《机械制造工程基础》第3.1章切削加工概述.ppt

机械制造工艺学第第1章章 切削加工基础切削加工基础1.1 制造业的发展及其制造业的发展及其在国民经济中的地位在国民经济中的地位11.1.1 制造业的发展制造业的发展 1717世世世世纪纪纪纪6060年年年年代代代代，瓦瓦瓦瓦特特特特改改改改进进进进蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽机机机机，标标标标志志志志第第第第一一一一次次次次工工工工业业业业革革革革命命命命兴起，工业化大生产从此开始；兴起，工业化大生产从此开始；兴起，工业化大生产从此开始；兴起，工业化大生产从此开始；1818世世世世纪纪纪纪中中中中，麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦尔尔尔尔建建建建立立立立电电电电磁磁磁磁场场场场理理理理论论论论，电电电电气气气气化化化化时时时时代代代代开开开开始；始；始；始；2020世世世世纪纪纪纪初初初初，福福福福特特特特汽汽汽汽车车车车生生生生产产产产线线线线，泰泰泰泰勒勒勒勒科科科科学学学学管管管管理理理理方方方方法法法法，标标标标志志志志自动化时代到来；自动化时代到来；自动化时代到来；自动化时代到来；二二二二战战战战后后后后，计计计计算算算算机机机机、微微微微电电电电子子子子技技技技术术术术，信信信信息息息息技技技技术术术术及及及及软软软软科科科科学学学学的的的的发发发发展展展展，以以以以及及及及市市市市场场场场竞竞竞竞争争争争的的的的加加加加剧剧剧剧和和和和市市市市场场场场需需需需求求求求多多多多样样样样性性性性的的的的趋趋趋趋势势势势，使使使使中中中中小小小小批批批批量量量量生生生生产产产产自自自自动动动动化化化化成成成成为为为为可可可可能能能能，并并并并产产产产生生生生了了了了综综综综合合合合自自自自动动动动化化化化和和和和许多新的制造哲理的生产模式；许多新的制造哲理的生产模式；许多新的制造哲理的生产模式；许多新的制造哲理的生产模式；进进进进入入入入2121世世世世纪纪纪纪，制制制制造造造造技技技技术术术术向向向向自自自自动动动动化化化化、柔柔柔柔性性性性化化化化、集集集集成成成成化化化化、智智智智能化、精密化和清洁化能化、精密化和清洁化能化、精密化和清洁化能化、精密化和清洁化的方向发展。的方向发展。的方向发展。的方向发展。21.1.2 1.1.2 制造业在国民经济中的地位制造业在国民经济中的地位制造业在国民经济中的地位制造业在国民经济中的地位 国国国国民民民民经经经经济济济济的的的的支支支支柱柱柱柱产产产产业业业业，国国国国民民民民经经经经济济济济总总总总收收收收入入入入的的的的60%以以以以上上上上来来来来自自自自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。美美美美国国国国：约约约约1/1/4 4人人人人口口口口直直直直接接接接从从从从事事事事制制制制造造造造业业业业，其其其其余余余余人人人人口口口口中中中中有有有有约约约约半半半半数数数数人所做工作与制造业有关。人所做工作与制造业有关。人所做工作与制造业有关。人所做工作与制造业有关。日日日日本本本本由由由由于于于于重重重重视视视视制制制制造造造造业业业业，二二二二次次次次大大大大战战战战后后后后3030年年年年时时时时间间间间，发发发发展展展展成成成成为为为为世界经济大国。世界经济大国。世界经济大国。世界经济大国。机械制造业是制造业的基础机械制造业是制造业的基础机械制造业是制造业的基础机械制造业是制造业的基础,是重中之重。是重中之重。是重中之重。是重中之重。与与与与此此此此相相相相反反反反，美美美美国国国国在在在在一一一一段段段段相相相相当当当当长长长长时时时时间间间间内内内内忽忽忽忽视视视视了了了了制制制制造造造造技技技技术术术术的的的的作作作作用用用用，结结结结果果果果导导导导致致致致经经经经济济济济衰衰衰衰退退退退，竞竞竞竞争争争争力力力力下下下下降降降降，出出出出现现现现在在在在家家家家电电电电、汽汽汽汽车车车车等等等等行行行行业业业业不不不不敌敌敌敌日日日日本本本本的的的的局局局局面面面面。直直直直至至至至上上上上世世世世纪纪纪纪8080年年年年代代代代初初初初，美美美美国国国国才才才才开开开开始始始始清清清清醒醒醒醒，重重重重新新新新关关关关注注注注制制制制造造造造业业业业的的的的发发发发展展展展，至至至至19941994年年年年美美美美国国国国汽车产量重新超过日本。汽车产量重新超过日本。汽车产量重新超过日本。汽车产量重新超过日本。31.1.2 1.1.2 制造业在国民经济中的地位制造业在国民经济中的地位制造业在国民经济中的地位制造业在国民经济中的地位 东芝事件图图1-1 多轴数控机床多轴数控机床改进核潜艇性能改进核潜艇性能41.1.3 1.1.3 我国机械制造业面临的机遇和挑战我国机械制造业面临的机遇和挑战我国机械制造业面临的机遇和挑战我国机械制造业面临的机遇和挑战我国机械制造业与世界发达国家的差距我国机械制造业与世界发达国家的差距我国机械制造业与世界发达国家的差距我国机械制造业与世界发达国家的差距困困困困难难难难：技技技技术术术术上上上上落落落落后后后后，资资资资金金金金不不不不足足足足，资资资资源源源源短短短短缺缺缺缺，管管管管理理理理体体体体制制制制、周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机）。）。）。）。机机机机遇遇遇遇：中中中中国国国国已已已已加加加加入入入入WTOWTO；制制制制造造造造业业业业的的的的世世世世界界界界格格格格局局局局已已已已经经经经和和和和正正正正在在在在发发发发生生生生重重重重大大大大变变变变化化化化，欧欧欧欧、亚亚亚亚、美美美美三三三三分分分分天天天天下下下下局局局局面面面面正正正正在在在在形形形形成成成成，世世世世界界界界经经经经济济济济重重重重心心心心开开开开始始始始向向向向亚亚亚亚洲洲洲洲转转转转移移移移已已已已出出出出现现现现征征征征兆兆兆兆，制制制制造造造造业业业业的的的的产产产产品品品品结构、生产模式也在迅速变革之中。结构、生产模式也在迅速变革之中。结构、生产模式也在迅速变革之中。结构、生产模式也在迅速变革之中。机遇与挑战机遇与挑战机遇与挑战机遇与挑战 总体上看，发展迅速，成绩瞩目。总体上看，发展迅速，成绩瞩目。总体上看，发展迅速，成绩瞩目。总体上看，发展迅速，成绩瞩目。存存存存在在在在阶阶阶阶段段段段性性性性的的的的差差差差距距距距：产产产产品品品品质质质质量量量量和和和和水水水水平平平平不不不不高高高高，技技技技术术术术开开开开发发发发能能能能力不强，基础元器件和基础工艺不过关。力不强，基础元器件和基础工艺不过关。力不强，基础元器件和基础工艺不过关。力不强，基础元器件和基础工艺不过关。机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一。机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一。机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一。机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一。挑战与机遇并存。挑战与机遇并存。挑战与机遇并存。挑战与机遇并存。51.1.4 本课程的主要内容本课程的主要内容 (1)各种各种表表面的切削面的切削成形加工成形加工；(2)金属切削机床金属切削机床 （3）机械加工工艺规程制订的原则、方法和步骤；）机械加工工艺规程制订的原则、方法和步骤；(4)机械加工精度的影响因素及其提高措施；机械加工精度的影响因素及其提高措施；(5)机械加工表面质量机械加工表面质量的影响因素及其提高措施；的影响因素及其提高措施；(6)机械装配工艺过程设计的理论和方法机械装配工艺过程设计的理论和方法.主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容 机械制造工艺学是以机械制造过程中的工艺问题为研究对机械制造工艺学是以机械制造过程中的工艺问题为研究对象的一门技术学科，包括零件加工和装配两方面，其指导思想象的一门技术学科，包括零件加工和装配两方面，其指导思想是在保证质量的前提下，实现高效、经济的加工与装配。是在保证质量的前提下，实现高效、经济的加工与装配。61.2 机械制造工艺过程机械制造工艺过程机械制造中与产品生成直接有关的生产过程常被称为机械制造工艺过程 机械制造工艺过程机械制造工艺过程主要内容主要内容 毛毛坯坯和和零零件件成成形形铸铸造造、锻锻压压、冲冲压压、焊焊接接 、压压制、烧结、注塑、压塑制、烧结、注塑、压塑 机械加工机械加工切削、磨削、特种加工切削、磨削、特种加工 材材料料改改性性与与处处理理热热处处理理、电电镀镀、转转化化膜膜、涂涂装装、热喷涂热喷涂 机机械械装装配配把把零零件件按按一一定定的的关关系系和和要要求求连连接接在在一一起起，组组合合成成部部件件和和整整台台机机械械产产品品，包包括括零零件件的的固固定定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作连接、调整、平衡、检验和试验等工作 71.2.1 1.2.1 零件表面形成方法零件表面形成方法 轨迹法轨迹法 成形法成形法 相切法相切法(铣削）铣削）展成法展成法a）轨迹法 b）成形法c）相切法 d）展成法图1-2 零件表面成形方法8主运动主运动 指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用v（m/s）表示。主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用 T 表示），也可以是回转运动（用 R 表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。（熟悉各种床子的成形运动）进给运动进给运动 指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（fmm/r）或进给速度（vf mm/min）表示。定位和调整运动定位和调整运动 使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。1.2.2 1.2.2 切削加工的成形运动切削加工的成形运动 910图图1-3 切削运动和加工表面切削运动和加工表面a）车削）车削 b）铣削）铣削 c）刨削）刨削 d）钻削）钻削 e）磨削）磨削1主运动主运动 2进给运动进给运动 3待加工表面待加工表面 4过渡表面过渡表面 5已加工表面已加工表面11三、切削要素三、切削要素1.1.切削用量三要素切削用量三要素1 1）切削速度（）切削速度（v v）m/s单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。旋转运动旋转运动（m/s）往复直线运动往复直线运动（m/s）nf f 切削用量切削用量122 2）进给量（）进给量（f f）（mmmm）单位时间内单位时间内(主运动的主运动的一个循环内一个循环内)，刀具或，刀具或工件沿进给运动方向工件沿进给运动方向的相对位移。的相对位移。单位时间的进给量单位时间的进给量进给速度（进给速度（Vf）（mm/s）3 3）背吃刀量（）背吃刀量（a ap p）（mmmm）d dm md dw wf fn1 12 2f fapKrKr 切削用量切削用量131.3 刀具结构刀具结构 车刀车刀a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀车刀的结构 外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。车刀的切削部分由车刀的切削部分由3 3个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），面），2 2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1 1个刀尖组成。个刀尖组成。14 CA6140CA6140机床布局机床布局 卧式车床主要加工轴类和直径不太大的盘、套类零件，故采用卧式布卧式车床主要加工轴类和直径不太大的盘、套类零件，故采用卧式布局。主轴水平安装，刀具在水平面内作纵、横向进给运动。局。主轴水平安装，刀具在水平面内作纵、横向进给运动。另：另：CT6140CT6140车 床主轴箱主轴箱进给箱进给箱溜板箱溜板箱尾座尾座床身床身挂挂轮轮机机构构刀架刀架床腿床腿光杠光杠丝杠丝杠15刀具结构刀具结构 刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合各种刀具切削部分的形状161.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 刀具标注角度坐标系刀具标注角度坐标系（主剖面坐标系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面 PoA1）基面 Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。切削平面 Ps基面 Pr车刀主剖面坐标系2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面 Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。172.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度1 1）主偏角（）主偏角（krkr）2 2）副偏角（）副偏角（krkr）在基面在基面PrPr内标注的角度内标注的角度:主切削平面与假定工作平面间主切削平面与假定工作平面间夹角，即夹角，即主切削刃在基面上的主切削刃在基面上的投影与进给方向间夹角投影与进给方向间夹角（4090）。）。nf fKrKrkrkr副切削平面与假定工作平面间副切削平面与假定工作平面间夹角，即夹角，即副切削刃在基面上的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间夹角。投影与进给运动反方向间夹角。1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 18主偏角主偏角kr、副偏角、副偏角kr越大，残留面越大，残留面积越大，表面粗糙积越大，表面粗糙度越大。度越大。nf fkrkrKrKr2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度主、副偏角的作用及选用主、副偏角的作用及选用1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 19主偏角主偏角kr越小，进给抗力越小，进给抗力越小，切深抗力越大，加越小，切深抗力越大，加大工件的变形挠度，容易大工件的变形挠度，容易引起系统振动。引起系统振动。nf fkrkrKrKr2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度主、副偏角的作用及选用主、副偏角的作用及选用1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 20主偏角主偏角kr、副偏角、副偏角kr越大，残留面越大，残留面积越大，表面粗糙积越大，表面粗糙度越大。度越大。nf fk kr rKrKr2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度主、付偏角的作用及选用主、付偏角的作用及选用1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 21选用选用系统刚性好：取较小的系统刚性好：取较小的krkr，10103030、4545。系统刚性差：取较大的系统刚性差：取较大的krkr，6060、7575、9090。2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度主、副偏角的作用及选用主、副偏角的作用及选用1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 222.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度在正交平面在正交平面p po o标注的角度标注的角度:1 1）前角（）前角（o o）2 2）后角）后角(o o)前刀面与基面间夹角前刀面与基面间夹角（015）。）。主后刀面与主切削平主后刀面与主切削平面间夹角（面间夹角（612）nf fk kr r 0 0 0 0KrKrprpspo1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 23正交平面正交平面2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度在正交平面在正交平面p po o标注的角度标注的角度:ponf fkrkrKrKr 0 0 0 0prps1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 242.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度在正交平面在正交平面p po o标注的角度标注的角度:1 1）前角（）前角（o o）2 2）后角）后角(o o)前刀面与基面间夹角前刀面与基面间夹角（015）。）。主后刀面与主切削平主后刀面与主切削平面间夹角（面间夹角（612）nf fkrkr 0 0 0 0KrKrprpspo1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 25作用作用影响切削力大小影响切削力大小；影响刀头强度和散热条件。影响刀头强度和散热条件。0 0前角的作用及选用前角的作用及选用2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 26前角的作用及选用前角的作用及选用前角越大，刀越锋利、切削前角越大，刀越锋利、切削轻快，强度下降、不利散热轻快，强度下降、不利散热2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 27选择选择加工塑性材料和精加工加工塑性材料和精加工取大前角（取大前角（）0加工脆性材料和粗加工加工脆性材料和粗加工取小前角取小前角（）0前角的作用及选用前角的作用及选用2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 28 0 0 0后角的作用及选用后角的作用及选用2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度后角有正、负、零之分后角有正、负、零之分1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 29后角的作用及选用后角的作用及选用减小主后刀面与加减小主后刀面与加工表面的摩擦工表面的摩擦2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 30选用选用加工塑性材料和精加工加工塑性材料和精加工取大后角（取大后角（）0加工脆性材料和粗加工加工脆性材料和粗加工取小后角（取小后角（）0后角（后角（0 0）只能是正的）只能是正的后角的作用及选用后角的作用及选用2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 312.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度刃倾角（刃倾角（S S）在切削平面在切削平面p pS S标注的角度标注的角度:nf fkrkrKrKr 0 0 0 0prpsAA向主切削刃与主切削刃与基面之间的基面之间的夹角。夹角。（-5+5）。）。1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 32刃倾角的作用及选用刃倾角的作用及选用2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度作用作用:影响切屑流出方向。影响切屑流出方向。选用：选用：粗加工：可取零或负（粗加工：可取零或负（S S =0=0、-S S ）精加工：取精加工：取 正（正（+S S ）1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 33刃倾角的作用及选用刃倾角的作用及选用刃倾角对切屑排出方向的影响刃倾角对切屑排出方向的影响2.2.刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度1.3.2 刀具几何角度刀具几何角度 34对刀具切削部分材料的要求对刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性；）高的硬度和耐磨性；2）足够的强度和韧性；）足够的强度和韧性；3）较好的热硬性；）较好的热硬性；4）良好的工艺性；）良好的工艺性；5）经济性。）经济性。1.3.3 刀具材料刀具材料 刀具材料的发展刀具材料的发展351.3.3 刀具材料刀具材料 图2-55 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）361.3.3 刀具材料刀具材料 天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-56 刀具材料的耐磨性与断裂韧性37刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。高速钢高速钢 高高速速钢钢是是一一种种加加入入了了较较多多的的钨钨、钼钼、铬铬、钒钒等等合合金金元元素的高合金工具钢。素的高合金工具钢。特特点点：1)1)强强度度高高，抗抗弯弯强强度度为为硬硬质质合合金金的的2 23 3倍倍；2)2)韧韧性性高高，比比硬硬质质合合金金高高几几十十倍倍；3)3)硬硬度度HRC63HRC63以以上上，且且有较好的耐热性有较好的耐热性；4)4)可加工性好，热处理变形较小。可加工性好，热处理变形较小。应应用用：常常用用于于制制造造各各种种复复杂杂刀刀具具（如如钻钻头头、丝丝锥锥、拉拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。刀、成型刀具、齿轮刀具等）。1.3.3 刀具材料刀具材料 常用刀具材料常用刀具材料38 硬质合金硬质合金 硬硬质质合合金金是是用用高高硬硬度度、高高熔熔点点的的金金属属碳碳化化物物(如如WCWC、TiCTiC、TaCTaC、NbCNbC等等)粉粉末末和和金金属属粘粘结结剂剂(如如CoCo、NiNi、MoMo等等)经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬硬质质合合金金的的硬硬度度、耐耐磨磨性性、耐耐热热性性都都很很高高，允允许许的的切切削削速速度度远远高高于于高高速速钢钢。硬硬质质合合金金的的不不足足是是与与高高速速钢钢相相比比，其其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬硬质质合合金金切切削削性性能能优优良良，被被广广泛泛用用来来制制作作各各种种刀刀具具。在在我我国国，绝绝大大多多数数车车刀刀、面面铣铣刀刀和和深深孔孔钻钻都都采采用用硬硬质质合合金金制制造造，目目前前，在在一一些些较较复复杂杂的的刀刀具具上上，如如立立铣铣刀刀、孔孔加加工工刀刀具等也开始应用硬质合金制造。具等也开始应用硬质合金制造。1.3.3 刀具材料刀具材料 39 陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料 陶陶瓷瓷材材料料比比硬硬质质合合金金具具有有更更高高的的硬硬度度（HRA91HRA919595）和和耐耐热热性性，在在12001200的的温温度度下下仍仍能能切切削削，耐耐磨磨性性和和化化学学惰惰性性好好，摩摩擦擦系系数数小小，抗抗粘粘结结和和扩扩散散磨磨损损能能力力强强，因因而而能能以以更更高高的的速速度度切切削削，并并可可切削难加工的高硬度材料。切削难加工的高硬度材料。1.3.3 刀具材料刀具材料 主主要要缺缺点点是是性性脆脆、抗抗冲冲击击韧性差，抗弯强度低。韧性差，抗弯强度低。40 超硬刀具材料超硬刀具材料 天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV 30004500，耐热性达1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。刀具材料刀具材料 411.3.3 刀具材料刀具材料 刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表1-1 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比421.4 1.4 切削原理切削原理机械制造技术基础机械制造技术基础 切屑的形成过程切屑的形成过程43切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角金属切削过程的变形金属切削过程的变形 金属切削变形过程金属切削变形过程44 第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。切削部位三个变形区 第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。金属切削过程的变形金属切削过程的变形 三个变形区分析三个变形区分析 第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。45切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表1-2 切屑类型及形成条件46切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 切屑类型切屑类型带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑切屑形态照片47 粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。切屑与前刀面的摩擦变形切屑与前刀面的摩擦变形 切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfi特点特点两个摩擦区两个摩擦区48已加工表面的变形已加工表面的变形 n切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDhDhACFE已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为 0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。变形原因变形原因变形情况变形情况应力分布应力分布49 1.4.2 磨削机理 磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为60 85）磨粒及切削刃随机分布 磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）磨削特点磨削特点50 1.4.2 磨削机理磨屑形成过程磨屑形成过程 弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件 塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生 切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出 具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有 磨屑形成过程a）平面示意图 b）截面示意图51rFcFFpFf pFfFf pFf pfv切削力的分解1.4.3 1.4.3 切削力的来源与分解切削力的来源与分解 切削力来源切削力来源 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力切削力分解切削力分解524)4)切削力的估算切削力的估算1.1.切削力的产生及切削分力切削力的产生及切削分力例：用例：用o=15o、Kr=75o的硬质合金刀切削热轧结构钢外圆的硬质合金刀切削热轧结构钢外圆531.4.3 1.4.3 切削力经验公式切削力经验公式 单位切削力单位切削力 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc=1）式中 Fc 主切削力（N）；v 主运动速度（m/s）。切削功率切削功率541.4.3 1.4.3 影响切削力因素影响切削力因素 工件材料工件材料切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂强度高加工硬化倾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min）981784588主切削力Fc（N）切削速度对切削力的影响切削用量切削用量551.4.3 1.4.3 影响切削力因素影响切削力因素 前角0 增大，切削力减小 主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（r Fp，Ff）前角对0切削力的影响前角0切削力F0-Fc0 Fp0 Ff主偏角r对切削力的影响主偏角r /切削力/N3045607590r-Fcr Ffr Fp2006001000140018002200刀具几何角度影响刀具几何角度影响561.4.3 1.4.3 影响切削力因素影响切削力因素 刀具几何角度影响刀具几何角度影响 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（s Fp，Ff）刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（r Fp，Ff）；其他因素影响其他因素影响 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；切削液：有润滑作用，使切削力降低；后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著 ；571、增大前角、增大前角切塑性材料时多用切塑性材料时多用2、增大主偏角、增大主偏角 减小背向力减小背向力工艺系工艺系 统刚性差时用统刚性差时用3、减小背吃刀量、减小背吃刀量减小切削力减小切削力少用少用4、改善冷却润滑条件、改善冷却润滑条件 减小切削力的措施减小切削力的措施581.4.4 1.4.4 切削热的来源与传出切削热的来源与传出 切削热来源切削热来源 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具切削热的来源与传出切削热传出切削热传出 主要来源 QA=QD+QFF+QFR式中，QD,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量592、切削热的传出、切削热的传出(1)车削加工：车削加工：50%86%由切屑带走由切屑带走，10%40%传入车刀，传入车刀，3%9%传入工件，传入工件，1%左右通过左右通过辐射传入空气。辐射传入空气。(2)钻钻削削加加工工：28%由由切切屑屑带带走走，14.5%传传入入刀刀具具，52.5%传入工件传入工件，5%左右传入周围介质。左右传入周围介质。(3)磨削加工：磨削加工：4%由磨屑带走，由磨屑带走，12%传给砂轮，传给砂轮，84%传入工件传入工件。601.4.4 1.4.4 影响切削温度的因素影响切削温度的因素 q 刀具几何参数的影响 前角前角 o o切削温度切削温度 主偏角主偏角 r r切削温度切削温度 负倒棱及刀尖圆弧半径负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小对切削温度影响很小 q 工件材料的影响 工工件件材材料料机机械械性性能能切削温度切削温度 工工件件材材料料导导热热性性 切切削温度削温度 vc（m/min）切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火)4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q 刀具磨损的影响 q 冷却液的影响 61二、积屑瘤二、积屑瘤在一定的切削速度下在一定的切削速度下切削塑性材料时，常切削塑性材料时，常在刀具前刀面上靠近在刀具前刀面上靠近刀刃部位粘附着刀刃部位粘附着的的一一小块很硬的金属小块很硬的金属称称为积屑瘤。为积屑瘤。1.1.积屑瘤的形成积屑瘤的形成积屑瘤、残余应力与加工硬化622.2.积屑瘤对加工过程的影响积屑瘤对加工过程的影响有利有利 使使 0 0 增大，使切削过程变得轻快。增大，使切削过程变得轻快。可代替主刀刃和前刀面进行切削，保护刀具。可代替主刀刃和前刀面进行切削，保护刀具。所以：粗加工时可以利用。所以：粗加工时可以利用。二、积屑瘤二、积屑瘤不利不利 积屑瘤不稳定，易引起振动，使积屑瘤不稳定，易引起振动，使 Ra Ra 增大。增大。会引起会引起a ap p的变化，使加工精度降低。的变化，使加工精度降低。所以：精加工时应尽量避免。所以：精加工时应尽量避免。积屑瘤、残余应力与加工硬化633.3.积屑瘤的影响因素及控制积屑瘤的影响因素及控制二、积屑瘤二、积屑瘤 切削速度切削速度（切中碳钢）（切中碳钢）100 m/min不产生不产生冷却润滑条件冷却润滑条件300500oC最易产生最易产生500oC趋于消失趋于消失提高硬度，提高硬度，降低塑性降低塑性HRC50 低速或高速低速或高速选用切削液选用切削液控控制制措措施施工件材料工件材料 塑性越大，塑性越大，越易产生越易产生 影影响响因因素素积屑瘤、残余应力与加工硬化641.4.5 残余应力 残余应力概念残余应力概念未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。残余应力种类及影响残余应力种类及影响 残余张应力：易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度 残余压应力：有利于提高零件疲劳强度 残余应力分布不均：会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度651.4.5 残余应力 热塑变形效应：表层张应力，里层压应力 里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力 表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力 实际应力状态是上述各因素影响的综合结果残余应力产生原因残余应力产生原因 控制切削过程：尽可能减小残余应力 时效处理：最大限度减小残余应力 残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法残余应力的控制残余应力的控制663.4.3 加工硬化 加工硬化概念加工硬化概念已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化 硬化程度（3-13）式中 H 硬化层显微硬度（HV）；H0 基体层显微硬度（HV）。硬化层深度指硬化层深入基体的距离hd（m）加工硬化产生原因加工硬化产生原因加工硬化度量加工硬化度量671.4.5 加工硬化 减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等 减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等 进行适当的热处理加工硬化的控制加工硬化的控制距表面深度HVH0hiH0图3-24 加工硬化与表面深度的关系681.1.刀具磨损形式刀具磨损形式 后刀面磨损后刀面磨损VB 前刀面磨损前刀面磨损KT 前后刀面同时磨损前后刀面同时磨损KTVB1.4.6 刀具磨损刀具磨损 刀具磨损形态刀具磨损形态 正常磨损691.4.6 刀具磨损 非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具磨损过程3个阶段所以：所以：应在刀具正常磨损阶应在刀具正常磨损阶段后期，段后期，急剧磨损阶段之前刃急剧磨损阶段之前刃磨刀具。磨刀具。701.4.7 刀具寿命 刀具寿命（耐用度）概念刀具寿命（耐用度）概念 刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T 表示。刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。713.3.刀具耐用度刀具耐用度2）影响）影响刀具耐用度刀具耐用度的因素的因素vc f apCT-与工件材料和刀具与工件材料和刀具 材料有关的常数材料有关的常数切削用量影响刀具耐用度：切削用量影响刀具耐用度：vc,f,ap愈大，刀具磨损加剧愈大，刀具磨损加剧例：硬质合金车削例：硬质合金车削b=735MPa碳素结构钢碳素结构钢工件材料和刀具材料工件材料和刀具材料影响刀具影响刀具耐用度耐