《机械加工技术》配套教案：项目01金属切削的基础知识.docx

项目一金属切削的基础知识一、教学目标任务1金属切削概述1 .了解金属机械切削加工中表面成形与切削运动概念和它们之间的关系。2 .了解切削用量的基本概念。3 .掌握切削层参数的概念。任务2刀具基础知识1 ,了解车刀的组成部分。2 .了解刀具角度的参考系。3 .熟练掌握刀具的标注角度。4 .熟悉刀具材料的性能和种类。5 .掌握刀具材料的选用标准。6 务3金属切削过程中的物理现象1 .了解切削层的3个变形区。2 .熟悉切削的形成过程及受力分析。3 .了解切削用量的选择方法。4 .理解金属切削的常用概念。5 务4金属切削机床的基本知识L 了解机床的几种分类方式。2 .掌握机床型号的编制规则和编制方法。3 .掌握机床运动的形成和成因。4 .理解机床传动的工作原理。二、课时分配本章共4个任务，本章安排6课时。三、教学重点我们通过本项目的实施，了解切削用量的基本概念，熟练掌握刀具的标注角度，熟悉刀 具材料的性能和种类，熟悉切削的形成过程及受力分析，理解金属切削的常用概念，理解机 床传动的工作原理。四、教学难点1 .掌握切削层参数的概念。2 .掌握刀具材料的选用标准。3 .掌握机床型号的编制规则和编制方法。4 .掌握机床运动的形成和成因。五、教学内容任务1金属切削概述活动1切削表面图it切削去而和切削运动3 .金属切削过程中的物理现象金属在切削过程中，会产生切削变形、切削热、积屑瘤以及加工硬化等物理现象。4 .金属切削机床机床按加工性质和所使用刀具不同，可以分为车床、钻床、铳床和拉床等11种类型, 其运动形式有表面成形运动和辅助运动等。七、课后习题完成项目的项目检测。活动2切削运动要使刀具从工件毛坯上切除多余的金属，使其成为具有一定形状和尺寸的零件，刀具和 工件之间必须具有一定的相对运动，这种切削加工过程中的刀具与工件之间的相对运动称为 切削运动。1 .主运动2 .进给运动3 .合成切削运动4 .其他运动活动3切削要素切削要素可分为两大类，即切削用量要素和切削层横截面要素。L切削用量要素(1)切削速度7(2)进给量1X6°背吃刀量(切看度)25 .切削层横截面要素”P切削层是指切削部分的单一动作所切除的工件材料层，规定在刀具的基面中度量。当切 削加工时，切削层指刀具正在切削着的这一层金属。切削层形状和尺寸直接决定了刀具承受 的负荷以及切屑的形状和尺寸。切削层横截面要素包括切削宽度、切削厚度和切削面积3 个要素。(1)切削宽度切削厚度切削面积 任务2刀具基础知识活动1刀具的切削部分虽然市面上的金属刀具种类繁多，但它们切削部分的几何形状与参数都存在共性，即不 论刀具结构如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。1 .车刀的组成2 .刀具角度的参考系(1)正交平面参考系。如图1-5所示，正交平面参考系由以下3个平面组成。PnPn上运动方向(2)法平面参考系。如图1-5所示，法平面参考系由基面pr、切削平面ps和法平面pn 组成。其中，法平面pn是指过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面。(3)假定工作平面参考系。如图6所示，假定工作平面参考系由基面pr、假定工作平 面pf和背平面pp组成。3 .刀具的标注角度刀具的切削性能、锋利程度及强度主要是由刀具的几何角度来决定的。其中前角、后角、 主编角和刃倾角是全切削刃上4个最基本的角度。(1)在正交平面内标注的角度。前角丫 0。在正交平面内度量的前刀面与基面之间的夹角称为前角。后角a Oo在正交平面内度量的后刀面与切削平面之间的夹角称为后角。楔角B Oo在正交平面内度量的前刀面与后刀面之间的夹角称为楔角。/?o = 90° (yo+ao)(2)在切削平面内标注的角度。刃倾角入s是指在切削平面内度量的主切削刃与基面之间的夹角。刀尖位于主切削刃上 最高点时，刃倾角为正；刀尖位于主切削刃上最低点时，刃倾角为负。(3)在基面内标注的角度。主偏角Kr。主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角称为主偏角。副偏角。副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角称为副偏角。刀尖角ero在基面内度量的主切削刃与副切削刃之间的夹角称为刀尖角。er = 180°活动2刀具材料刀具材料的性能好坏是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命的基本因素。目前在金 属切削加工生产中，普遍选择常用的刀具材料，但新型的、超硬的刀具材料正被逐渐采用。 因此，本活动着重介绍通用型高速钢和碳化鸨基硬质合金等常用刀具材料的性质及其选用， 也简单介绍一些陶瓷、立方氮化硼、人造金刚石、氮化硅等新型材料的性质和用途。1 .刀具材料的性能(1)高的硬度。(2)高的耐磨性。(3)足够的强度和韧性。(4)高的耐热性。(5)良好的工艺性。2 .刀具材料的种类目前常用的刀具材料有工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料。一般机械加工使用最 多的是高速钢和硬质合金。(1)高速钢。(2)硬质合金。(3)其他刀具材料。陶瓷。超硬材料。任务3金属切削过程中的物理现象活动1切削层的变形1 .第一变形区始滑移面0A与终滑移面0M之间的变形区称为第一变形区，宽度很窄(0. 020. 2mm), 故常用0M剪切面(也称为滑移面)来表示，它与切削速度的夹角称为剪切角6 o第一变形区变形特点为剪切变形沿着滑移线发生，随之产生加工硬化。2 .第二变形区当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压和摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用下，靠近 前面的切屑底层金属再次产生剪切变形。使切屑底层较薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的 一层金属称为滞流层，这一区域称为第二变形区。3 .第三变形区工件已加工表面受到钝圆弧切削刃的挤压和后面的摩擦，使已加工表面内产生严重变形,已加工表面与后面的接触区称为第三变形区。活动2切削变形的衡量方法1 ,切屑的形成过程图1-9 切屑的形成过程2 .切屑的受力分析图1-10切屑力的来源切削塑性金属时，切屑底层的金属与刀具的前刀面(切屑流出的表面)在高温高压下，存 在着剧烈的摩擦。这层金属由于受到前刀面很大的摩擦阻力，所以它的流动速度较慢。当摩 擦阻力增大到一定程度时，这层流动很慢的金属与切屑分离，而形成一个楔块，黏结在刀刃 附近的前刀面上。这块金属称为积屑瘤，也叫刀瘤。积屑瘤的硬度很高，约为工件材料硬度的3倍，因此，它可以代替刀刃进行切削。当刀 瘤产生时，增大了前角，使切削工作轻快省力。这对粗加工有好处，但刀瘤在切削时，经常 被切屑带走，其高度不断变化，切削厚度就有变化，使切削过程产生振动。刀瘤有时还会嵌 入或黏附在已加工表面上，使已加工表面的表面粗糙度增大。因此，在精加工时，要避免积 屑瘤产生。为避免积屑瘤的产生，可采取以下控制措施。(1)采用高速或低速切削。实践证明，用低于2m/min或高于100 m/min的切削速度切 削中碳钢时，是不会产生积屑瘤的。当切削速度较低或较高时，切削区域的温度也较低或较 高。在此两种条件下，钢与刀具材料的摩擦因数都较小，故不易产生积屑瘤。用中等速度切 削时，切削区域的温度，正好使钢与刀具材料的摩擦因数加大，所以容易产生积屑瘤。切削 区域的温度在300 左右时，积屑瘤的高度最大。(2)增大刀具的前角、研磨刀具的前刀面、使用切削液，都可以减小切削变形和摩擦， 从而避免产生积屑瘤。活动3金属切削的几个常用概念金属切削过程是刀具前面推挤切削层，使其产生切屑和得到需要的加工表面的过程。在切削过程中会出现许多物理现象，如切削变形、切削力、切削热、刀具磨损等。这些 物理现象与加工质量、生产率和制造成本等密切相关。切削过程的金属变形本质上是工件受到刀具推挤后产生弹性和塑性变形，使切削层与母 体金属分离的过程。1 切屑金属切削时，由于工件材料、刀具几何角度、切削用量等的差异，会出现4种不同形态 的切屑。(1)带状切屑。切屑连续，成较长的带状，底面光滑，背面无明显裂纹，呈微小锯齿形。 一般加工塑性金属(如低碳钢、铜、铝等材料)时形成此类切屑，必要时需采取断屑措施。(2)节状切屑。切屑背面有较深的裂纹，呈较大的锯齿形。(3)粒状(单元)切屑。切削塑性材料时，若整个剪切面上的切应力超过了材料断裂强度， 所产生的裂纹贯穿切屑断面时，呈粒状切屑。(4)崩碎切屑。切削铸铁、青铜等脆性材料时，切削层通常在弹性变形后未经塑性变形， 突然崩碎而成为碎粒状切屑。2 .加工硬化经过切削加工的表面，其硬度提高、塑性降低的现象称为加工硬化。硬化层的深度为 0. 070. 5mm,硬度为材料原来硬度的1. 22倍。切削时产生的硬化层，其硬度和深度是很不均匀的，并常常产生细小的裂纹。这对已加 工表面的质量不利。对于还要继续切削的表面，由于硬化层的存在，增加了下次切削的困难。 因此，在切削时应尽量减轻加工硬化现象。一般地说，凡减少切削变形和摩擦的措施，如增大刀具前角、提高切削速度、使用切削 液等，都可以减轻加工硬化现象。3 .切削热在切削过程中，由于工件材料被挤压变形，工件、切屑与刀具的摩擦会产生切削热。工 件温度的升高以及切屑温度较高等现象都说明切削热的存在。切削塑性材料时，切削热主要来自材料被挤压、变形和切屑与刀具的摩擦；切削脆性材 料时，切削热主要由工件与刀具的摩擦产生。切削速度低时，变形热占主要地位；切削速度 高时，摩擦热的比例增加。切削热由切屑、工件、刀具和周围介质(如空气、切削液等)传出。当不加切削液，用中 等切削速度车削钢材时，切屑传出的热量占总切削热的50%86%,工件传出的热量占总 切削热的10%40%,刀具传出的热量占总切削热的3%9%,介质传出的热量占总切削 热的1%。4 .切削温度切削时的发热和散热直接影响到切削温度。切削温度是指工件、切屑和刀具接触处的最 高温度，即刀尖附近的温度。由于这里发热量大，散热条件差，温度有时可达7001 000切削温度太高，会加剧刀具的磨损，甚至使刀具丧失切削能力。而刀具的磨损又会使工 件的精度和表面质量降低。工件(尤其是细长轴、薄壁套之类的零件)本身也会受热伸长和膨 胀。有时在加工中测量合格的尺寸，冷却后可能就不合格了。细长轴受热后产生轴向弯曲， 车后会造成形状误差。为此，必须设法使切削热产生得少、散热散得快，以降低切削温度。常用的措施如下。(1)切削时，尽量使用切削液。这对高速钢刀具来说尤其重要。(2)适当增大前角，可以减少切削热，降低切削温度。(3)实验证明，车削中切削速度降低1倍，切削温度降低30%左右；进给量降低1倍, 切削温度降低15%左右；而切削深度降低1倍时，切削温度只降低7%8%。如果要降低 切削温度，首先要降低切削速度。这样做，既能使切削温度显著降下来，又能使生产率下降 最少。(4)适当减小主偏角，可增加切削刃的散热长度和刀尖处的散热面积，也能降低切削温 度。切削温度可通过观察切屑的颜色大致地估计出来。例如，切削碳素钢时，随着切削温度 的升高，切屑颜色由银白逐步变为黄白、金黄、紫、深蓝、浅蓝色，其中金黄色反映的切削 温度是300400,浅蓝色反映的切削温度是500600。5 .切削液切削液是为了提高切削加工效果而使用的液体。(1)切削液的作用。冷却作用。润滑作用。清洗和排屑作用。(2)切削液的种类。切削液分水基和油基两种类型。常用的水基切削液有合成切削液和 乳化液，常用的油基切削液即切削油。合成切削液。乳化液。油基切削液。极压型切削液。(3)切削液的选用。加工过程中使用的切削液要根据工件材料、刀具材料、加工方法、 加工要求、机床类别等情况综合考虑，合理选用。根据工件材料选用。根据刀具材料选用。根据加工方法选用。根据加工要求选用。6.刀具磨损与刀具寿命切削中，刀具材料的部分微粒被切屑或工件带走而逐渐变钝的现象，叫做刀具磨损。刀 具磨损到一定程度时，应及时地把它取下来，进行刃磨。否则，就会使工件精度下降，表面 粗糙度上升。机床动力消耗增大，甚至打刀，造成刀具材料的严重浪费。(1)刀具磨损的原因。(2)刀具的磨损部位。(3)刀具的磨损限度。(4)刀具寿命。任务4金属切削机床的基本知识活动1机床的分类和型号编制方法在现代机械制造业中，机床品种和规格繁多，机床的名称很长。为了便于区别、管理和 使用，须对机床进行分类和编制型号。国家标准GB/T 153752008金属切削机床 型号编 制方法对此进行了专门的规定。1 .机床的分类(1)按照通用化程度分类，机床可分为以下3种类型。通用机床。这类机床可以加工多种零件的不同工序，加工范围广，但结构复杂。例如， 普通车床、万能升降台铳床、万能外圆磨床等均属于通用机床。专门化机床。这类机床的加工范围较窄，专门用于加工某一类或几类零件的某一道或 某几道特定工序。例如，凸轮轴车床、丝杠车床、齿轮加工机床等均属于专门化机床。专用机床。这类机床的加工范围窄，用于加工某一种零件的某一道特定工序，具有专 用、高效、自动化程度高和易于保证加工精度的特点，适用于大批大量生产。例如，加工车 床床身导轨的专用龙门磨床、各种类型的组合机床等均属于此类机床。(2)按照自动化程度分类，机床可分为手动机床、机动机床、半自动机床和自动机床。(3)按照机床的工作精度分类，机床可分为普通机床、精密机床和高精度机床。(4)按照重量和尺寸分类，机床可分为仪表机床、中型机床、大型机床、重型机床和超 重型机床。(5)按照机床的主要工作部件数目分类，机床可分为单刀机床、多刀机床、单轴机床、 多轴机床等。(6)按照数控功能分类，机床可分为非数控机床、一般数控机床、加工中心、柔性制造 单元等。2 .金属切削机床型号编制方法机床型号也称为机床的代号，用于表明机床的类型、通用性和结构特性、主要技术参数 等。GB/T 153752008金属切削机床 型号编制方法规定，我国的机床型号由汉语拼音 字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成。机床类别代号。机床的通用特性和结构特性代号。通用特性代号。结构特性代号。机床的组别、系别代号。机床主参数、设计顺序号及第二主参数。机床的重大改进顺序号。其他特性代号。企业代号。活动2机床的运动1 .工件表面的形成网柱面网柱面2 .机床的运动形式表面成形运动。图1-12常见表面的加工方法及成形运动(a)车刀车削外圆柱面；(b)螺纹车刀车削螺纹表面；(c)齿轮滚刀加工齿轮辅助运动。活动3机床的传动1 .机床的传动链(1)外联系传动链。(2)内联系传动链。2 .机床传动系统图图1T3是某中型卧式车床的主传动系统的传动系统图。这是12级的分级变速传动系统, 通过中间3组滑移齿轮机构使主轴得到12级转速。126图1-13卧式车床主传动系统图3 .机床传动原理图 卜 °0(a)(b)(c)图1-13卧式车床主传动系统图3 .机床传动原理图 卜 °0(a)(b)(c)(d)图1T4传动原理图常用的一部分符号(a)电动机；(b)主轴；(c)车刀；(d)传动比不变的机械联系；(e)滚刀；(f)合成机构；(g)换置机构六、项目小结1 .切削的基本知识切削表面包括待加工表面、加工表面和已加工表面。切削运动包括主运动、进给运动和切削运动等。切削要素包括切削用量要素和切削层横截面要素，其中切削量要素包括切削速度、进给 量和背吃刀量，切削层横截面要素包括切削宽度、切削厚度和切削面积。2 .刀具车刀由刀柄和刀头组成，其切削部分包括前刀面、后刀面、副后刀面、主切削刃、副切 削刃和刀具，其参考系有正交平面参考系和法平面参考系两种类型。常用的刀具材料有工具 钢、硬质合金、陶瓷等。