机械制造技术基础课件第三章.

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1、第3章 金属切削与磨削加工 3. 1 金属切削、磨削加工的基本概念 3.1.1 金属切削与磨削的加工表面与用量 （1）切削加工表面 切削或磨削加工中获得的要求表面是逐渐 形成的，在这一过程中，工件上有三个不断 变化着的表面： 待加工表面 已加工表面 过渡表面 1)待加工表面加工时即将被去除金属层的表面； 2) 已加工表面已被切除多余金属新形成的 符合要求工件表面； 3) 过渡表面（切削表面） 位于待加工表面 和已加工表面之间的，正在 由刀具或砂轮的切刃在工件 上形成的那个表面。 （2）切削用量和磨削用量 在切削加工中，切削速度Vc、进给量f和切削 深度ap称为切削用量。相似地，在磨削加工中，磨

2、 削速度Vs、进给量f和砂轮切削深度ap（区别于单个 磨粒切刃的切深）称为磨削用量。切削或磨削用量 的大小反映单位时间内金属切除量的多少，也直接 影响切削或磨削的力、功率、温度、刀具或砂轮寿 命等。所以，在切削或磨削加工时，要根据工件材 料、刀具材料和其它技术经济要求来选择适宜的用 量。 n切削深度待加工表面与已加工表面之 间的距离； n进给量主运动回转一周时刀具沿进给 方向的位移量； n切削速度切削速度就是主运动的速度 ，如因刀刃上各点回转半径不同而导致 切削速度不同时，取其最大值。 312 刀具角度和切削层参数 （1）刀具切削部分的结构要素 刀具的切削部分担负主要的切削工作，直接 从工件上

3、切下切屑。刀具种类很多，除单刃刀具 （如车刀、刨刀等）外，还有各种多刃刀具（如 铣刀、拉刀、钻头、铰刀、滚刀等），及表面具 有大量微小磨粒切刃的砂轮。但它们切削部分的 几何形状与参数都可以以外圆车刀的切削部分为 基本形状。因此，刀具切削部分几何形状的确定 通常以车刀切削部分几何形状为基础来定义。 1)切削部分的刀面 前刀面 刀具上切屑流过的表面。如果前刀面 是由几个相互倾斜的表面组成的，则可从切削刃开 始，依次把它们称为第一前刀面、第二前刀面等； 后刀面 与工件上新形成的过渡表面相对的刀 具表面。也可以分为第一后刀面、第二后刀面等； 副后刀面 与副切削刃毗邻、与工件上已加工 表面相对的刀面。同

4、样也可以分为第一副后刀面、 第二副后刀面等。 有关刀具切削部分术语的说明 2)切削刃 切削的边锋，称为切削刃。切削刃有主切削刃 和副切削刃之分。 主切削刃是前刀面与后刀面的交线。在切削 过程中，承担主要的切削任务并形成工件上的过渡 表面。 副切刃是前刀面与副后刀面的交线。它参与 部分的切削任务，并影响已加工表面的粗糙度。 过渡刃是刀尖处连接主、副两条切削刃之间 的一小段切削刃。它可以没有（交点刀尖）、也可 以是直线（倒棱刀尖）或圆弧。 刀尖形状示意图 （2）刀具角度的参考系 为了确定刀具表面在空间的相对位置，可 以用一定的几何角度表示。 刀具的几何角度参考系有两类： 刀具标注角度参考系 刀具工

5、作角度参考系 构成刀具标注角度参考系的主要参考平面有： 基平面、切削平面、主剖面和切削刃法剖面。 基平面(简称基面)Pr 通过切削刃选定点、 垂直于主运动方向的平面。通常它平行或垂直于 刀具的制造、安装的定位平面或轴线。 切削平面Ps 通过切削刃选定点、与主切削 刃相切、并垂直于基面的平面，也就是切削刃与 切削速度方向构成的平面。 基面和切削平面是刀具标注角度参考系中两 个基本的参考平面，再加上以下所述的任一剖面 ，便构成各种不同的刀具标注角度参考系。 主剖面Po和主剖面参考系 主剖面Po是通过切 削刃选定点、同时垂直于基面和切削平面的平面 。它必然垂直于切削刃在基面上的投影。图36a 中Pr

6、PsPo组成正交的主剖面参考系。这是目前 生产中最常用的刀具标注角度参考系。（车刀的 标注参考系.swf） 切削刃法剖面Pn和法剖面参考系 法剖面Pn是 通过切削刃选定点、并垂直于切削刃的平面。在 图36a中，由PrPsPn组成一个法剖面参考系 。主剖面参考系与法剖面参考系的基面和切削平 面相同。 刀具角度的主剖面参考系 （3）刀具的标注角度 车刀的标注角度 1)主剖面参考系内的标注角度 在主剖面Po内的标注角度 前角o 在主剖面内度量的基面与前刀面间的夹 角。当前刀面与切削平面间的夹角小于90时取正 号；大于90时则取负号。 后角o 在主剖面内度量的后刀面与切削平面 间的夹角。当后刀面与基面

7、夹角小于90时取正号 ；大于90时取负号。 楔角o 在主剖面内度量的后刀面与前刀面间 的夹角。上述三角度之和为90。 在基面Pr内的标注角度 主偏角kr 在基面内度量的切削平面与进给平 面间的夹角。它也是主切削刃在基面上投影与进 给运动方向的夹角。 副偏角kr 在基面内度量的副切削刃与进给运 动方向在基面上投影间的夹角。 刀尖角r 在基面内度量的切削平面和副切削 平面间的夹角。它也是主切削刃和副 切削刃在基 面上投影间的夹角。显然地，上述三角度之和为 180。 在切削平面Ps内的标注角度 刃倾角s 在切削平面内度量的主切削刃与基 面间的夹角。当刀尖处在切削刃最高位置时，刃 倾角取正号；若刀尖处

8、于切削刃最低位置时，刃 倾角取负号；当主切削刃与基面平行时，刃倾角 为零。 以上所述角度中，基本角度只有前角o、后角 o、主偏角kr 、副偏角kr 和刃倾角s五个，其余 是派生角度。 车刀的刃倾角 2)法剖面参考系内的标注角度 法剖面参考系和主剖面参考系的区别仅在 于以法剖面代替主剖面作为测量前角、后角和 楔角的平面。法剖面的标注角度有法前角n、法 后角n和法楔角n，而其余角度完全相同。 （4）刀具工作角度 上述刀具标注角度是在假定运动和安装条件下的 标注角度。如果考虑合成运动和实际安装情况，则 刀具的参考系将发生变化，刀具角度也发生变化。 按照刀具工作中的实际情况，在刀具工作角度参考 系中确

9、定的角度，称为刀具工作角度。一般不必进 行工作角度的计算。只有在进给运动和刀具安装对 工作角度产生较大影响时，才需计算工作角度。例 如，在以大进给量切断小直径工件、车螺纹或丝杠 、铲背、刀具安装位置有较大变化时等。 （5）切削层参数 切削厚度 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸， 称为切削厚度，以ho表示。 切削宽度 沿过渡表面度量的切削层尺寸，称 为切削宽度，以bo表示。 切削面积 切削层在基面Pr内的面积，称为切 削面积，以AD表示。 残留面积 因刀具有副偏角，切削时残留在已 加工表面上的不平部分。 切削层参数及残留面积 313常用刀具材料及磨料 刀具材料指刀具切削部分的材料，磨料指磨粒的材料

10、。 它们直接影响刀具和磨具的切削性能、生产率、加工质量 和成本。 （1）刀具材料应具备的基本性能 刀具材料必须具有高于工件材料的硬度； 刀具材料应有足够的强度和韧性； 要求刀具材料要有好的抵抗磨损的能力； 要求刀具材料在高切削温度下保持高硬度、高强度 的性能，即耐热性，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力； 尽量大的导热系数和小的线膨胀系数； 为便于制造刀具和有高的性能价格比，要求刀具材 料具有良好的工艺性和经济性。 （2）常用刀具材料 1)高速钢 高速钢是一种加入了较多钨、钼、铬和钒等 合金元素的高合金工具钢。具有较高的硬度和耐 磨性、较高的热稳定性，能磨出锋利的刃口。制 造工艺性好。 2)硬质合

11、金 硬质合金是用具有高耐磨性和高耐热性的WC 、TiC等金属粉末，以Co、Ni作为粘结剂，用粉 末冶金法制得的合金。硬度高、耐磨。但韧性较 差。常制成刀片使用。 牌号性能应 用 范 围 YG3X 抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度 铸铁，有色金属及其合金的精加工和半精 加工，不能承受冲击载荷 YG3铸铁，有色金属及其合金的精加工和半精 加工，不能承受冲击载荷 YG6X普通铸铁，冷硬铸铁、高温合金的精加工 和半精加工 YG6A铸铁，有色金属及其合金的半精加工和粗 加工 YG6铸铁，有色金属及其合金、非金属材料的 粗加工，也用于断续加工 YG8冷硬铸铁，有色金属及其合金的半精加工 ，也

12、可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和 精加工 牌号性能应 用 范 围 YT30 抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度 碳素钢、合金钢的精加工 YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、 半精加工，也可用于断续切削时的精加工 YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可用于断续 切削 YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料 及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的 粗加工和半精加工 YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料 及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的 粗加工和半精加工 3)陶瓷材料 陶瓷是以氧化铝(A1203)或氮化硅(SiN4) 等为主要成分，经压制成形后烧结而成的刀 具材料。陶瓷刀

13、具材料共分三类：氧化铝基 陶瓷、氮化硅基陶瓷和复合氮化硅氧化铝 陶瓷。其优点是：硬度高，刀具耐用度高， 可提高切削速度，加工效率提高310倍。 4）涂层刀具 目前 80%以上都是涂层刀具。它是在硬质 合金或高速钢刀体上涂敷氧化铝、碳氮化钛 、氮化铝钛、碳氮化铝钛等，具有优异的高 温性能。 5)金刚石 天然和人造金刚石都是碳的同素异构体，是自然 界中最硬的材料。天然金刚石质量好，价格昂贵， 只用作超精密加工切削工具。但由于碳元素与铁元 素具有很强的亲和性，所以金刚石刀具不能加工铁 族金属材料。 6)立方氮化硼 立方氮化硼（CBN）是以六方氮化硼为原料，经 高温高压获得的人工合成材料，其硬度仅次于

14、金刚 石，和金刚石并称为超硬材料。具有很强的化学稳 定性，主要用于加工铁族金属材料。 （3）常用磨料 对磨料的基本要求是它的硬度要高于被磨材 料；要有一定动态强度或韧性，使磨粒侵入和冲 击工件时不易破碎；但还要有一定脆性，在磨粒 变钝后容易破碎形成锋锐的新切刃。 1）普通磨料 普通砂轮磨料都是基于氧化铝（Al2O3）和碳 化硅（SiC）的人造材料。它们各有不同品种以适应 不同的用途。硬度高的磨料通常更脆些。碳化硅磨 料的硬度和脆性比氧化铝的要高。较硬和较脆的磨 料通常用于精密磨削，粗粒度韧性磨料则更适合于 粗磨削。 2）超硬磨料 人造金刚石的较弱的品种主要制成树脂结合剂 砂轮磨削硬质合金。这时

15、，金刚石磨粒经常要镀覆 占磨粒重量55%的镍，以使磨粒和树脂结合剂结合 的更牢固，并在空气中提供保护。 几种常用磨料的特性及适用范围 序列磨料名称代号显微硬度特性适用范围 氧 化 物 系 棕刚玉A 2200 2280 棕褐色，硬度高 ，韧性大，价格 便宜 磨削碳钢和合金钢 白刚玉WA 2200 2300 白色，硬度较棕 刚玉高，韧性较 棕刚玉低 磨削淬火钢、高速钢 、高碳钢等 铬刚玉PA 2000 2200 玫瑰红和紫红色 ，韧性比白刚玉 高 磨削淬火钢、高速钢 、高碳钢、轴承钢 锆刚玉ZA1965 黑褐色，强度和 耐磨性高 磨削耐热合金、钛合 金、奥氏体不锈钢 单晶刚玉SA 2200 240

16、0 浅黄色，硬度和 韧性比白刚玉高 磨削不锈钢、高钒高 速钢等 微晶刚玉MA 2000 2300 颜色和棕刚玉相 似，强度高，韧 性和自锐性好 磨削不锈钢、轴承钢 、特种球墨铸铁 序列磨料名称代号显微硬度特性适用范围 碳 化 物 系 黑碳化硅C 2820 3320 黑色，有光泽， 硬度比钢玉高， 性脆而锋利，导 电和导热性好 磨削铸铁、黄铜、铝 、耐火材料及非金属 材料 绿碳化硅GC 3280 3480 绿色，硬度和脆 性比黑碳化硅高 ，导电和导热性 好 磨削硬质合金、宝石 、陶瓷、玉石、玻璃 、非铁金属、石材等 碳化硼BC 4400 5400 灰黑色，硬度比 黑、绿碳化硅高 ，耐磨性好 主要研磨和抛光硬千 周合金、拉丝模、宝 石和玉石等 立方 碳化硅 SC 2000 2300 浅绿色，立方晶 体结构，强度比 黑碳化硅高，磨 削能力强 磨削韧而黏