《切削加工工艺》PPT课件.ppt

第三章 切削加工工艺 3.1切削加工概述3.1.1切削加工的分类切削加工：是指利用刀具从毛坯上切去多余的材料，从而获得一定几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。分类：机械切削加工（普通/数控）切削加工 机械加工 钳工 特种3.1.2零件表面的分类与成形原理1.零件表面的分类 基本表面 零件的表面 型面（各种沟槽、螺纹、齿轮及特型面）回转型 二维特型面 特型面 平移型 列表曲面 三维特型面 函数曲面 仿生曲面 二维特型面 列表曲面 （三维）2.零件表面的成形原理成形法 以切削刃的形状来保证工件表面形 状的成形原理。特点：刀具切削刃的几何形状 复杂，而刀具相对工件 的进给运动极为简单。包络法 以切削刃相对于工件表面的运动轨 迹而形成的包络面即成为工件表面 的成形原理。特点：一般刀具相对简单 而切削运动较为复杂。（动画）3.1.3切削运动与切削用量1.切削运动 是指刀具与工件之间的相对运动。主运动 即刀具从工件上切下切屑所需要的基本 运动。进给运动 即使工件继续投入切削的运动。(常见机床的切削运动见表3-1)2.加工中的工件表面 3.切削用量 是调整机床用的参量。切削速度、进给量和背吃刀量称作切削用量三要素。切削速度 主运动为旋转运动，则：vc=d n/100060 (m/s)式中：d-工件或刀具的直径，mm；n-工件或刀具的转速，r/min。主运动为往复运动，则：vc=2 Lnr/100060 (m/s)式中：L-往复运动行程长度，mm;nr-工件或刀具每分钟往复的次数，str/min。进给量 刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用 f 表示。车、钻、镗、铣削时单位为mm/r 背吃刀量 又称切削深度，指在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度，用ap表示。单位为 mm。车削外圆时：ap=（dwdm）/2 (mm)式中：dw-待加工表面的直径，mm；dm-已加工表面的直径，mm。3.2车刀的几何结构及刀具材料3.2.1车刀的几何结构1.车刀切削部分的构成要素几何表面前面 又称前刀面，刀具上切屑流过的表面；主后面 又称主后刀面，刀具上与前面相交形成 主切削刃的表面。副后面 又称副后刀面，刀具上与前面相交形成副切削刃的表面。切削刃主切削刃 起始于切削刃 上主偏角为零的点，并至 少有一段切削刃拟用来在 工件上切出过渡表面的那个整段切削刃、它担 负着主要的切削工作；副切削刃 切削刃上除主切削刃以外的刃，亦 起始于主偏角为零的点，但它向背离主切削刃的方向延伸。它担负着部分切削工作。刀尖 指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。2.刀具角度参考系基面 pr 通过主切削刃选定点的平面，一般其方位要垂直于假定的主运动方向。主切削平面 ps 通过主切削刃选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。正交平面 po 通过主切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。正交平面原称作主剖面。3.车刀的标注角度及作用前角0前面与基面间的夹角。后角0 后面与切削平面间的夹角。主偏角kr 主切削平面与假定工作平面之间的夹角。副偏角kr副切削平面与假定工作平面之间的夹角。刃倾角s 主切削刃与基面间的夹角。v角度的作用：前角0 前角越大，刀刃锋利，越利于切削，但前角过大会削弱切削 刃的强度。后角0 影响主后面与工件过渡表面间的摩擦及刀刃的强度。主偏角kr 主要影响切削条件和刀具寿命，也影响切削分力之间的比例。副偏角kr影响副切削刃与工件间的摩擦及表面质量。刃倾角s 主要影响切屑流向和刀体的强度。3.2.2刀具材料1.对刀具材料的要求 高硬度 一般应在HRC60以上。高耐磨性 含有硬质点的数量越多、晶粒越细，分布越均匀，则耐磨性越好。足够的强度和韧性 别用抗弯强度和冲击韧度来衡量。高耐热性 又称红硬性，指刀具材料在高温下保持其常温硬度的能力。是衡量刀具材料优劣的一项重要指标。此外，刀具材料还应具有良好的工艺性和经济性。2.常用刀具材料一般分为以下四类：高速钢 按其性能分为通用型高速钢和高性能高速钢两种。通用型高速钢热处理后的硬度可达HRC6266，在550600时仍能保持正常的切削性能。常用牌号有W18Cr4V（称W18）W6Mo5Cr4V2（简称M2）等。高性能高速钢硬度可达HRC6770，在600650时仍可保持HRC60的硬度。常用牌号有W2Mo9Cr4VCo8（简称M42）和W6Mo5Cr4V2Al（简称501）等。硬质合金 硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC、NbC、TaC等)粉末为基体，以熔点较低的金属(Co或Ni等)粉末为粘结剂经高压后烧结制成的。常温硬度为HRC7482，耐热温度可达8001000。允许的切削速度远高于高速钢，可达1.75m/s。硬质合金的抗切削振动和冲击能力较差，目前在复杂结构的刀具上使用还受到一定限制。P类 即YT类，适于加工长切屑的黑色金属。M类 即YW类，适于加工长、短切屑的黑色和有 色金 属。K类 即YG类，适于加工短切屑的黑色、有色金属及非 金属。（硬质合金代号和应用范围见表3-2）涂层刀具材料 是指通过气相沉积或其它技术方法，在硬质合金(或高速钢)的基体上，涂覆一薄层耐磨性极高的难熔金属化合物。常用涂层材料有TiC、TiN、和Al2O3及其复合材料等。超硬刀具材料陶瓷刀具材料 在1200时仍能保持HRA9095的硬度。人造聚晶金刚石 硬度可达HV10000，是目前人工制成的硬度最高的刀具材料金刚石刀具，温度达到700 800 时就会失去硬度，不宜加工黑色金属。立方氮化硼 硬度为HV80009000，仅次于金刚石，其耐热性可达1400。3.3金属切削过程 3.3.1切屑的形成及三个变形区切削过程实质：弹性变形塑性变形分离v三个变形区 始滑移线 OA 终滑移线 OM第变形区 剪切区 第变形区 滞流区第变形区 塑变区v常见的切屑形态带状切屑：切削力变化比较小，切削过程较平稳。节状切屑：切削过程不够平稳，表面粗糙度Ra值较大。崩碎切屑：切削过程极不稳定，刀具刃口易崩刃或磨损。3.3.2积屑瘤1.形成 (在第变形区)条件:外摩擦力内摩擦力 有瘤好不好？要不要？2.作用增大工作前角,保护切削刃.使实际切削深度变化,易引起震动,降低工件表面质量.粗加工允许存在(切削轻快).精加工 不允许存在(保证质量).能否想要就要？3.影响因素工件材料:塑性,积屑瘤;可正火,调质。切削速度:低速(0.08m/s)或很高速(1.67m/s),积屑瘤 中速(0.081.67m/s),积屑瘤(300)刀具：增大前角，减小走刀量，提高刀具表面质量及合理使用润滑液，可使积屑瘤 3.3.3切削力与切削功率1.切削力切削过程中，刀具对工件所施加的力称为切削力。来源于两个方面：被切材料层因弹性变形和塑性变形而产生的变形抗力 P变；刀具前刀面与切屑之间、后刀面与工件过渡表面之间相对运动而产生的摩擦阻力 P摩。总切削力 F 是一个空间矢量，其大小和方向随切削条件而变化。可分解为三个互相垂直的分力。v 三个分力 主切削力Fc 总切削力F在主运动方向上的分力。它垂直于工作基面，与切削速度方向平行，故又称切向力。消耗机床总功率 的95以上，是计算切削功率和车刀强度、确定机床动力的 主要依据。背向力 Fp 总切削力F在垂直于工作平面方向 上的分力。它投影在工作基面上，并与工件轴线垂直，故又称径向力。它一般不消耗机床功率，但易使工件变形、振动，是影响工件加工质量的主要分力。进给力Ff 总切削力F在进给运动方向上的分力，它投影在工作基面上，并与工件轴线平行，故又称轴向力。只消耗机床功率的 15，是机床进给机构强度与刚度设计的主要依据。v关系：F=Fc 2 Fp 2 Ff 2 Fp=(0.15 0.7)Fc Ff=(0.1 0.6)Fcv影响因素：工件材料的硬度和强度愈高，则变形抗力愈大，因此切削力愈大。切削用量中对切削力影响最大的是背吃刀量，其次是进给量，而切削速度影响最小。刀具前角增大，被切金属的变形减小，故切削力减小。此外，刀具的主偏角和刃倾角的大小、刀具的安装与磨损及冷却润滑状况等对切削力大小和各分力间的比例都存在程度不同的影响。2.切削功率背向力Fp方向运动速度为零（不做功），进给力Ff 很小，往往忽略不计，切削功率：Pm=Fc vc 10-3 (KW)式中，vc 切削速度，m/s。机床电动机功率为：Pe Pm/式中，机床传动效率，一般取0.750.85。3.3.4切削热与切削温度1.切削热切削层金属弹性变形和塑性变形-Q变刀具前刀面与切屑,后刀面与工件之间的摩擦-Q摩散热比例 中等速度车削钢件时:(大约)切屑带走5086,传入工件93,传入刀具4010,散入空气1%（钻削：见书）影响 (传入切屑和空气的热量无影响)传入工件和刀具的热量:使工件升温变形,产生尺寸、形状误差,精度“烧伤”工件表面,表面质量刀具局部温度硬度,加速 磨损(导致工件质量)2.切削温度 切削温度是指工件、刀具和切屑三者接触表面上的平均温度。是产生和传散切削热综合作用的结果。工件材料 工件材料的强度、硬度越高，切削温度也就越高。材料的导热性好，可使切削温度降低。切削用量 加大切削用量会使切削温度升高。切削用量中对切削温度影响最大的是切削速度，其次是进给量,而背吃刀量的影响最小。刀具角度 刀具的前角增大，切削层变形小，切削温度降低。切削液 使用适当的切削液可明显降低切削温度。3.3.5刀具磨损与耐用度1.刀具磨损刀具磨损的形式 v前刀面磨损 高速、大厚度塑性材料 KT表示v后刀面磨损 脆性、小厚度塑性材料 VB表示v前后刀面同时磨损刀具磨损的过程 刀具后面磨损量VB与切削时间之间的磨损曲线。分为三个阶段：AB段 初期磨损BC段 正常磨损CD段 剧烈磨损 2.刀具耐用度 刀具磨钝标准是指刀具允许的最大磨损量，通常以主后面中间部分平均磨损量VB作为 磨 钝标准。刀具寿命是指一把新刀由开始切削到报废为止的总切削时间，用 t 表示。显然，刀具耐用度T与刀具寿命 t 之间存在以下关系：t=n T （min）式中，n 刀具刃磨次数。通常，耐用度T:硬质合金车刀T=6090 min；高速钢钻头T=80120 min；硬质合金面铣刀T=90180 min；齿轮滚刀T=200300 min。选择刀具耐用度有两种方法：根据单件工时最短的原则来确定的最高生产率耐用度Tp；根据工序成本最低的原则来确定的经济耐用度Tc。Tc Tp 3.3.6工件材料的切削加工性 切削加工性是指对某种工件材料进行切削加工的难易程度。材料的相对加工性 K v 一般以抗拉强度b=735MPa的45钢的v60作基准，写作（v60）j K v=v60/（v60）j K v值越大,其相对切削加工性越好。工件材料的相对切削加工性分为八级，如表3-3。1很容易切削 23-容易切削 45-普通 68-难切削 v常用金属材料的切削加工性结构钢低碳钢(含C0.25%)较差 (改善:正火)中碳钢(0.30.6%C)较好 (改善:正火)高碳钢(0.6-0.8%c,含P)稍难 (次于中碳钢)高碳钢(大于0.8%c,含F3C)不好 (改善:球化退火)合金结构钢 低于含C量相同的碳钢铝、镁合金 良好 (但热膨胀系数大)不锈钢 较差(比低碳钢差,比高碳钢(含F3C)也差)高温合金 极差钛合金 难切 (比不锈钢差,比高温合金好)切削加工性排序铝合金 镁合金 中碳钢 高碳钢(含P)低碳钢 高碳钢(含F3C)不锈钢 钛合金 高温合金3.4精密加工1.精密加工的概念目前精密与超精密加工的范畴可划分如下：一般加工 指加工精度在10m左右，相当于公差等级IT6IT5，表面粗糙度为Ra0.80.2m的加工方法，如车、铣、磨等。适用于一般机械制造行业。精密加工 指加工精度在10.1m，公差等级在IT5以上，表面粗糙度值在Ra0.10.03m的加工方法，如精密车削、研磨、抛光、精密磨削等。适用于精密机床、精密测量仪器等行业的精密零件加工。超精密加工 指加工精度在0.10.01m，表面粗糙度值在Ra0.0250.001m（或称为亚微米级）的加工方法，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨削等。它主要应用于一些精密仪器或装置的制造上，如惯性导航仪静电陀螺球、超大规模集成电路基片等的加工。v精密与超精密加工方法主要可分为两类：采用金刚石刀具对工件进行超精密的微细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、研磨、抛光、精密和超精密磨削等，后者习惯上又称作光整加工；采用激光加工、等离子体加工、超声波加工等特种加工方法。电子束、活性离子、受控腐蚀加工等特种加工方法主要用于加工尺寸微小，精度极高的零器件，被称为微细加工技术。2.精密加工的特点切削区的温度低；生产率低；加工余量少；许多情况下是机械切削作用和化学腐蚀作用共同去除余量；对机床设备、加工环境要求高（恒温、超净、防振），并且要与精密测量相配合。3.4.1光整加工 工件光整加工后，可获得很高的加工精度（尺寸精度可达IT6IT5）和良好的表面质量（粗糙度可达Ra0.10.008m）。1.研磨 研磨是指在相对运动的研具与工件表面之间添加研磨剂，并施加一定的压力，对工件表面进行光整加工的方法。研磨工件可获得IT6IT4的尺寸精度,表面粗糙度为Ra0.10.08m方法：机械研磨 手工研磨研磨剂：磨料 油脂研具：铸铁 硬木 （研磨不能提高位置精度，但能提高形状精度）2.珩磨 珩磨是利用珩磨头对已加工孔进行光整加工的工艺方法。加工精度可达IT6IT5，表面粗糙度可达Ra0.20.025m,珩磨可获得较正确的几何形状不能纠正孔的位置误差。3.超极光磨超极光磨是在良好润滑和较低压力（520MPa）条件下，利用细粒度油石高频往复摆动，对工件进行光整加工的工艺方法。这是一种以提高表面质量为目的的光整加工方法。可达Ra0.025一0.008m 三种运动合成使磨粒在工件表面上形成不重复的轨迹，一般不用以提高尺寸精度，也不能纠正预加工中产生的形位(特别是位置)误差。4.抛光 抛光是用粘有抛光膏的高速旋转的弹性轮或砂 带来加工工件表面的光整加工方法，其主要目的是降低工件表面粗糙度值。可达Ra0.0250.010。抛光加工时不但有机械 作用而且有化学作用。超精密砂带抛光弹性轮抛光不能纠正预加工所产生的尺寸及形位误差。3.4.2金刚石刀具超精密切削特点：其背吃刀量可能小于晶粒。刀具是在晶粒内部进行切削；刀具切削刃需要在很高的应力和很高的温度下进行工作；加工余量极小（仅几微米），要求刀具刃口必须十分锋利；尺寸精度、表面质量高。（IT：0.1m，Ra0.01 m甚至更小）用途：主要用于铝、铜及其合金的加工（如加工高密度硬磁盘的铝基片）。（第三章 切削加工完，非金属材料加工同学自学）