金属切削原理模板.pptx

1第1 1章 金属切削加工基础本章要点:金属切削基本知识;金属切削过程和控制;刀具几何角度的选择;切削用量。第1页/共70页2金属切削加工定义：在机床上，用金属切削刀具切除工件上多余的金属，并在高生产率和低成本的前提下，使其形状、尺寸精度及表面质量达到预定要求的加工。切削运动定义：为实现切削过程，工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动，它由金属切削机床来完成。第2页/共70页3我国金属切削加工技术的发展概况 一、明代发展成与近代相类似的切削加工方法一、明代发展成与近代相类似的切削加工方法如车、铣、刨、磨削等。如车、铣、刨、磨削等。二、建国以来，我国的机械制造业不断壮大金二、建国以来，我国的机械制造业不断壮大金属切削加工技术也得到了飞速发展。大力推广先进属切削加工技术也得到了飞速发展。大力推广先进的切削方法；在金属切削变形、切削力、切削热、的切削方法；在金属切削变形、切削力、切削热、刀具磨损和刀具耐用度、以及加工质量等方面都取刀具磨损和刀具耐用度、以及加工质量等方面都取得了一定水平的科研成果；广泛推广应用了机夹重得了一定水平的科研成果；广泛推广应用了机夹重磨刀具和可转位刀具。磨刀具和可转位刀具。三、三、8080年代以后，我国金属切削技术达到较高年代以后，我国金属切削技术达到较高的水平，计算机已在切削理论研究和刀具设计中应的水平，计算机已在切削理论研究和刀具设计中应用，各种先进的测试仪器已应用于切削机理的分析用，各种先进的测试仪器已应用于切削机理的分析和研究中，并取得一系列科研成果。和研究中，并取得一系列科研成果。第3页/共70页41.1金属切削的基本知识金属切削机床：指用切削和特种加工等方法加工金属工件，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。习惯称之为机床。第4页/共70页51.1.11.1.1金属切削机床的分类一、按机床的加工性质和所用刀具，机床分为12类：车床 C 钻床 Z 铣床 X 镗床 T 磨床 M 拉床 L 齿轮加工机床 Y 螺纹加工机床 S 锯床 G 刨插床 B 其他机床 Q 特种加工机床 在每一类机床中，又按工艺范围、布局型式和结构性能为若干组，每一组又分为若干个系（系列）。第5页/共70页6车床第6页/共70页7卧式铣床第7页/共70页8立式铣床第8页/共70页9立式钻床第9页/共70页10卧式镗床外形第10页/共70页11第11页/共70页12牛头刨床(Horizontal Shaper)(Horizontal Shaper)第12页/共70页13插齿(Gear Shaping)(Gear Shaping)机第13页/共70页14第14页/共70页15特种加工机床特种加工机床第15页/共70页161.1.11.1.1金属切削机床的分类（2）按应用范围（通用性程度）分为：1 1）通用机床 2 2）专门化机床 3 3）专用机床第16页/共70页171.1.通用机床用于加工多种工件、完成多种工序，加工范围较广，通用性较大，但结构比较复杂、生产率低；主要适用于单件小批生产，例如：卧式车床、万能升降台铣床等。2.2.专门化机床专门用于加工形状相同而尺寸不同工件的特定工序，如曲轴车床、凸轮轴车床等；工艺范围较窄。第17页/共70页183.3.专用机床只能用于加工某一种零件的某一道特定工序，适用于大批量生产，如机床主轴箱的专用镗床、车床导轨的专用磨床和各种组合机床等；工艺范围最窄。第18页/共70页19二、金属切削机床的分类（3 3）按机床的加工精度分类 1 1）普通精度机床 2 2）精密机床 3 3）高精度机床 第19页/共70页20二、金属切削机床的分类（4 4）按机床的自动化程度分类 1 1）手动机床 2 2）机动机床 3 3）半自动机床 4 4）全自动机床第20页/共70页21（1 1）按加工零件的大小和机床质量 1 1）仪表机床 2 2）中型机床（一般机床）3 3）大型机床（重量达10t10t）4 4）重型机床（大于30t30t）1 1）超重型机床（大于100t100t）第21页/共70页221.1.21.1.2机床的运动 各种类型的机床，为了进行切削加工以获得所需的具有一定的几何形状、一定尺寸精度和表面质量的工件，必须使刀具和工件间按照一定的规律完成一系列的运动，其中包括刀具和工件的相对运动。机床在加工过程中完成的各种运动，按其功用可以分为表面成形运动和辅助运动。第22页/共70页23 1.1.表面成形运动 表面成形运动直接参与切削过程，使之在工件上形成一定几何形状表面的刀具和工件间的相对运动。表面成形运动直接影响被加工表面的精度和粗糙度。例1 1：车削外圆柱面，工件的旋转运动B B1 1（圆）刀具的纵向直线运动A A2 2（直线）。运动B B1 1和A A2 2就是两个表面成形运动。第23页/共70页24车削外圆柱表面时的成形运动第24页/共70页25 例2 2：龙门刨床刨削工件，工作台带着工件作往复直线运动，刀架带刀具作间歇的直线运动。这两个直线运动产生发生线（皆直线），因而都是成形运动。第25页/共70页26常见典型表面成形运动常见典型表面成形运动表面成形运动的基本形式：表面成形运动的基本形式：旋转运动和直线运旋转运动和直线运动动第26页/共70页27第27页/共70页28第28页/共70页29 主运动 是刀具与工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，一种机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。按作用情况不同按作用情况不同,可分为可分为:主运动和进给运动。主运动和进给运动。第29页/共70页30进给运动 根据工件表面形状成形的需要，进给运动配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工。进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是步进的。第30页/共70页31辅助运动 实现机床的各种辅助动作,为表面成形创造条件，如切入运动、切出运动、调整运动、分度运动以及其他各种空行程运动。第31页/共70页32主运动和进给运动主运动和进给运动1 1、主运动、主运动 2 2、进给运动、进给运动 3 3、待加工表面、待加工表面 4 4、加工表面、加工表面 1 1、已加工表面、已加工表面第32页/共70页33 切削加工过程中，工件上有三个不断变化着的表面。（1 1）已加工表面：工件上经刀具切削后产生的表面。（2 2）待加工表面：工件上有待切除切削层的表面。（3 3）过渡表面：主切削刃正在加工的表面称为过渡表面，它是待加工表面与已加工表面的连接表面。工件表面工件表面第33页/共70页34车削运动和加工表面第34页/共70页35第35页/共70页361.2金属切削的要素 1.2.1 1.2.1 切削要素切削用量要素、切削层尺寸平面要素 1.1.切削用量要素 切削用量是切削过程中最基本的操作参数，包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）三个要素。第36页/共70页37（1 1）切削速度 切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。当主运动为旋转运动时，切削速度为刀具或工件最大直径处的线速度；当主运动为往复直线运动（如刨削），则往复运动的平均速度为切削速度。第37页/共70页38（2 2）进给量 进给量是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，刀具切削刃相对工件在进给运动方向上的移动量。车削时的进给量是工件每转一转，切削刃沿进给方向的移动量。（3 3）背吃刀量（切削深度）对于车削和刨削加工来说，背吃刀量a ap p为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位是mmmm。第38页/共70页392.2.切削层尺寸平面要素 切削时，沿进给运动方向移动一个进给量所切除的金属层称为金属切削层。通过切削刃基点（通常指主切削刃工作长度的中点）并垂直于该点主运动方向的平面，称为切削层尺寸平面。在切削层尺寸平面内测定的切削层尺寸几何参数称为切削层尺寸平面要素。第39页/共70页40各切削层参数的定义说明如下：（1 1）切削层公称厚度切削层公称厚度h hD D（简称切削层厚度）简称切削层厚度）它它是是指指在在给给定定瞬瞬间间，在在切切削削层层尺尺寸寸平平面面内内，垂垂直直与与切切削削刃刃的的方方向向上上度度量量的的切切削削层层截截面的尺寸。（面的尺寸。（mmmm）（2 2）切削层公称宽度切削层公称宽度b bD D（简称切削层（简称切削层宽度宽度）它是指在给定瞬间，在切削层尺寸平面它是指在给定瞬间，在切削层尺寸平面内，内，沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。它大致反映了主切削刃参加切削工作的长度。它大致反映了主切削刃参加切削工作的长度。(mmmm)。第40页/共70页41（3 3）切削层公称横截面积A AD D 它是指在给定瞬间，切削层在切削 层 尺 寸 平 面 里 的 实 际 横 截 面 积(mm2)(mm2)。它等于切削层厚度与切削层宽度的乘积，也等于背吃刀量与进给量的乘积。A AD D=h=hD Db bD D=a=ap pf f第41页/共70页42车削时的切削层尺寸车削时的切削层尺寸 第42页/共70页43第43页/共70页441.2.2 切削用量的选择原则1.1.切削用量对加工质量的影响 实际生产中，粗加工时，为了提高生产率，一般采用较大的背吃刀量和进给量，切削速度不高。精加工时，主要考虑加工质量，应采用小的背吃刀量和进给量，较高的切削速度。第44页/共70页452.2.切削用量对刀具耐用度的影响 根据刀具耐用度计算公式，可知ap ap、f f、v v中任一参数增大，都会下降。但其影响度不一样，v v最大，f f次之，ap ap 最小。故从刀具耐用度出发选择切削用量时，首先选择大的ap ap，其次选择大的f f，最后再根据已定的确定合理的v v值。第45页/共70页461.2.2 切削用量的选择原则1.1.背吃刀量a ap p的合理选择 背吃刀量a ap p一般是根据加工余量确定。粗加工（表面粗糙度Ra10Ra1012.1m12.1m），一次走刀尽可能切除全部余量，如果余量太大或不均匀、工艺系统刚性不足、断续切削时，可分几次走刀。在中等功率机床上，a ap p 8 810mm10mm半精加工（表面粗糙度Ra6.3Ra6.33.2m3.2m）时，a ap p 0.10.12mm2mm精加工（表面粗糙度Ra1.6Ra1.60.8m0.8m）时，a ap p 0.10.10.4mm0.4mm第46页/共70页472.2.进给量 f f 的合理选择粗加工时，对表面质量没有太高的要求，而切削力往往较大，合理的f f应是工艺系统所能承受的最大进给量。生产中f f常根据工件材料材质、形状尺寸、刀杆截面尺寸、已定的apap，从切削用量手册中查得。精加工时，进给量主要受加工表面粗糙度限制，一般取较小值。但进给量值过小，切削深度太薄，刀尖处应力集中，散热不良，使刀具磨损加快，反而使表面粗糙度加大。所以，进给量也不易太小。第47页/共70页483.3.切削速度v v的合理选择(1)(1)粗车时，apap、f f 均较大，故v v较小；精车时apap、f f均较小，所以v v较大。(2)(2)工件材料强度、硬度较高时，应选较小的v v；反之较高。材料加工性能越差，v v较低。易切削钢的v v较同等条件的普通碳钢高。加工灰铸铁v v较碳钢低。加工铝合金、铜合金的v v较加工钢高得多。(3)(3)刀具材料的性能越好，v v也选得越高。第48页/共70页49此外，在选择v v时，还应考虑：精加工时，应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域。断续切削时，为减小冲击和热应力，应当降低v v。在易发生振动情况下，v v应避开自激振动的临界速度。加工大件、细长件、薄壁件及带硬皮的工件时，应选用较低的v v。第49页/共70页50切削用量的优化切削用量的优化，即在一定的预定目标及约束条件下，选择最佳的切削用量。作为常用的优化目标函数有：最低加工成本；最高生产率；最大利润。在切削用量三要素中，背吃刀量主要取决于加工余量，没有多少选择余地，一般都已事先给定，而不参与优化。第50页/共70页51 所以切削用量的优化主要是指切削速度v v与进给量f f的优化组合。生产中v v和f f的数值是不能任意选定的。它们要受到机床、工件、刀具及切削条件等方面的限制，根据这些约束条件，可建立一系列约束条件不等式。对所建立的目标函数及约束方程求解，便可很快获得v v和f f的最优解。第51页/共70页52 金属切削刀具是完成切削的重要工具,其作用是从工件上切除多于金属。它是影响生产率、加工质量和成本的主要因素。刀具的性能决定机床性能的发挥。1-3 1-3 刀刀 具具一、刀具的类型一、刀具的类型（1 1）切刀类）切刀类根据用途和加工方法不同，刀具有以下几类：根据用途和加工方法不同，刀具有以下几类：（2 2）孔加工刀具）孔加工刀具（3 3）拉刀类）拉刀类（4 4）铣刀类）铣刀类（1 1）螺纹刀具）螺纹刀具（6 6）齿轮刀类）齿轮刀类（7 7）磨具类）磨具类（8 8）组合刀具）组合刀具（9 9）数控机床刀具）数控机床刀具（1010）特种加工刀具）特种加工刀具第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第52页/共70页53 切削部分由刀面、切削刃组成，采用各种专用刀具材料，根据需要制造成不同形状。其组成要素包括：（1）前刀面、（2）主后刀面、（3）副后刀面、（4）主切削刃、（1）副切削刃、（6）刀尖。1 1、刀柄：是刀具上的夹持部分；一般由采用碳钢。2 2、切削部分：是刀具上直接参加切削工作的部分，也称刀头。二、刀具的结构二、刀具的结构刀柄刀柄+切削部分切削部分第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第53页/共70页54（1 1）前刀面：（2 2）主后刀面：（3 3）副后刀面：（4 4）主切削刃：（6 6）刀尖 ：（1 1）副切削刃：切屑流过的刀面。与工件表面相对的刀面。与工件已加工表面相对的刀面。前刀面与主后刀面相交的棱边形成。由前刀面与副后刀面相交的棱边形成。主、副切削刃实际交点。第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第54页/共70页55三、刀具的几何参数三、刀具的几何参数 为定量地表示刀具切削部分的几何形状，必须把刀具放在一个确定的参考系中，用一组确定的几何参数确切表达刀具和切削刃在空间的位置，这就是刀具的几何参数（即刀具的角度）。1 1、刀具的参考系、刀具的参考系第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第55页/共70页56（1 1）基面）基面（r r）通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。车刀基面是车刀的安装面。通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于该点基面的平面。（2 2）切削平面（s）（3 3）基面（）基面（PoPo）通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。Pr-Ps-PoPr-Ps-Po三个面互相垂直，我们称之为正交平面参考系。其建立过程为第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第56页/共70页572 2、车刀的标注角度、车刀的标注角度 刀具的标注角度是指刀具设计图样上标注出的角度，它是刀具制造、刃磨和测量的依据。在正交平面参考系中标注的角度主要有：前角（oo）后角（oo）刃倾角（ss）主偏角（rr）副偏角（rr）副后角（oo）第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第57页/共70页581 1、前角（oo）：前刀面与基面平行时，o=0o=0；前刀面与切削平面之间的夹角小于9090度时，o0o0；前刀面与切削平面之间的夹角大于9090度时，o0.o0o 0；前刀面与基面之间的夹角大于9090度时o 0.o 0.后角愈大，刀具与工件之间的磨擦愈小，但刀具强度也愈差。在正交平面中测量的前刀面与基面的夹角。在正交平面中测量的主后刀面与切削平面的夹角。3 3、副后角（oo）：在副正交平面中测量的副后刀面与副切削平面的夹角。副后角影响刀面与已加工表面之间的磨擦和刀具强度。第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第58页/共70页594 4、刃倾角（ss）：在切削平面内度量的主切削刃与基面之间的夹角。它总是正值，刃倾角影响切屑排出的方向和刀头形状。1 1、主偏角（rr）：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值，它影响刀头强度。6 6、副偏角（rr）：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值，它影响刀头强度和表面粗糙度。前角和后角确定了前刀面和后刀面的位置；主偏角和刃倾角确定了主切削刃的空间位置；副偏角和副后角确定了副后刀面的位置；即六个基本角度确定了车刀切削部分的几何形状。第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第59页/共70页60第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第60页/共70页61四、刀具材料四、刀具材料1 1、刀具材料应具备的性能、刀具材料应具备的性能（1 1）高的硬度）高的硬度 刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料的常温硬度，刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料的常温硬度，一般要求在一般要求在HRC60HRC60以上。以上。（2 2）高的耐磨性耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力。一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。（3 3）足够的强度和韧性以便承受切削力，冲击和振动，而不致于产生崩刃和折断（4 4）高的耐热性（热稳定性）耐热性是指刀具材料在高温下保持硬度，耐磨性，强度和韧性的能力。（1 1）良好的工艺性能即刀具材料应具有良好的锻造性能，热处理性能，焊接性能，磨削加工性能等。第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第61页/共70页622 2、几种常见的刀具材料、几种常见的刀具材料（2 2）硬质合金）硬质合金（3 3）涂层刀具）涂层刀具（4 4）陶瓷刀具）陶瓷刀具（1 1）超硬刀具材料）超硬刀具材料（1 1）高速钢）高速钢YTYT类：类：YGYG类：类：YWYW类：类：金刚石金刚石立方氮化硼立方氮化硼第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第62页/共70页63（1 1）高速钢）高速钢高速钢是含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削速度1 13 3倍（因此而得名），提高刀具耐用度10104040倍。它可以加工从有色金属到高温合金在内的范围广泛的材料。高速钢刀具制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，因此在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中，高速钢占有重要地位。第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第63页/共70页64第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第64页/共70页65第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第65页/共70页66高压水刀 有句成语叫做：“柔情似水”，表明在常人眼中，液体的水无固定形状，是温柔的象征。然而，科学研究发现，高压水流在撞击物体表面最初的百万分之几秒时，其瞬时压力非常大。利用水的这一特点，科学家们将水变成了坚硬的高压水刀，可以用来挖泥、采矿，甚至切削钢板，还可用于冲孔、粉碎材料，甚至外科手术。高压水刀的优点有：用途广泛，可以加工钢板、铜板、玻璃、塑料等各种类型的材料；切削材料的切面光滑，不会留下毛口或变形；在切削某些化工合成材料肘，不会放出有毒气体或产生烟尘；水刀穿越的速度非常快，甚至不会将材料淋湿。目前，许多国家已将高压水刀切削工艺投入实际应用第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第66页/共70页67零件表面的形成和切削运动零件表面的形成和切削运动 一、零件表面的形成一、零件表面的形成 1、待加工表面：、待加工表面：2、已加工表面：、已加工表面：3、加工表面、加工表面 工件上即将被切除的表面。工件上即将被切除的表面。工件上经刀具切工件上经刀具切削后产生的新表面。削后产生的新表面。工件上正在被工件上正在被切除的表面。切除的表面。第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第67页/共70页68二、切削运动二、切削运动 在切削加工形成零件的全过程中，刀具和工件之间必需要在切削加工形成零件的全过程中，刀具和工件之间必需要有相对运动，按作用的不同可分：有相对运动，按作用的不同可分：1、主运动：、主运动：2、进给运动：、进给运动：切除工件所必需的运动。是最基本、切除工件所必需的运动。是最基本、最主要的运动最主要的运动。保证加工连续进行的运动。保证加工连续进行的运动。第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第68页/共70页69正交平面参考系建立过程第十四章第十四章 金属切削加工金属切削加工第69页/共70页70感谢您的观看！第70页/共70页