燕山大学机械课件-金属切削原理与刀具选择-切削机床与刀片

燕山大学机械课件-金属切削原理与刀具选择-切削机床与刀片本课件旨在全面介绍金属切削的原理、刀具的选择以及切削机床与刀片的应用。通过本课程的学习，学生将掌握金属切削的基本理论、切削工艺的分类、切削加工的基本过程，以及切削作用下工件和刀具的变形规律。同时，还将深入了解切屑的形成和流动、切削力的产生和计算、切削温度的测量和分析、切削液的作用和选择，为后续的机械设计与制造奠定坚实的基础。课程目标本课程旨在培养学生对金属切削原理的深刻理解和对刀具、机床选择的实际应用能力。通过系统学习，学生应能够掌握金属切削的基本理论，熟悉各种切削工艺的特点，理解刀具材料、几何形状及磨损机理，并能根据实际加工需求合理选择刀具和机床。同时，课程还注重培养学生的实践能力，使其能够进行数控系统的编程、机床的安装调试及维护保养，最终达到理论与实践相结合的教学目标。理论基础掌握金属切削的基本理论和概念。刀具选择能够根据材料和工艺选择合适的刀具。机床应用熟练操作和维护各种切削机床。金属切削的基本原理金属切削是一种利用刀具从工件上移除材料，从而获得所需形状、尺寸和表面质量的加工方法。其基本原理涉及切削力、切削速度、进给量和切削深度的相互作用。切削过程中，刀具通过施加切削力克服材料的结合力，使工件材料发生塑性变形并形成切屑。切削速度的选择直接影响切削温度和刀具磨损，进给量和切削深度则决定材料的去除效率和表面粗糙度。理解这些基本原理对于优化切削工艺、提高加工效率至关重要。切削力刀具与工件之间的作用力。切削速度刀具相对于工件的运动速度。进给量刀具每次切削的材料量。切削工艺的分类切削工艺可根据不同的分类标准进行划分。按加工方式可分为车削、铣削、钻削、镗削、磨削等；按刀具运动轨迹可分为连续切削和断续切削；按切削温度可分为冷切削和热切削；按切削速度可分为高速切削、低速切削和超高速切削。不同的切削工艺适用于不同的工件材料和加工要求，选择合适的切削工艺是保证加工质量和效率的关键。此外，随着技术的发展，一些新型切削工艺如电火花线切割、激光切割等也逐渐得到应用。车削主要用于加工回转体零件。铣削适用于加工各种复杂形状的零件。钻削用于在工件上加工孔。磨削可获得高精度和低表面粗糙度的零件。切削加工的基本过程切削加工的基本过程通常包括粗加工和精加工两个阶段。粗加工阶段的主要目标是快速去除工件上的大部分余量，以接近所需的形状和尺寸。此阶段通常采用较大的切削深度和进给量，但表面质量相对较差。精加工阶段则是在粗加工的基础上，通过较小的切削深度和进给量，提高工件的尺寸精度和表面光洁度。在实际加工中，还需要考虑切削液的使用、刀具的冷却和润滑等因素，以保证加工质量和效率。1精加工提高精度和表面光洁度2半精加工为精加工做准备3粗加工快速去除大部分材料切削作用下工件和刀具的变形在切削过程中，由于切削力的作用，工件和刀具都会发生不同程度的变形。工件的变形主要包括弹性变形和塑性变形，弹性变形会在切削结束后恢复，而塑性变形则会影响工件的最终尺寸和形状精度。刀具的变形主要包括弹性变形和磨损，弹性变形会影响切削精度，而磨损则会降低刀具的使用寿命。了解工件和刀具的变形规律，可以采取相应的措施来减小变形，提高加工精度和效率。工件变形弹性变形和塑性变形。刀具变形弹性变形和磨损。切屑的形成和流动切屑是金属切削过程中产生的废料，其形成和流动方式直接影响切削过程的稳定性和加工质量。根据切削条件和工件材料的不同，切屑可分为带状切屑、崩碎切屑、节状切屑和螺旋状切屑等。带状切屑通常在塑性较好的材料高速切削时形成，崩碎切屑则在脆性材料低速切削时形成。控制切屑的形成和流动，可以减少刀具磨损，提高表面质量，保证加工安全。切屑的及时排除也是保证切削过程顺利进行的重要环节。1带状切屑塑性材料高速切削时形成。2崩碎切屑脆性材料低速切削时形成。3节状切屑材料塑性较差时形成。切削力的产生和计算切削力是金属切削过程中刀具与工件之间相互作用的力，其大小和方向直接影响切削过程的稳定性和加工质量。切削力主要包括主切削力、背向力和进给力三个分力。主切削力是切削力的主要组成部分，其方向与切削速度方向一致；背向力垂直于主切削力方向，主要作用是克服材料的变形阻力；进给力则与进给方向一致，主要作用是推动刀具前进。精确计算切削力对于刀具和机床的选择、切削参数的优化以及切削过程的控制至关重要。1主切削力与切削速度方向一致。2背向力垂直于主切削力方向。3进给力与进给方向一致。切削温度的测量和分析切削温度是金属切削过程中刀具和工件接触区域的温度，其高低直接影响刀具的磨损和工件的表面质量。切削温度的测量方法主要有热电偶法、红外辐射法和人工金相法等。热电偶法是将热电偶埋入刀具或工件内部进行测量，红外辐射法则是利用红外测温仪测量刀具或工件表面的温度。通过对切削温度的测量和分析，可以了解切削过程的热效应，优化切削参数，降低刀具磨损，提高加工质量。热电偶法测量刀具或工件内部温度。1红外辐射法测量刀具或工件表面温度。2人工金相法观察金相组织变化。3切削液的作用和选择切削液是在金属切削过程中使用的辅助液体，其主要作用是冷却、润滑、清洗和防锈。冷却作用可以降低切削温度，减少刀具磨损和工件变形；润滑作用可以减小刀具与工件之间的摩擦，降低切削力；清洗作用可以清除切屑和磨粒，保持切削区域的清洁；防锈作用可以防止工件和机床生锈。切削液的选择需要根据工件材料、切削工艺和刀具材料等因素综合考虑，以达到最佳的切削效果。冷却降低切削温度。润滑减少刀具与工件之间的摩擦。清洗清除切屑和磨粒。防锈防止工件和机床生锈。刀具材料的发展刀具材料是影响切削性能和刀具寿命的关键因素。随着科技的进步，刀具材料也在不断发展。早期的刀具材料主要有高速钢和硬质合金，高速钢具有较高的韧性和耐磨性，但耐热性较差；硬质合金具有较高的硬度和耐磨性，但韧性较差。近年来，陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和金刚石刀具等新型刀具材料逐渐得到应用，这些材料具有更高的硬度、耐磨性和耐热性，适用于高速切削和难加工材料的切削。高速钢韧性好，耐磨性高，但耐热性差。硬质合金硬度高，耐磨性好，但韧性差。陶瓷刀具硬度高，耐磨性好，耐热性好。刀具的几何形状设计刀具的几何形状对切削性能和加工质量有重要影响。刀具的几何参数主要包括前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角等。前角影响切削力和切削温度，后角影响刀具的耐磨性，主偏角影响切屑的形成和流动，副偏角影响工件的表面质量，刃倾角影响切削过程的稳定性。合理的刀具几何形状设计可以减小切削力，降低切削温度，提高刀具寿命和加工质量。此外，刀具的断屑槽设计也有助于控制切屑的流动和排除。前角影响切削力和切削温度。后角影响刀具的耐磨性。主偏角影响切屑的形成和流动。刀具的磨损机理刀具磨损是金属切削过程中不可避免的现象，其主要原因是切削力、切削温度和摩擦等因素的作用。刀具磨损的主要形式有磨粒磨损、扩散磨损、氧化磨损、粘着磨损和疲劳磨损等。磨粒磨损是由于硬质磨粒在刀具表面划擦造成的；扩散磨损是由于刀具材料与工件材料之间发生原子扩散造成的；氧化磨损是由于刀具材料在高温下发生氧化反应造成的；粘着磨损是由于刀具材料与工件材料之间发生粘着现象造成的；疲劳磨损是由于刀具材料在循环应力作用下发生疲劳破坏造成的。了解刀具的磨损机理，可以采取相应的措施来减缓磨损，延长刀具寿命。磨粒磨损硬质磨粒在刀具表面划擦。扩散磨损刀具材料与工件材料之间发生原子扩散。氧化磨损刀具材料在高温下发生氧化反应。刀具的使用寿命和更换刀具的使用寿命是指刀具从开始使用到失效所经历的时间或切削长度。刀具的使用寿命是衡量刀具性能的重要指标，其长短直接影响加工成本和生产效率。刀具的失效标准通常是根据刀具的磨损程度或加工质量来确定的。当刀具的磨损达到一定程度或加工质量无法满足要求时，就需要及时更换刀具。合理的刀具更换策略可以保证加工质量，提高生产效率，降低加工成本。刀具管理也是刀具使用寿命管理的重要组成部分。1刀具磨损达到预定磨损量。2加工质量无法满足要求。3刀具断裂发生意外断裂。刀具的选择原则刀具的选择是金属切削加工中的重要环节，直接影响加工质量、生产效率和加工成本。刀具的选择原则主要包括以下几个方面：首先，要根据工件材料的性质选择合适的刀具材料；其次，要根据切削工艺的要求选择合适的刀具类型；第三，要根据机床的性能选择合适的刀具尺寸；第四，要根据加工质量的要求选择合适的刀具几何参数；第五，要考虑刀具的经济性，选择性价比高的刀具。此外，还要考虑刀具的通用性和互换性，以便于刀具的管理和更换。1工件材料选择与材料相适应的刀具。2切削工艺选择满足工艺要求的刀具。3机床性能选择与机床相匹配的刀具。车削加工的主要刀具种类车削加工是金属切削加工中最常用的方法之一，其主要刀具种类包括车刀、镗刀、螺纹刀和成型刀等。车刀主要用于加工外圆、内孔、端面和台阶面等；镗刀主要用于扩大和精加工孔；螺纹刀主要用于加工螺纹；成型刀主要用于加工复杂形状的零件。不同类型的车刀具有不同的几何形状和切削性能，适用于不同的车削加工要求。选择合适的车刀类型可以提高车削加工的效率和质量。数控车床刀具的选择也需要考虑机床的特点。车刀用于加工外圆、内孔等。镗刀用于扩大和精加工孔。螺纹刀用于加工螺纹。铣削加工的主要刀具种类铣削加工是一种高效、灵活的金属切削加工方法，其主要刀具种类包括铣刀、立铣刀、端铣刀和三面刃铣刀等。铣刀主要用于加工平面和沟槽；立铣刀主要用于加工侧面和轮廓；端铣刀主要用于加工曲面和复杂形状；三面刃铣刀主要用于加工窄而深的沟槽。不同类型的铣刀具有不同的切削性能和适用范围，选择合适的铣刀类型可以提高铣削加工的效率和质量。数控铣床刀具的选择需要考虑机床的运动方式。铣刀加工平面和沟槽。立铣刀加工侧面和轮廓。端铣刀加工曲面和复杂形状。钻孔加工的主要刀具种类钻孔加工是在工件上加工孔的常用方法，其主要刀具种类包括麻花钻、中心钻、深孔钻和扩孔钻等。麻花钻是最常用的钻孔刀具，适用于加工普通孔；中心钻主要用于钻孔前的定位；深孔钻主要用于加工深孔；扩孔钻主要用于扩大孔的直径和提高孔的精度。不同类型的钻头具有不同的几何形状和切削性能，选择合适的钻头类型可以提高钻孔加工的效率和质量。钻孔加工的排屑也是一个需要关注的问题。1麻花钻加工普通孔2中心钻钻孔前定位3深孔钻加工深孔镗孔加工的主要刀具种类镗孔加工是一种精密的孔加工方法，主要用于扩大孔的直径和提高孔的精度，其主要刀具种类包括单刃镗刀、双刃镗刀和可调镗刀等。单刃镗刀结构简单，适用于小孔的镗削；双刃镗刀切削平稳，适用于大孔的镗削；可调镗刀可以调节切削直径，适用于不同尺寸孔的镗削。选择合适的镗刀类型可以提高镗孔加工的效率和质量。镗孔加工通常需要较高的机床精度和稳定性。1可调镗刀可调节切削直径2双刃镗刀切削平稳，适用于大孔3单刃镗刀结构简单，适用于小孔刨削加工的主要刀具种类刨削加工是一种传统的金属切削加工方法，主要用于加工平面、沟槽和成型面等，其主要刀具种类包括直角刨刀、斜角刨刀和成型刨刀等。直角刨刀结构简单，适用于加工平面；斜角刨刀切削平稳，适用于加工沟槽；成型刨刀主要用于加工复杂形状的零件。刨削加工的生产效率较低，但适用于加工大型零件和难以装夹的零件。随着数控技术的发展，刨削加工逐渐被铣削加工所取代。直角刨刀加工平面1斜角刨刀加工沟槽2成型刨刀加工复杂形状零件3研磨加工的主要刀具种类研磨加工是一种高精度的精加工方法，主要用于提高工件的表面光洁度和尺寸精度，其主要刀具种类包括研磨轮、研磨盘和研磨棒等。研磨轮通常由磨粒和结合剂组成，适用于加工平面和外圆；研磨盘适用于加工平面；研磨棒适用于加工内孔。研磨加工的磨削量很小，但可以获得很高的表面质量。研磨加工广泛应用于精密零件和光学零件的加工。研磨轮加工平面和外圆。研磨盘适用于加工平面。研磨棒适用于加工内孔。切削机床的基本结构和功能切削机床是进行金属切削加工的设备，其基本结构主要包括床身、主轴箱、进给机构和控制系统等。床身是机床的基础，用于支撑和连接其他部件；主轴箱用于安装和驱动刀具或工件；进给机构用于控制刀具或工件的运动；控制系统用于控制机床的运行。不同类型的切削机床具有不同的结构和功能，适用于不同的切削加工要求。数控机床的控制系统更加复杂，可以实现自动化加工。1床身支撑和连接其他部件。2主轴箱安装和驱动刀具或工件。3进给机构控制刀具或工件的运动。滑动副和转动副的选择滑动副和转动副是切削机床中常用的运动副，其选择直接影响机床的精度和稳定性。滑动副主要用于实现直线运动，其选择需要考虑摩擦、磨损和精度等因素；转动副主要用于实现回转运动，其选择需要考虑刚度、精度和平衡等因素。合理的滑动副和转动副选择可以提高机床的精度和稳定性，保证加工质量。滚动导轨和滚动轴承是常用的滑动副和转动副元件。滑动副直线运动，考虑摩擦、磨损和精度。转动副回转运动，考虑刚度、精度和平衡。切削机床的基本性能指标切削机床的性能指标是衡量机床性能的重要参数，主要包括精度、刚度、稳定性、效率和可靠性等。精度是指机床加工零件的尺寸精度和表面精度；刚度是指机床抵抗变形的能力；稳定性是指机床在工作过程中保持稳定运行的能力；效率是指机床单位时间内加工零件的数量；可靠性是指机床在规定的时间内正常运行的概率。选择切削机床需要根据加工要求综合考虑这些性能指标，以保证加工质量和生产效率。精度尺寸精度和表面精度。刚度抵抗变形的能力。稳定性保持稳定运行的能力。数控机床的特点和分类数控机床是一种采用数字控制技术实现自动化加工的机床，其主要特点是加工精度高、生产效率高、自动化程度高和适应性强。数控机床可以加工各种复杂形状的零件，并且可以实现批量生产。数控机床的分类方法很多，按控制方式可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床；按功能可分为数控车床、数控铣床、数控钻床和数控磨床等。数控技术是现代制造业的重要组成部分。精度高加工精度高，质量稳定。效率高生产效率高，节约时间。自动化自动化程度高，减少人工干预。数控系统的组成和工作原理数控系统是数控机床的核心组成部分，其主要功能是控制机床的运动和操作。数控系统主要由输入装置、数控装置、伺服系统和反馈装置等组成。输入装置用于将加工程序输入到数控系统中；数控装置用于对加工程序进行处理和控制；伺服系统用于驱动机床的运动部件；反馈装置用于检测机床的运动状态并将信息反馈给数控装置。数控系统的工作原理是根据加工程序控制机床的运动，从而实现自动化加工。1数控装置控制核心2伺服系统驱动执行3输入输出数据交互数控系统的编程方法数控系统的编程方法是数控加工的重要环节，主要包括手工编程和自动编程两种方法。手工编程是指由人工编写加工程序，需要掌握数控指令和编程规则；自动编程是指利用CAD/CAM软件自动生成加工程序，可以提高编程效率和加工质量。常用的数控编程语言有G代码和M代码，G代码用于控制机床的运动，M代码用于控制机床的辅助功能。数控编程需要考虑刀具轨迹、切削参数和安全等因素。1手工编程人工编写程序2自动编程软件自动生成数控机床的安装和调试数控机床的安装和调试是保证机床正常运行的重要环节。数控机床的安装需要选择合适的安装地点，保证机床的水平和稳定；数控机床的调试需要检查机床的各个部件是否正常工作，调整机床的参数，进行试切削。数控机床的安装和调试需要专业的技术人员进行，并且需要严格按照机床的安装和调试手册进行操作。正确的安装和调试可以保证机床的精度和稳定性，提高加工质量。安装选择合适的地点，保证水平和稳定。调试检查部件，调整参数，进行试切削。数控机床的维护和保养数控机床的维护和保养是延长机床使用寿命的重要措施。数控机床的维护主要包括定期检查机床的各个部件，及时更换磨损的零件，保持机床的清洁；数控机床的保养主要包括定期润滑机床的运动部件，防止机床生锈，保持机床的良好状态。数控机床的维护和保养需要定期进行，并且需要按照机床的维护和保养手册进行操作。正确的维护和保养可以保证机床的精度和稳定性，延长机床的使用寿命。定期检查检查各个部件，及时更换零件。定期润滑润滑运动部件，防止生锈。切削机床的选型原则切削机床的选型是金属切削加工中的重要环节，直接影响加工效率、加工质量和加工成本。切削机床的选型原则主要包括以下几个方面：首先，要根据工件的材料、尺寸和形状选择合适的机床类型；其次，要根据加工的精度要求选择合适的机床精度；第三，要根据生产的批量大小选择合适的机床自动化程度；第四，要考虑机床的经济性，选择性价比高的机床；第五，要考虑机床的通用性和适应性，以便于加工不同类型的零件。工件材料选择与材料相适应的机床。精度要求选择满足精度要求的机床。自动化程度选择合适的自动化程度。切削机床的主要类型及特点切削机床的类型繁多，常见的有车床、铣床、钻床、磨床、刨床、镗床等。车床主要用于加工回转体零件；铣床主要用于加工平面和曲面；钻床主要用于加工孔；磨床主要用于提高零件的表面光洁度和尺寸精度；刨床主要用于加工平面；镗床主要用于加工孔。不同类型的切削机床具有不同的特点和适用范围，选择合适的机床类型可以提高加工效率和加工质量。复合加工机床是现代机床的发展方向。1车床加工回转体零件。2铣床加工平面和曲面。3钻床加工孔。刀片的主要材料和种类刀片是切削刀具的重要组成部分，其材料和种类直接影响切削性能和刀具寿命。刀片的主要材料有高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料等。高速钢刀片韧性好，适用于低速切削；硬质合金刀片硬度高，适用于高速切削；陶瓷刀片耐磨性好，适用于难加工材料的切削；超硬材料刀片硬度极高，适用于高精度和超高速切削。刀片的种类繁多，常见的有整体式刀片、焊接式刀片和机夹式刀片等。选择合适的刀片材料和种类可以提高切削效率和加工质量。1高速钢韧性好，低速切削2硬质合金硬度高，高速切削3陶瓷刀片耐磨，难加工材料刀片的几何形状和尺寸刀片的几何形状和尺寸对切削性能和加工质量有重要影响。刀片的几何形状主要包括前角、后角、刃倾角和主偏角等，这些角度会影响切削力、切削温度和切屑的形成。刀片的尺寸主要包括刀片的长度、宽度和厚度，这些尺寸会影响刀片的刚度和强度。选择合适的刀片几何形状和尺寸可以减小切削力，降低切削温度，提高刀具寿命和加工质量。刀片的槽型也会影响切屑的断屑性能。前角影响切削力和切削温度。后角影响刀具的耐磨性。刃倾角影响切削过程的稳定性。刀片的安装和固定刀片的安装和固定是保证切削加工稳定性的重要环节。刀片的安装需要选择合适的刀杆和刀垫，保证刀片与刀杆的紧密配合；刀片的固定需要采用合适的夹紧方式，保证刀片在切削过程中不松动或移位。常用的刀片夹紧方式有螺钉夹紧、压板夹紧和楔块夹紧等。正确的刀片安装和固定可以提高切削加工的精度和稳定性，防止刀片损坏和工件报废。刀片安装工具的选择也很重要。选择刀杆与刀片匹配1选择刀垫保证刀片与刀杆紧密配合2夹紧刀片采用合适的夹紧方式3刀片的刃磨与修复刀片的刃磨与修复是延长刀片使用寿命的重要手段。刀片的刃磨是指对刀片进行重新刃磨，使其恢复锋利的切削刃；刀片的修复是指对损坏的刀片进行修复，使其恢复正常的切削性能。刀片的刃磨与修复需要采用专业的刃磨设备和修复技术，并且需要严格按照刃磨和修复工艺进行操作。正确的刃磨与修复可以延长刀片的使用寿命，降低刀具成本，提