金属切削的基础知识.ppt

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1、金属工艺学金属工艺学主讲：李金火 金属工艺学是一门技术基础课，金属工艺学是一门技术基础课，机电类专业的主干专业基础课机电类专业的主干专业基础课，对专业课和基础课起着对专业课和基础课起着桥梁桥梁的作用。的作用。绪 论本课程的重要性本课程的重要性 本课程的本课程的研究对象研究对象 生产准备生产准备毛坯毛坯机械加工机械加工装配调试装配调试（车，铣，刨，车，铣，刨，磨，钻，镗、钳磨，钻，镗、钳工等工等）（组装，维修组装，维修）（铸造，锻造，铸造，锻造，焊接，冲压等焊接，冲压等）常用的工程材料、各种加工处理工艺。常用的工程材料、各种加工处理工艺。（材料分析、材料分析、市场调查，购市场调查，购买原材料买原

2、材料）原材料原材料零件零件机器机器1 金属切削基础知识（切削运动、切削运动、刀具、刀具、切削过程、切削机床切削过程、切削机床）2 常用切削加工方法（车削、铣削、刨削、磨销、钻削、）3 钳工4 铸造、锻压5 焊接6 数控、热处理（实习）本课程的本课程的主要内容主要内容本课程的特点1 1、本课程同实践紧密相联系，是一门、本课程同实践紧密相联系，是一门实践性实践性很强的学科，很强的学科，通过生产实践才能融会贯通地学习掌握相关知识（安排了通过生产实践才能融会贯通地学习掌握相关知识（安排了金工实习）。金工实习）。2 2、为了弥补实践方面的不足，采用视频教学以及到工厂参、为了弥补实践方面的不足，采用视频教

3、学以及到工厂参 观和实习，通过师生的相互努力来学好这门功课。观和实习，通过师生的相互努力来学好这门功课。金属切削的基础知识金属切削的基础知识切削加工切削加工利用切削工具与工件的相对运利用切削工具与工件的相对运动，从工件（毛坯）上切去多余的金属层，动，从工件（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得符合一定质量要求的零件的加工过从而获得符合一定质量要求的零件的加工过程。程。切削运动切削运动刀具刀具切削过程的现象切削过程的现象第第1节节 切削运动及切削用量切削运动及切削用量一、切削运动一、切削运动二、切削用量二、切削用量三、切削层参数三、切削层参数零件表面的形成零件表面的形成 一、外圆面和孔一、外圆面和

4、孔 二、平面二、平面 三、成形面三、成形面几何本质几何本质由一条线沿另一条线运动而形成的轨迹。由一条线沿另一条线运动而形成的轨迹。可逆表面可逆表面母线和导线可以互换（平面、圆柱面。）母线和导线可以互换（平面、圆柱面。）一、切削运动一、切削运动切削运动：切削运动：为完成切削工作，刀具与工为完成切削工作，刀具与工件之间必须有一定的相对运动，即切件之间必须有一定的相对运动，即切削运动。削运动。分分 类：类：按其在切削过程中所起的作用按其在切削过程中所起的作用不同，分不同，分为主运动和进给运动为主运动和进给运动主主 运运 动：切下切屑所必需的基本运动称为动：切下切屑所必需的基本运动称为主运动。主运动。

5、特点：在切削运动中，主运动的特点：在切削运动中，主运动的速度最高速度最高，消耗的功率也最大消耗的功率也最大，一般，一般只有一个只有一个。进给运动：使被进给运动：使被切削的金属层不切削的金属层不断投入切削的运断投入切削的运动称为进给运动。动称为进给运动。特点：速度低，特点：速度低，消耗功率小消耗功率小 可有多个可有多个二、切削用量二、切削用量用来衡量切削运动量的大小用来衡量切削运动量的大小三要素：切削速度三要素：切削速度 进给量进给量 背吃刀量背吃刀量1.切削速度切削速度定义：定义：切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度。以度。以 vc 表示，单位表示，单

6、位 m/s m/s 或或 m/minm/min计算公式：计算公式：（1）主运动为旋转运动时，）主运动为旋转运动时，vc 为最大线速度为最大线速度 d d 工件或刀具的直径，工件或刀具的直径，mmmm n n 工件或刀具的转速，工件或刀具的转速，r/s r/s 或或 r/min r/min（2）主运动为直线运动时，）主运动为直线运动时，v vc c为平均速度为平均速度 L L 往复行程长度，往复行程长度，mmmm n n主运动的往复速度，主运动的往复速度，st/sst/s或或st/minst/min2.进给量进给量刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。车削：

7、每转进给量车削：每转进给量 用用 f 表示，单位表示，单位 mm/r mm/r 刨削：每行程进给量刨削：每行程进给量 用用 f 表示，单位表示，单位 mm/stmm/st铣削：每齿进给量铣削：每齿进给量 用用 fz 表示，单位表示，单位mm/zmm/zfz进给速度，即瞬时速度进给速度，即瞬时速度 用用 vf 表示，单位表示，单位mm/smm/s 或或 mm/minmm/min z z 刀具齿数刀具齿数3.背吃刀量背吃刀量定义：在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方定义：在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向

8、测量的切削层尺寸。的切削层尺寸。即即切削深度切削深度，用用 aap表示，单位表示，单位mmmm加工表面加工表面待加工表面待加工表面已加工表面已加工表面过渡表面过渡表面切削用量选择的基本原则粗加工：粗加工：切削用量选择的顺序应是先确定背吃刀量ap（大）、再确定进给量f、最后确定切削速度Vc。在切削用量三要素中，背吃在切削用量三要素中，背吃刀量刀量ap对刀具耐用度的影响最小，而切削速度对刀具耐用度的影响最小，而切削速度VcVc对刀具耐对刀具耐用度的影响最大。用度的影响最大。精加工：先选择切削速度（大），其次是进给量，最后是背吃刀量。保证尺寸精度和保证尺寸精度和表面粗糙度。表面粗糙度。1.背吃刀量

9、ap的选择 选择尽量大的背吃刀量，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加工余量切除掉。（粗加工粗加工提高生产率提高生产率）2.进给量 f的选择 限制粗加工最大进给量f的主要因素刀杆和刀片的强度、进给机构的强度及工艺系统的刚性。限制精加工时最大进给量主要因素加工表面的表面粗糙度。3.切削速度 vc的选择 粗加工时限制切削速度 vc的主要因素刀具耐用度和机床功率。精加工时限制切削速度 vc的主要因素刀具耐用度。切削层切削层在切削过程中，由刀具切削部分的一个在切削过程中，由刀具切削部分的一个 单一动作所切除的工件材料层。单一动作所切除的工件材料层。包括：切削层公称横截面积包括：切削层公称横截面积

10、AD 垂直于主运动方向上切削层的截面的面积，AD=bD hD 切削层公称宽度切削层公称宽度 bD 沿主切削刃上度量的切削层尺寸 切削层公称厚度切削层公称厚度 hD 两相邻过渡表面之间的垂直距离三、切削层参数三、切削层参数第第2节节 刀刀 具具一、刀具材料一、刀具材料二、刀具结构二、刀具结构三、刀具角度三、刀具角度 一、刀具材料一、刀具材料刀具材料的要求刀具材料的要求（1）高硬度60HRC（2）高强度、高韧性（3）耐磨性:与硬度有关（4）耐热性（红/热硬性）：抗氧化能力（5）工艺性（可制造性）：便于加工（6）经济性：性价比要高常用刀具材料常用刀具材料（1）碳素工具钢、合金工具钢（钳工工具）（2）

11、高速钢（复杂刀具）（3）硬质合金（WC、TiC）（4）新型材料 陶瓷材料 金刚石 立方氮化硼 （CBN）性能比较硬度（耐磨性）：金刚石立方氮化硼陶瓷金属陶瓷硬质合金高速钢工具钢强/韧度：高速钢硬质合金陶瓷类耐热性：立方氮化硼陶瓷金属陶瓷硬质合金聚晶金刚石(PCD)高强度钢(HSS)常用刀具材料常用刀具材料 碳素工具钢碳素工具钢C=0.71.4%C=0.71.4%；T8T8、T10T10、T10AT10A、T12T12等等HRC6064HRC6064特点特点a.a.淬火后硬度高；淬火后硬度高；HRC6165HRC6165b.b.价格低；价格低；.耐热温度低；耐热温度低；.淬火后应力、变形大。淬火

12、后应力、变形大。250300250300应用：速度低、形状简单的手动工具。如锉刀、锯条等。应用：速度低、形状简单的手动工具。如锉刀、锯条等。合金工具钢合金工具钢Me5%Me5%；9SiCr 9SiCr、CrWMnCrWMn等。等。HRC6168HRC6168耐热温度耐热温度 350400350400应用：速度低、形状复杂的工具。如铰刀、板牙、丝锥等。应用：速度低、形状复杂的工具。如铰刀、板牙、丝锥等。高速钢高速钢高合金钢。高合金钢。W=620%W=620%；Cr=3.84.4%Cr=3.84.4%；V=1.04%V=1.04%HRC6269HRC6269 耐热温度耐热温度 600600应用：各

13、种形状复杂的刀具。应用：各种形状复杂的刀具。如钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。如钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。硬质合金硬质合金碳化物碳化物+粘结剂粘结剂粉末冶金粉末冶金碳化物：碳化物：WCWC、TiCTiC、等、等粘结剂：粘结剂：CoCoHRC7684HRC7684耐热温度耐热温度 10001000允许的切削速度是高速钢的允许的切削速度是高速钢的410410倍。倍。W18Cr4VW18Cr4V 钨钴类（钨钴类（YGYG）：）：WC+CoWC+Co韧性好、硬度低，切削韧性材料时耐磨性较差。韧性好、硬度低，切削韧性材料时耐磨性较差。适于加工铸铁、青铜等脆性材料和粗加工。适于加

14、工铸铁、青铜等脆性材料和粗加工。钨钴钛类（钨钴钛类（YTYT）：）：WC+TiC+CoWC+TiC+Co硬度高、耐磨性好、耐热性好，但韧性较差硬度高、耐磨性好、耐热性好，但韧性较差 。适于加工韧性材料和精加工。适于加工韧性材料和精加工。陶瓷材料陶瓷材料主要成分是主要成分是AlAl2 2O O3 3HRC9394HRC9394耐热温度耐热温度 1200145012001450主要用于加工半精加工和精加工高硬度、高主要用于加工半精加工和精加工高硬度、高强度钢及冷硬铸铁等材料。强度钢及冷硬铸铁等材料。人造金刚石、立方氮化硼等刀具材料人造金刚石、立方氮化硼等刀具材料二、刀具结构二、刀具结构 刀具刀具=

15、夹持部分夹持部分+切削部分切削部分夹持部分夹持部分用来将刀具夹持在机床上的部分用来将刀具夹持在机床上的部分切削部分切削部分刀具上直接参与切削工作的部分刀具上直接参与切削工作的部分结构形式结构形式2、焊接式、焊接式3、机夹式、机夹式1、整体式、整体式机夹铣刀机夹铣刀三、刀具角度三、刀具角度（一）车刀切削部分的组成（一）车刀切削部分的组成三面两刃一尖三面两刃一尖三面两刃一尖三面两刃一尖：前刀面前刀面前刀面前刀面刀具上切屑流过的表面刀具上切屑流过的表面刀具上切屑流过的表面刀具上切屑流过的表面主后刀面主后刀面主后刀面主后刀面与过渡表面相对的表面与过渡表面相对的表面与过渡表面相对的表面与过渡表面相对的表

16、面副后刀面副后刀面副后刀面副后刀面与已加工表面相对的表面与已加工表面相对的表面与已加工表面相对的表面与已加工表面相对的表面主切削刃主切削刃主切削刃主切削刃前刀面与主后刀面的相交线，担负前刀面与主后刀面的相交线，担负前刀面与主后刀面的相交线，担负前刀面与主后刀面的相交线，担负 主要切削任务，形成过渡表面主要切削任务，形成过渡表面主要切削任务，形成过渡表面主要切削任务，形成过渡表面副切削刃副切削刃副切削刃副切削刃前刀面与副后刀面的相交线，配合前刀面与副后刀面的相交线，配合前刀面与副后刀面的相交线，配合前刀面与副后刀面的相交线，配合 主切削刃完成切削任务主切削刃完成切削任务主切削刃完成切削任务主切削

17、刃完成切削任务刀尖刀尖刀尖刀尖主副切削刃连接部位主副切削刃连接部位主副切削刃连接部位主副切削刃连接部位刀具标注角度的作用：1、刀具静止参考系、刀具静止参考系 用于定义刀具设计、制造、刃磨和测量几何参数时所用的用于定义刀具设计、制造、刃磨和测量几何参数时所用的参考系。参考系。组成：由三个互相垂直的辅助平面组成组成：由三个互相垂直的辅助平面组成u 基面基面过主切削刃上选定点，与该点过主切削刃上选定点，与该点切削速度方向垂直的切削速度方向垂直的平平面，以面，以pr 表示。表示。u 切削平面切削平面过切削刃选定点，与切削刃相切并过切削刃选定点，与切削刃相切并垂直于基面垂直于基面的的平面，包括主切削平面

18、平面，包括主切削平面ps 和副切削平面和副切削平面psu 正交平面正交平面过切削刃选定点，同时过切削刃选定点，同时垂直于基面和切削平面垂直于基面和切削平面 的平面，以的平面，以po 表示。表示。u假定工作平面假定工作平面过切削刃选定点，过切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定垂直于基面并平行于假定 进给运动方向进给运动方向的平面，以的平面，以pf 表示表示 （二）刀具切削部分的主要角度（二）刀具切削部分的主要角度刀具静止参考系平面2、刀具主要角度、刀具主要角度 主偏角主偏角主偏角主偏角k kr r 在基面中测量的在基面中测量的在基面中测量的在基面中测量的主切削平面与主切削平面与主切削平面与主切削

19、平面与假定工作平面间假定工作平面间假定工作平面间假定工作平面间的夹角的夹角的夹角的夹角副偏角副偏角副偏角副偏角k kr r 在基面中测量的在基面中测量的在基面中测量的在基面中测量的副切削平面副切削平面副切削平面副切削平面与假定工作平面间与假定工作平面间与假定工作平面间与假定工作平面间的夹角的夹角的夹角的夹角前角前角前角前角0 在正交平面中测量的在正交平面中测量的在正交平面中测量的在正交平面中测量的前（刀）面前（刀）面前（刀）面前（刀）面与基面与基面与基面与基面间的夹角。间的夹角。间的夹角。间的夹角。后角后角后角后角 0 0 在正交平面中测量的在正交平面中测量的在正交平面中测量的在正交平面中测量

20、的刀具后面刀具后面刀具后面刀具后面（主后刀面）与切削平面间（主后刀面）与切削平面间（主后刀面）与切削平面间（主后刀面）与切削平面间的夹角。的夹角。的夹角。的夹角。刃倾角刃倾角刃倾角刃倾角S 在主切削平面中测量的在主切削平面中测量的在主切削平面中测量的在主切削平面中测量的主切削主切削主切削主切削刃与基面刃与基面刃与基面刃与基面间的夹角。间的夹角。间的夹角。间的夹角。包括：包括：包括：包括：主偏角主偏角主偏角主偏角kr kr 在基面中测量的主切削平面与假定在基面中测量的主切削平面与假定在基面中测量的主切削平面与假定在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角工作平面间的夹角工作平面间的夹角工作平

21、面间的夹角副偏角副偏角副偏角副偏角krkr在基面中测量的副切削平面与假定在基面中测量的副切削平面与假定在基面中测量的副切削平面与假定在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角工作平面间的夹角工作平面间的夹角工作平面间的夹角基基基基面面面面投投投投影影影影主偏角主偏角的影响：的影响：1）影响参与切削的切削刃长度和刀具的寿命影响参与切削的切削刃长度和刀具的寿命 切削深度和进给量一定时，切削深度和进给量一定时，kr减小，切屑宽度减小，切屑宽度增大，切屑厚度减小增大，切屑厚度减小 参与切削的切削刃长度增参与切削的切削刃长度增大大，切削刃单位长度上的负荷小，且利于散热切削刃单位长度上的负荷小，且利于

22、散热 延长刀具寿命延长刀具寿命。2）影响工件表面粗糙度影响工件表面粗糙度 主偏角减小，会降低加工表面残留面积的高度，主偏角减小，会降低加工表面残留面积的高度，从而减小表面粗糙度的值，从而减小表面粗糙度的值，提高表面精度提高表面精度。3）影响三个方向切削分力的大小影响三个方向切削分力的大小 切削力一定时，增大主偏角，则径向分力减小，切削力一定时，增大主偏角，则径向分力减小，从而减少工件的弹性变形和振动。所以从而减少工件的弹性变形和振动。所以加工细长轴加工细长轴类零件时选用大的主偏角，一般选用类零件时选用大的主偏角，一般选用75-90度度、甚至、甚至大于大于90度的主偏角度的主偏角。副偏角副偏角的

23、作用：的作用：1）主要作用是减少副切削刃与已加工表面的主要作用是减少副切削刃与已加工表面的摩擦。摩擦。2）当主偏角一定时，副偏角的大小会影响到）当主偏角一定时，副偏角的大小会影响到加工残留面积的高度，对加工表面的表面加工残留面积的高度，对加工表面的表面粗糙度影响较大。粗糙度影响较大。减小副偏角会降低表面减小副偏角会降低表面粗糙度的数值粗糙度的数值。副偏角一般为副偏角一般为5-15度，粗加工时取较大值度，粗加工时取较大值 前角前角0 在正交平面中测量的在正交平面中测量的前面与基面前面与基面间的夹角。间的夹角。后角后角0 在正交平面中测量的在正交平面中测量的刀具后面与切削平面刀具后面与切削平面间的

24、夹角。间的夹角。正正正正交交交交平平平平面面面面投投投投影影影影前前 角角分类：分类：根据根据前面和基面前面和基面相对位置的不同，分相对位置的不同，分为正前角、零度前角和负前角为正前角、零度前角和负前角影响：影响：1）增大前角能使切削刃锋利增大前角能使切削刃锋利，切削轻快，即能减小，切削轻快，即能减小切削层的塑性变形，减小切削力。切削层的塑性变形，减小切削力。2）过大的前角，会导致切削刃强度下降，刀头散热）过大的前角，会导致切削刃强度下降，刀头散热体积减小，磨损加剧，降低刀具寿命。体积减小，磨损加剧，降低刀具寿命。选取：选取：考虑工件材料、刀具材料和加工性质考虑工件材料、刀具材料和加工性质1）

25、工件材料强度、硬度低，前角可选大些；）工件材料强度、硬度低，前角可选大些；2）加工塑性材料，前角大些，加工脆性材料，前角）加工塑性材料，前角大些，加工脆性材料，前角取小些；取小些；3）刀具材料韧性好，前角可大些；）刀具材料韧性好，前角可大些；4）精加工时前角可选大些，粗加工时可选小些。）精加工时前角可选大些，粗加工时可选小些。后角后角作用：作用：1）减少刀具后面与工件表面的摩擦，并配合前角改）减少刀具后面与工件表面的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利与强度。变切削刃的锋利与强度。后角大，摩擦小，切削后角大，摩擦小，切削刃锋利。刃锋利。2）后角过大，切削刃变若，散热条件变差，加速刀）后角过大，切削

26、刃变若，散热条件变差，加速刀具磨损。具磨损。选取：选取：根据加工的种类和性质来选取根据加工的种类和性质来选取 粗加工或工件材料较硬时，要求切削刃强固，粗加工或工件材料较硬时，要求切削刃强固，后角取较小值，为后角取较小值，为6-8度；反之可取大些，如度；反之可取大些，如8-12度。度。前角、后角的影响前角、后角的影响刃倾角刃倾角S 在主切削平面中测量的主切削在主切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。刃与基面间的夹角。主主主主切切切切削削削削平平平平面面面面投投投投影影影影刃倾角刃倾角分类：分类：正、负、零度之分正、负、零度之分影响：影响：影响刀头的强度、切削分力和排屑方向影响刀头的强度、切削分

27、力和排屑方向 负的刃倾角可以增强刀头强度，但使背向力增负的刃倾角可以增强刀头强度，但使背向力增大，引起振动；会使切屑排向已加工表面，可能划大，引起振动；会使切屑排向已加工表面，可能划伤和拉毛已加工表面。伤和拉毛已加工表面。选取：选取：一般在一般在-5+5度之间选取；度之间选取；粗加工时取负值；粗加工时取负值；精加工时取正值或零度精加工时取正值或零度。刃倾角对排屑方向的影响刃倾角对排屑方向的影响刀具角度总结刀具角度总结工作角度工作角度在工作参考系中定义的刀具角度，考虑了合成在工作参考系中定义的刀具角度，考虑了合成运动和刀具安装条件的影响。运动和刀具安装条件的影响。车刀安装高度对前角和后角的影响车

28、刀安装高度对前角和后角的影响车刀安装偏斜对主偏角和副偏角的影响车刀安装偏斜对主偏角和副偏角的影响小结1、切削运动：主运动、进给运动切削运动：主运动、进给运动 切削用量：切削速度切削用量：切削速度vc、进给量、进给量f、背吃刀量、背吃刀量 aap 切削层参数：切削层参数：AD=bDhD2、刀具材料：陶瓷、硬质合金、高速钢、工具钢、刀具材料：陶瓷、硬质合金、高速钢、工具钢 刀具角度：前角、后角、主偏角、刃倾角；副偏刀具角度：前角、后角、主偏角、刃倾角；副偏角、副后角角、副后角 刀具结构：整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹刀具结构：整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹可转位式可转位式 刀具的主要标注角度刀具的主要标注角度d dw wd dm mnf f切削平面切削平面正交平正交平面面1)1)前角（前角（0 0）前刀面和基面前刀面和基面之间的夹角。之间的夹角。在正交平面内度量。在正交平面内度量。0 02 2）后角（）后角（0 0）主后刀面和切削平主后刀面和切削平面之间的夹角。面之间的夹角。在正交平面内度量。在正交平面内度量。0 03 3）主偏角（）主偏角（krkr）4 4）副偏角（）副偏角（krkr）krkrKrKr在基面内度量。在基面内度量。