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1、第三章 切削加工工艺 3 1切削加工概述 3 1 1切削加工的分类 切削加工 是指利用刀具从毛坯上切去多余的材料 从而获得一定几何形状 尺寸和表面质量的加工方法 分类 机械切削加工 普通 数控 切削加工 机械加工 钳工 特种 3 1 2零件表面的分类与成形原理 1 零件表面的分类 基本表面 零件的表面 型面 各种沟槽 螺纹 齿轮及特型面 回转型 二维特型面 平移型 特型面 列表曲面 三维特型面 函数曲面 仿生曲面 二维特型面 列表曲面 三维 2 零件表面的成形原理 成形法 以切削刃的形状来保证工件表面形 状的成形原理 特点 刀具切削刃的几何形状 复杂 而刀具相对工件 的进给运动极为简单 包络法
2、 以切削刃相对于工件表面的运动轨 迹而形成的包络面即成为工件表面 的成形原理 特点 一般刀具相对简单 而切削运动较为复杂 动画 3 1 3切削运动与切削用量 1 切削运动 是指刀具与工件之间的相对运动 主运动 即刀具从工件上切下切屑所需要的基本 运动 进给运动 即使工件继续投入切削的运动 常见机床的切削运动见表3 1 2 加工中的工件表面 3 切削用量 是调整机床用的参量 切削速度 进给量和背 吃刀量称作切削用量三要素 切削速度 主运动为旋转运动 则 vc d n 1000 60 m s 式中 d 工件或刀具的直径 mm n 工件或刀具的转速 r min 主运动为往复运动 则 vc 2 Lnr
3、 1000 60 m s 式中 L 往复运动行程长度 mm nr 工件或刀具每分钟往复的次数 str min 进给量 刀具在进给运动方向上相对于工件的 位移量 用 f 表示 车 钻 镗 铣削时单位为mm r 背吃刀量 又称切削深度 指在垂直于进给运 动方向上测量的主切削刃切入工件的深度 用 ap表示 单位为 mm 车削外圆时 ap dw dm 2 mm 式中 dw 待加工表面的直径 mm dm 已加工表面的直径 mm 3 2车刀的几何结构及刀具材料 3 2 1车刀的几何结构 1 车刀切削部分的构成要素 几何表面 前面 又称前刀面 刀具上切屑流过的表面 主后面 又称主后刀面 刀具上与前面相交形成
4、 主切削刃的表面 副后面 又称副后刀面 刀具上与前面相交形成副切削 刃的表面 切削刃 主切削刃 起始于切削刃 上主偏角为零的点 并至 少有一段切削刃拟用来在 工件上切出过渡表面的那个整段切削刃 它担 负着主要的切削工作 副切削刃 切削刃上除主切削刃以外的刃 亦 起始于主偏角为零的点 但它向背离主切削刃 的方向延伸 它担负着部分切削工作 刀尖 指主切削刃与副切削刃的连接处相当少 的一部分切削刃 刀具的角度 1 为什么要讲刀具的角度 2 标注角度和工作角度 前提条件 刀尖与工件轴线等高 进 给量为零 刀柄中心线垂直于进给方向 等 2 刀具角度参考系 基面 pr 通过主切削刃选定点的平面 一般其方位
5、要垂直于 假定的主运动方向 主切削平面 ps 通过主切削刃选定点 与主切削刃相切并 垂直于基面的平面 正交平面 po 通过主切削刃选定点并同时垂 直于基面和切削平面的平面 正交平面原称作 主剖面 3 车刀的标注角度及作用 前角 0 前面与基面间的夹角 后角 0 后面与切削平面间的夹角 主偏角kr 主切削平面与假定 工作平面之间的夹角 副偏角kr 副切削平面与假定 工作平面之间的夹角 刃倾角 s 主切削刃与基面间的夹角 v角度的作用 前角 0 前角越大 刀刃锋利 越利于切削 但前角过大会削弱切削 刃的强度 后角 0 影响主后面与工件过渡表面间的摩擦及刀刃的强 度 主偏角kr 主要影响切削条件和刀
6、具寿命 也影响切削分 力之间的比例 副偏角kr 影响副切削刃与工件间的摩擦及表面质量 刃倾角 s 主要影响切屑流向和刀体的强度 3 2 2刀具材料 1 对刀具材料的要求 高硬度 一般应在HRC60以上 高耐磨性 含有硬质点的数量越多 晶粒越细 分布越均匀 则耐磨性越好 足够的强度和韧性 别用抗弯强度和冲击韧度 来衡量 高耐热性 又称红硬性 指刀具材料在高温下 保持其常温硬度的能力 是衡量刀具材料优劣的 一项重要指标 此外 刀具材料还应具有良好的工艺性和经济 性 2 常用刀具材料 一般分为以下四类 高速钢 按其性能分为通用型高速钢和高性能 高速钢两种 通用型高速钢热处理后的硬度可达HRC62 6
7、6 在550 600 时仍能保持正常的切削性能 常用牌号有W18Cr4V 称W18 W6Mo5Cr4V2 简称M2 等 高性能高速钢硬度可达HRC67 70 在600 650 时仍可保持HRC60的硬度 常用牌号有W2Mo9Cr4VCo8 简称M42 和 W6Mo5Cr4V2Al 简称501 等 硬质合金 硬质合金是以高硬度 高熔点的金属碳化物 WC TiC NbC TaC等 粉末为基体 以熔点较低的金属 Co或Ni等 粉末为粘结剂经高压后烧结制成的 常温硬度为HRC74 82 耐热温度可达800 1000 允 许的切削速度远高于高速钢 可达1 7 5m s 硬质合金的抗切削振动和冲击能力较差
8、 目前在复杂 结构的刀具上使用还受到一定限制 P类 即YT类 适于加工长切屑的黑色金属 M类 即YW类 适于加工长 短切屑的黑色和有 色金 属 K类 即YG类 适于加工短切屑的黑色 有色金属及非 金属 硬质合金代号和应用范围见表3 2 涂层刀具材料 是指通过气相沉积或其它技术方法 在硬质合金 或高 速钢 的基体上 涂覆一薄层耐磨性极高的难熔金属化合 物 常用涂层材料有TiC 碳化钛 TiN 氮化钛 和 Al2O3及其复合材料等 超硬刀具材料 陶瓷刀具材料 在1200 时仍能保持HRA90 95的硬度 人造聚晶金刚石 硬度可达HV10000 是目前人工制成 的硬度最高的刀具材料金刚石刀具 温度达
9、到700 800 时就会失去硬度 不宜加工黑色金属 立方氮化硼 硬度为HV8000 9000 仅次于金刚石 其耐热性可达1400 3 3金属切削过程 3 3 1切屑的形成及三个变形区 切削过程实质 弹性变形 塑性变形 分离 v三个变形区 始滑移线 OA 终滑移线 OM 第 变形区 剪切区 第 变形区 滞流区 第 变形区 塑变区 v常见的切屑形态 带状切屑 切削力变化比较小 切削过程较平 稳 节状切屑 切削过程不够平稳 表面粗糙度Ra 值较大 崩碎切屑 切削过程极不稳定 刀具刃口易崩 刃或磨损 3 3 2积屑瘤 1 形成 在第 变形区 条件 外摩擦力 内摩擦力 有瘤好不好 要不要 2 作用 增大
10、工作前角 保护切削刃 使实际切削深度变化 易引起震动 降低工件表面质量 粗加工 允许存在 切削轻快 精加工 不允许存在 保证质量 能否想要就要 3 影响因素 工件材料 塑性 积屑瘤 可正火 调质 切削速度 低速 0 08m s 或很高速 1 67m s 积屑瘤 中速 0 08 1 67m s 积屑瘤 300 刀具 增大前角 减小走刀量 提高刀具表面质量及 合理使用润滑液 可使积屑瘤 3 3 3切削力与切削功率 1 切削力 切削过程中 刀具对工件所施加的力称为切削 力 来源于两个方面 被切材料层因弹性变形和塑性变形而产生的变 形抗力 P变 刀具前刀面与切屑之间 后刀面与工件过渡表 面之间相对运动
11、而产生的摩擦阻力 P摩 总切削力 F 是一个空间矢量 其大小和方向随 切削条件而变化 可分解为三个互相垂直的分 力 v 三个分力 主切削力Fc 总切削力F在主运动方向上的分 力 它垂直于工作基面 与切削速度方向平行 故又称切向力 消耗机床总功率 的95 以上 是计算切削功率和车刀强度 确定机床动力的 主要依据 背向力 Fp 总切削力F在垂直于工作平面方向 上的分力 它投影在工作基面上 并与工件轴线垂直 故又称径向力 它一般不消耗机床功率 但易使工件变形 振动 是影响工件加工质量的主要分力 进给力Ff 总切削力F在进给运动方向上的分力 它投影在工作基面上 并与工件轴线平行 故又称轴向力 只消耗机
12、床功率的 1 5 是机床进给机构强度与刚度设计的主要依据 v关系 F Fc 2 Fp 2 Ff 2 Fp 0 15 0 7 Fc Ff 0 1 0 6 Fc v 影响因素 工件材料的硬度和强度愈高 则变形抗力愈大 因此 切削力愈大 切削用量中对切削力影响最大的是背吃刀量 其次是 进给量 而切削速度影响最小 刀具前角增大 被切金属的变形减小 故切削力减小 此外 刀具的主偏角和刃倾角的大小 刀具的安装 与磨损及冷却润滑状况等对切削力大小和各分力间的 比例都存在程度不同的影响 2 切削功率 背向力Fp方向运动速度为零 不做功 进给 力Ff 很小 往往忽略不计 切削功率 Pm Fc vc 10 3 K
13、W 式中 vc 切削速度 m s 机床电动机功率为 Pe Pm 式中 机床传动效率 一般取0 75 0 85 3 3 4切削热与切削温度 1 切削热 切削层金属弹性变形和塑性变形 Q变 刀具前刀面与切屑 后刀面与工件之间的摩擦 Q摩 散热比例 中等速度车削钢件时 大约 切屑带走50 86 传入工件9 3 传入刀具40 10 散入空气1 钻削 见书 影响 传入切屑和空气的热量无影响 传入工件和刀具的热量 使工件升温变形 产生尺寸 形状误差 精度 烧伤 工件表面 表面质量 刀具局部温度 硬度 加速 磨损 导致工件 质量 2 切削温度 切削温度是指工件 刀具和切屑三者接触表面 上的平均温度 是产生和
14、传散切削热综合作用的结果 工件材料 工件材料的强度 硬度越高 切削温度也就 越高 材料的导热性好 可使切削温度降低 切削用量 加大切削用量会使切削温度升高 切削用 量中对切削温度影响最大的是切削速度 其次是进给 量 而背吃刀量的影响最小 刀具角度 刀具的前角增大 切削层变形小 切削温 度降低 切削液 使用适当的切削液可明显降低切削温度 3 3 5刀具磨损与耐用度 1 刀具磨损 刀具磨损的形式 v前刀面磨损 高速 大厚度塑性材料 KT表示 v后刀面磨损 脆性 小厚度塑性材料 VB表示 v前后刀面同时磨损 刀具磨损的过程 刀具后面磨损量VB与切削时间之间的磨损曲 线 分为三个阶段 AB段 初期磨损
15、 BC段 正常磨损 CD段 剧烈磨损 2 刀具耐用度 刀具磨钝标准是指刀具允许的最大磨损量 通常以主后面中间部分平均磨损量VB作为磨 钝标准 刀具寿命是指一把新刀由开始切削到报废为止 的总切削时间 用 t 表示 显然 刀具耐用度T与刀具寿命 t 之间存在以 下关系 t n T min 式中 n 刀具刃磨次数 通常 耐用度 T 硬质合金车刀 T 60 90 min 高速钢钻头 T 80 120 min 硬质合金面铣刀 T 90 180 min 齿轮滚刀 T 200 300 min 选择刀具耐用度有两种方法 根据单件工时最短的原则来确定的最高生产率 耐用度 Tp 根据工序成本最低的原则来确定的经济
16、耐用度 Tc Tc Tp 3 3 6 工件材料的切削加工性 切削加工性是指对某种工件材料进行切削加 工的难易程度 材料的相对加工性 K v 一般以抗拉强度 b 735MPa的45钢的v60作基 准 写作 v60 j K v v60 v60 j K v值越大 其相对切削加工性越好 工件材料的相对切削加工性分为八级 如表3 3 1 很容易切削 2 3 容易切削 4 5 普通 6 8 难切削 v常用金属材料的切削加工性 结构钢 低碳钢 含C 0 25 较差 改善 正火 中碳钢 0 3 0 6 C 较好 改善 正火 高碳钢 0 6 0 8 c 含P 稍难 次于中碳钢 高碳钢 大于0 8 c 含F3C 不好 改善 球化退火 合金结构钢 低于含C量相同的碳钢 铝 镁合金 良好 但热膨胀系数大 不锈钢 较差 比低碳钢差 比高碳钢 含F3C 也差 高温合金 极差 钛合金 难切 比不锈钢差 比高温合金好 切削加工性排序 铝合金 镁合金 中碳钢 高碳钢 含P 低碳钢 高碳钢 含F3C 不锈钢 钛合金 高温合金 3 4 精密加工 1 精密加工的概念 目前精密与超精密加工的范畴可划分如下 一般加工 指加工精度
