金属切削加工基本知识.ppt

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1、金属切削加工基本知识,第一节 金属切削加工的运动要素第二节 刀具材料和角度第三节 金属的切削过程第四节 技术经济分析,金属切削加工是用刀具从金属材料（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得几何形状、尺寸精度和表面质量都符合要求的机器零件的加工方法。 分为钳工和机械加工两部分。 机械加工是通过工人操作机床对工件进行切削加工，常见的加工方法有：车、钻、刨、铣、磨以及齿形加工等。,概述,第一节 金属切削加工的运动要素 一、切削运动 二、运动要素,一、切削运动 切削运动包括主运动和进给运动两类。 1、主运动 在切削运动中，运动速度最高、消耗动力最大、为切除切屑的最基本的运动。 例如：车削时工件的旋转运动；

2、 刨削时刀具（牛头刨）或工件（龙门刨）的直线往复运动； 钻削、铣削和磨削时，钻头、铣刀和砂轮的旋转运动。,2、进给运动 在切削过程中，为了使新的金属层连续投入切削，从而切出工件全部加工表面所需要的运动。 例如：车削时车刀沿纵向、横向的直线走刀运动； 钻削时钻头的轴向移动； 铣削时工件随工作台的直线运动。,注释: 1、主运动可以使旋转运动，也可以是往复运动； 2、主运动可以是工件来实现（车外圆）,也可以是刀具来实现（刨、铣加工）; 3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。,二、运动要素 1、切削运动中的三个表面 （1）待加工表面：指加工时工件上有待切除的表面； （2）已加工表面：指工件上经刀具

3、切削后产生的表面； （3）加工表面：指工件上由刀具切削刃形成的表面。,2、切削用量三要素,切削速度,进给量,背吃刀量,在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与刀具间沿进刀方向相对运动的距离。,在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。,待加工表面和已加工表面的垂直距离。,（1）切削速度 在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。 例如：主运动为旋转运动时 v=dwn/1000(m/s) 式中：dw工件待加工表面的直径或刀具最大直径（mm） n工件或刀具的转速（r/s） 主运动为往复直线运动时 v=2Ln/100060（m/s） 式中：L往复运动行程长度（mm） n主运动每

4、分钟往复次数,（2）进给量f 在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与刀具间沿进刀方向相对运动的距离。 如在车削、镗削、钻削时，进给量表示工件或刀具每转一转，刀具或工件移动的距离，单位是mm/r。 在牛头刨床（龙门刨）刨削时，刀具（工件）每往复一次，工件（刀具）移动的距离。,（3）背吃刀量（切削深度）ap 待加工表面和已加工表面的垂直距离。 在车削外圆时： ap=（dw-dm）/2 （mm） 其中： dw、 dm分别为待加工表面和已加工表面的直径。,3、切削层参数,切削层包括切削厚度、切削宽度和切削面积。,（1）切削厚度ac 垂直于加工表面度量的切削层尺寸。 （2）切削宽度aw 沿着加工表面

5、度量的切削层的尺寸。 （3）切削面积Ac 切削层截面面积。 Ac= acaw=fap,第二节 刀具材料和角度,一、刀具 二、刀具材料 三、刀具角度,一、刀具 1、刀具结构 车刀的组成和形式 （a）焊接式 （b）整体式 （c）机夹式,铣刀 （a）三面刃铣刀 （b）圆柱铣刀 （c）端铣刀,刨刀的结构 钻头和镗刀的对比,二、刀具材料,1、刀具材料的性能 （1）较高的硬度：为工件硬度的1.3-1.5倍，一般要求HRC60以上。 （2）足够的强度和韧性。 （3）良好的耐磨性 （4）较高的耐热性 （5）良好的导热性,2、常用刀具材料,碳素工具钢：T8A、T10、T12A。如丝锥、锉刀、锯条等。 合金工具钢

6、：9SiCr、CrWMn。如拉刀、铰刀、钻头等。 高速钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。如钻头、铣刀、齿轮刀具等。 硬质合金：粗加工YG6、YG8、YT5；精加工YT15、YT30。能耐1000高温，耐磨性好。 陶瓷：Al2O3、Al2O3-TiC、Si3N4；车刀（高速）。特点：热硬性好，耐磨，抗弯性差，易碎。 立方氮化硼：如车刀、铣刀（中高速）。特点：热硬性强，可耐1500高温，与铁亲和力小。 人造金刚石：如车刀、铣刀等。特点：热硬性好。,三、刀具角度,1、车刀的切削部分 车刀的切削部分由三个刀面、两个刀刃和一个刀尖组成。 三面：前刀面、主后刀面、副后刀面。 两刃：主刀刃、副刀刃。

7、 一尖：刀尖。,2、车刀切削部分的主要角度,（1）辅助平面 为确定刀具的几何角度而引入的辅助平面包括切削平面、基面和正交平面。 切削平面：通过主刀刃上某一点，并与该点加工表面相切的平面。 基面：通过主刀刃上某一点，并与该点切削速度方向垂直的平面。 正交平面：通过主刀刃上某一点，并与主刀刃在基面上的投影垂直的平面。,（2）车刀的主要角度,车刀的主要角度包括前角、后角、主偏角、负偏角和刃倾角。,1）在正交平面内测量角度,（a）前角0：正交平面中，前刀面与基面之间的夹角。 前角的大小对切屑变形、切削力以及切削刃强度都有很大影响。通常为-5至+25之间。 （b）后角0：主后刀面与切削平面之间的夹角。

8、主要作用是减少主后刀面与工件间的摩擦。通常为6-12。,2）在基面内测量角度,（a）主偏角r：主刀刃在基面上投影与进给方向的夹角。 它能改变径向切削力和轴向切削力的比例。常用的主偏角有45、60、75、90几种。 （b）副偏角r：副刀刃在基面上投影与进给反方向的夹角。 主要作用是减少副刀刃和已加工表面之间的摩擦。 一般为515左右。,3）在切削平面内测量的角度,刃倾角s：主刀刃与基面间的夹角。 主要作用是影响排屑的方向和刀具强度。,刀具角度的选择： （1）粗加工时，为了减轻刀具的负荷，采用较大的前角，可适当的减小后角。这时切削刃不会明显削弱。 （2）精加工时，为了减小主后刀面与加工面间的摩擦，

9、可采用较大的后角，并适当减小前角。 （3）在切削较硬材料或有冲击情况时，可采用较小的主偏角和负的刃倾角，而不必明显地减小前角。 （4）当加工精度要求高的细长轴时，为了减小振动，须选用较大的主偏角；为避免划伤已加工表面，须选用正的刃倾角，并相应减小前角。,第三节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及切屑的种类 二、积屑瘤 三、切削力和切削功率 四、切削热和切削温度 五、刀具磨损,金属在切削过程中，会出现一系列物理现象，如金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等，这些都是以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题，如积屑瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削过程密切相关。,一、切屑的形成过程及切屑种类,1.

10、 切屑形成过程,切削层 的金属,弹性变形,塑性变形,挤裂,切离,切 屑,切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形,随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移,刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂,沿刀具前刀面流出,（1）带状切屑 带状切屑呈连绵不断的带状或螺旋状,与刀具接触的底层光滑，背面呈毛绒状。 （a）形成条件：大前角、切速高、进给量小、被切金属塑性好。 （c）切屑形成过程：弹性变形、塑性变形、切离。 （c）优点：切削力平稳、切削热少、加工表面光洁。 （d）缺点：切屑连绵不断，易缠绕、易划伤已加工表面。,2、切屑

11、的种类 切屑分为带状切屑、节状切屑和崩碎切屑三类。,（2）节状切屑 节状切屑上面呈较大的锯齿状，底面有不贯穿的裂纹 形成条件：切速低、进给量大、中等硬度材料。 缺点：切削力波动大、工件表面较粗糙。,（3）崩碎切屑,切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩裂而形成形状不规则的崩碎切屑 形成条件：铸铁、铸造黄铜等脆性材料。 缺点：切削热和切削力集中在刀具的主刀刃和刀尖处，刀尖易磨损、易产生振动，表面质量不高。,二、积屑瘤,1、积屑瘤的形成 在一定的切削速度下切削塑性材料时，常发现在刀具的前刀面上靠近刀尖的部位粘附着一小块很硬的金属，称为积屑瘤。 一般认为，积屑瘤是由于切屑与前刀面在切削

12、过程中剧烈的摩擦而形成的。,有利方面,保护刀具,增加工作前角,积屑瘤硬度很高,可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损,积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大,可减小切削变形和切削力，使切削轻快,2、积屑瘤对加工过程的影响,不利方面,影响工件尺寸精度,影响工件表面粗造度,积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损,会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大,时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动,积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化,3. 积屑瘤的控制,影响积屑瘤的因素,工件材料,切削用量,刀具角度,切削液等,控制措施,要避免在中温、中速加工塑性材料,增大前角可减小切削变形，降低

13、切削温度，减小积屑瘤的高度,采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤,三、切削力和切削功率,1、切削力 切削力是指切削时刀具切入工件，切削层产生变形成为切屑所需的力， （2）切削力的产生 （a）被切金属层因弹性变形和塑性变形所产生的变形抗力。 （b）刀具与切屑、工件之间的摩擦。,（2）总切削力的分解 切削力是一个空间力，为了便于研究将其分解为三个相互垂直的分力,即主切削力、进给力和背向力。,主切削力:,切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，其大小约占总的切削合力的,背向力:,切削合力在切削深度方向上的分力;它在基面内，与切深方向相反,进给力：,切削合力在进给方向上的分力;它在基面内，

14、与进给方向平行，但方向相反,2、影响切削力的主要因素,工件材料,切削用量,刀具角度,积屑瘤,（1）工件材料的影响 （a）强度和硬度高，则切削力大。 （b）塑性和韧性高，则切削力大。 塑性大的材料，切屑与前刀面的摩擦系数大，接触区较长，故切削力较大； 韧性高的材料，致使其发生变形或破坏所消耗的能量较多，故切削力也较大。 如不锈钢0Gr18Ni9Ti与正火的中碳钢的强度硬度基本相同，但不锈钢的塑性韧性较高，其切削力要比正火的中碳钢约高25%。,（2）刀具角度的影响 （a）前角：增大，切削力减小。 （b）主偏角：增加，切削力降低。 （3）切削用量的影响 （a）切削深度ap的影响最大。 （b）进给量f

15、的影响次之。 （c）切削速度的影响,（4）积屑瘤 使切削力发生变化，总的趋势是随着切削速度的增加切削力有所减小。 此外，刀具磨损、刀具材料及冷却润滑条件也对切削力有影响。,四、切削热和切削温度,1、切削热 来源 （1）被加工件材料的弹性变形和塑性变形； （2）切屑与前刀面的摩擦； （3）后刀面与已加工表面之间的摩擦。 传散 （1）切屑，50-86%； （2）工件，40-10%； （3）车刀，9-3%； （4）空气，1%。,2、切削温度及影响因素 切削温度 一般指切屑、工件与刀具接触表面上的平均温度。 决定因素：工件材料、切削用量和刀具角度。,（1）工件材料的影响 （a）工件材料的强度、硬度越高

16、，切削中消耗的功越大，所产生的切削热越多，切削温度就越高。 （b）工件材料的导热性好，温度低。脆性材料，温度低。,（2）切削用量的影响 （a）切削速度增加，温度升高。当速度升高一倍时，温度升高20-30%； （b）进给量 f 增加，温度升高。当 f 增加一倍时，温度升高10%； （c）背吃刀量（切削深度）ap增加，温度升高不多。如ap增加一倍时，温度只升高3%。,（3）刀具角度的影响 （a）前角增大，温度降低； （b）主偏角，在进给量一定时，主偏角增大，温度上升。,3、切削液 （1）切削液的作用：降温和润滑。 （2）切削液的种类：切削油、乳化液、水溶液等。 （a）切削油：矿物油、动植物油和复合

17、油。 特点：润滑性好，流动性差，冷却作用小。 应用：低速精加工。如精车丝杠、螺纹等。,（b）乳化液 乳化液是由乳化油加水稀释而成的。 特点：流动性好、冷却能力强。应用最为广泛。 应用：低浓度的用于粗车和磨削；高浓度的用于精车、铰孔和铣削等。 （b）水溶液 主要成分是水，水的热导率和比热容都比油大得多，流动性又好，可以吸收大量的热。 其中加入了一定量的防锈剂，用于粗磨；加入一定的油类，可用于精磨。,五、刀具磨损1、刀具的磨损形式 由于切削条件不同，刀具磨损产生在刀具的不同部位，一般有三种形式：后刀面磨损、前刀面磨损和前后刀面同时磨损。,2、刀具磨损过程 （1）初磨阶段 （2）正常磨损阶段 （3）

18、急剧磨损阶段,刀具磨损的原因 （1）机械磨损 （2）相变磨损 由于温度升高发生组织相变，刀具变软而造成的磨损。 （3）扩散磨损 由于温度升高，工件与刀具中某些元素相互扩散，刀具变软而造成的磨损。,第四节 技术经济分析,一、工件材料的切削加工性 二、生产率 三、提高生产率的途径 作业,一、工件材料的切削加工性 材料被切削加工的难易程度通常称为材料的切削加工性。 材料的切削加工性是一个综合指标，包括：刀具耐用度高、允许的切削速度高、切削力小、加工质量易于保证；断屑问题易于解决。,1、衡量材料切削加工性的标准vt vt的含义：当刀具寿命为 t 分钟时，切削某种材料所允许的切削速度。 vt越高，表示材

19、料的加工性越好。 通常取 t =60分钟，所以vt可写作v60。对于一些难加工的材料也可取 t =30min或15min，则所以vt可写作v30或v15。,2、常用金属材料的切削加工性,结构钢的切削加工性 （1）低碳钢：软而韧，易粘结在刀具的前刀面上，使切削不利。故切削性较差。通常通过适当的热处理可改善切削加工性。 （2）中碳钢：综合性能好，切削加工性较好。 （3）高碳钢：硬而脆，刀具易磨损，耐用度下降，故切削性甚差。 （4）合金结构钢：强度硬度高，切屑与刀具前刀面的接触长度极短，切削温度高，刀尖处的应力集中极大，易使刀具崩刃。,铝、镁合金切削加工性 铝镁合金的比重小，比强度高，具有良好的导热

20、性和抗蚀性，且硬度较低，具有良好的切削加工性。 按所需功率比较，假定镁合金的功率为1.0，则铝合金为1.8，黄铜为2.3，铸铁为3.5，中碳钢为6.3，不锈钢为10。,不锈钢、钛合金和高温合金 共同特点：切削力大，切削温度高。因此，切削加工性较差。 具体原因： （1）加工硬化严重 奥氏体不锈钢滑移面数目多，晶粒变形，产生较大程度的加工硬化； 钛合金除塑性变形外，在高温下易吸入氧、氢、氮气，使合金脆化，加速了刀具的磨损，恶化了切削加工性。 （2）容易粘刀 奥氏体不锈钢和高温合金等材料的高温强度高、韧性大。 当强韧的切屑流经刀具前刀面时，将产生粘接、熔焊等粘刀现象。 钛合金在高温下化学亲和力强，加

21、之大的切削压力，促进了刀具的粘接磨损。,二、生产率 在切削加工中，单位时间内所生产的零件数目，称为生产率。 Q=1/td 式中：Q切削加工生产率 td生产一个零件所需要的总时间 td=tj+tf+tQ 式中：tj基本工艺时间，即加工一个零件所需要的总时间。 tf辅助时间，为了维持切削加工所消耗到各种辅助操作上的时间。 tQ其他时间，日清扫切屑等。,1、切削用量对加工质量的影响,当切削速度增大时，切削力减小，,可减小或避免积屑瘤，有利于提高加工质量,进给量增大使工件残留面积的高度显著增大,表面更粗糙,切削深度增大，时切削力和工件变形增大,可能引起振动，使零件的加工精度和表面质量下降,三、提高生产

22、率的途径,2、切削用量对刀具耐用度的影响,在切削用量中，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量次之，切削深度影响最小,3、选择切削用量的原则,粗加工,较大的切削深度和进给量，取尽可能大的的切削切削速度,精加工,一般取较大的切削速度，较小的切削深度和进给量以保证加工质量,4、 切削用量的选定,切削深度的选择,进给量的选择,切削速度的选择,粗加工时尽可能一次去除加工余量；精加工时应一次切除精加工工序余量,粗加工时的进给量应根据机床系统的强度和刀具强度选择,精加工时，一般切削深 度不大，切削力较小,粗加工时切削速度受机床功率限制；而精加工时，主要受刀具耐用度的限制,作业 P237 第1、2、4、5、7、10、11题。,