削用量背吃刀量影响进给量f↑切削面积AD↑(100%)，切削厚度hD↑(100%)平均切削变形↓切削力Fc↑(70-90%)。进给量影响切削加工中，若从切削力角度考虑，加大进给量f比加大背吃刀量ap有利。机械制造技术切削速度影响（塑性材料通过积屑瘤影响）切削速度对切削力的影响加工脆性材料，切削速度基本没有影响。机械制造技术(C)刀具几何参数前角前角对切削力的影响机械制造技术主偏角κγ↑hD↑切削层变形↓F↓。主偏角对切削力的影响κγ↑刀尖圆弧占切削刃比例↑变形和挤压摩擦↑↑F↑。在Κγ=30~60°，

κγ↑hD的影响起主要作用主切削力Fc↓；在κγ=60~90°，

κγ↑刀尖圆弧影响更突出切削力Fc↑。机械制造技术刃倾角刃倾角对切削力的影响λs对切削力Fp、Ff的影响很大，Fp随着λs减小而增大；Ff随着λs减小而减小。λs对Fc影响不大。机械制造技术刀尖圆角半径刀尖圆弧半径rε↑圆弧工作刃↑变形、摩擦↑

切削力↑主要影响Fp、Ff，对Fc影响较小。刀具材料与磨损状况在相同的切削条件下，陶瓷刀具总切削力最小，硬质合金刀具次之，高速钢刀具的总切削力最大。刀具磨损越大，切屑与刀具接触面的摩擦越大，总切削力越大。切削液适宜的切削液，可减小摩擦，减小变形，降低总切削力。机械制造技术3.2.3切削功率切削功率，Kw切削力，N切削速度，m/min(A)切削功率(B)机床功率机床电机功率，Kw机床传动效率，一般取η=0.75~0.85机械制造技术3.3切削热与切削温度切削热和来源和传导3.3.1切削热切削热由切削层金属在刀具作用下发生弹性变形、塑性变形而耗功及切屑与前刀面、工件与后刀面的摩擦产生。车削时，切削热约50%~86%由切屑带走，10%~40%传入工件，3%~9%传入刀具，1%传入周围介质。钻削时，约有28%的切削热由切屑带走，15%传入钻头，52%传入工件，5%传入周围介质。机械制造技术3.3.2切削温度切削温度一般指切屑与刀具前刀面接触区域的平均温度。切削温度的高低，取决于该处产生热量的多少和散热的快慢。二维切削中的温度分布机械制造技术3.3.3影响切削温度的因素(A)切削用量ap↑切削力Fc↑(100%)热量↑(100%)；同时，切削宽度bD↑(100%)、刀具传热面积↑(100%)ap对切削温度的影响很小。背吃刀量f↑切削力Fc↑热量↑进给量f↑切削厚度hD↑切屑带走热量↑，切削宽度bD不变刀具的传热面积↑(<100%)。f对切削温度的影响稍大机械制造技术切削速度νc↑热量↑，刀具散热能力无改变

νc对切削温度的影响最大。机械制造技术(B)刀具几何角度前角对切削温度的影响前角γo↑变形、摩擦热量↓γo↑↑楔角↓散热↓热量↑机械制造技术主偏角主偏角对切削温度的影响γo↑切削厚度hD↑热量↓γo↑刀尖角εr↓，切削宽度bD↓刀具散热能力↓切削温度↑机械制造技术刀尖圆弧半径rε↑切削刃平均主偏角↓、切削宽度bD↑刀具散热能力↑切削温度↓。机械制造技术(C)工件材料强度、硬度、导热系数等。(D)其他因素刀具磨损切削液刀具材料机械制造技术3.4

刀具磨损与刀具耐用度3.4.1刀具的磨损形式(A)前刀面磨损刀具磨损正常磨损、非正常磨损机械制造技术(B)后刀面磨损(C)前、后刀面同时磨损机械制造技术3.4.2刀具的磨损过程刀具后刀面典型磨损曲线机械制造技术3.4.3刀具的磨损标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，此磨损限度称为刀具的磨钝标准。通常，按后刀面磨损宽度制定磨钝标准。粗加工和半精加工，一般取正常磨损阶段终点处的磨损量作为磨钝标准(经济磨损限度)；精加工时，磨钝标准取较小值(工艺磨损限度)。机械制造技术3.4.4刀具耐用度刀具耐用度即指新刃磨的刀具从自开始切削到达到磨损限度所经过的总的切削时间，以T表示，单位为min。刀具总寿命是一把新刀从开始投入切削到报废为止总的切削时间。目前，硬质合金车刀的耐用度约60min，高速钢钻头的耐用度约80~120min，硬质合金铣刀的耐用度为120~180min，齿轮刀具的耐用度为200~300min。机械制造技术任务四合理选择切削用量任务引入任务：有一轴毛坯直径d=50mm，长度320mm，材料45钢，σb=637Mpa；加工要求外圆加工至

mm，表面粗糙度Ra3.2μm；采用焊接式硬质合金外圆车刀（材料YT15，刀杆截面尺寸16mm×25mm）；车刀切削部分几何参数：γo=15°，αo

=8°，κr

=75°，

=10°，λs=0°，rε

=1mm。要求确定该车削工序的切削用量。机械制造技术知识链接4.1金属用量选择原则4.1.1粗加工阶段切削用量选择原则选取尽可能大的吃刀量ap，其次选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度的限制确定合理的切削速度νc。4.1.2精加工阶段切削用量选择原则选择较高的切削速度νc、尽可能大的背吃刀量ap和较小的进给量f。机械制造技术4.2金属用量选择方法4.2.1背吃刀量的选用根据加工余量确定(A)粗加工粗加工时，在保留半精加工和精加工余量的前提下，一般尽可能用一次进给切除全部加工余量。下列情况采用二次或多次走刀：加工余量太大，导致机床动力不足或刀具强度不够加工余量不均匀，断续切削。工艺系统刚度不足等。采用两次走刀时，通常第一次走刀取ap1=（2/3~3/4）加工余量，第二次走刀取ap2=（1/4~1/3）加工余量。机械制造技术(B)半精加工(C)精加工通常，取ap=0.5~2mm。通常，取ap=0.1~0.4mm。机械制造技术